利用驻极体-压电互补耦合技术实现低频振动能量收集，同时优化了带宽和功率密度

《Journal of Cleaner Production》：Low-frequency vibration energy harvesting using electret-piezoelectric complementary coupling with optimized bandwidth and power density

低频振动能量收集优化方法研究，提出电石-电介质协同互补设计（Four-C E-PEH），通过振动调制扩展带宽并优化电介质排列提升功率密度。实验验证在24Hz以下运行，最大功率密度达4.94mW/cm3，带宽20Hz，优于传统结构。

　　在当今社会，随着物联网和智能监控技术的不断发展，对持续、稳定、可靠的能源供应需求日益增长。特别是在电力传输系统中，诸如输电线路和杆塔等基础设施需要长期运行，而传统电池供电方式由于寿命有限和维护成本高昂，逐渐暴露出其不足之处。因此，开发高效的振动能量收集技术成为解决这一问题的关键。本研究提出了一种针对低频振动能量收集的优化耦合方法，采用了一种紧凑的电介质-压电耦合结构（Four-C E-PEH），通过协同互补设计，提升了能量收集的效率和适用范围。

低频振动能量收集在输电线路和杆塔等环境中具有广阔的应用前景。然而，现有的能量收集方法在适应变量低频振动和实现有效的耦合设计方面仍面临诸多挑战。本文提出了一种优化的耦合方法，通过在结构中引入电介质和压电元件的协同作用，以及能量互补机制，进一步拓宽了频率范围并提升了功率密度。该方法基于近场假设模型，通过理论分析和多物理场仿真，对耦合振动调制和交替设计进行了优化。最终，通过实验平台验证了所设计的Four-C E-PEH结构的性能，实验结果显示，该结构在24 Hz以下实现了较高的能量收集效率，最大功率密度达到4.94 mW/cm3，频率带宽为20 Hz，相比其他梁结构的研究具有更优的表现。此外，通过振动调制，将压电元件的频率带宽扩展了4.17 Hz，优化电介质排列后，电介质在共振状态下提供了1.52 mW/cm3的电势能，占总输出的33.47%。即使在非共振状态下，电介质组件仍能提供0.19 mW至1.13 mW的输出，从而实现能量互补，提升了系统的适应性和稳定性。

传统的振动能量收集方法，如压电能量收集（PEH）和电磁能量收集（EMEH），通常在100 Hz以上的频率范围内有效运行。然而，自然振动往往发生在50 Hz以下，这限制了它们在低频环境中的应用效果。尽管已有研究针对低频环境进行了优化，但大多数方法的有效频率范围通常在30 Hz以下。例如，Lin等人（2024）提出了一种通过设置止挡间接激发悬臂梁的方法，有效限制了材料变形并提升了低频振动能量收集的功率密度。Zhang等人（2023a）则设计了一种多模式振动摩擦纳米发电机，能够在较宽的频率范围内收集低频振动能量。然而，这些方法在空间利用、频率带宽和非共振状态下的输出功率等方面仍有提升空间。

与压电和摩擦能量收集相比，电势能收集（EEH）通常具有更宽的频率范围，并且不需要接触，但其功率密度和电势场源仍存在不足。电介质材料因其能够长时间保持极化电荷，且易于制成各种薄膜，成为电势场源的有力候选。Chen等人（2017）设计了一种基于电容器板的振动能量收集装置，利用16 cm2的复合电介质薄膜实现了最大功率输出11.12 mW，并具有超过30 Hz的频率带宽。Li等人（2023b）提出了一种通过集成微探针重新充电电介质的方法，进一步增强了能量收集的稳定性。Bi等人（2017）则设计了一种多叶片扇形电介质结构，优化后实现了18.30 mW的输出功率。这些研究展示了电介质在低频振动能量收集中的潜力，但其在实际应用中的功率密度和适应性仍有待提高。

为了克服现有方法的局限性，研究者们尝试将不同能量收集方式进行耦合，以提升系统的稳定性和适应性。例如，Zhang等人（2023b）提出了一种电磁-摩擦耦合能量收集装置，结合了两种方法的优势，实现了高频和低频范围内的高效能量收集。然而，摩擦组件的接触-分离过程会导致结构磨损和运动阻力，影响其长期运行的可靠性。相比之下，Feng等人（2023）设计了一种压电-电势耦合能量收集装置，将压电层和电极分别置于悬臂梁的两侧，使得两者能够协同工作并调整共振频率。这种设计在一定程度上解决了单一方法在低频振动下的局限性，但其在频率带宽和非共振状态下的输出能力仍需进一步优化。

近年来，一些研究者开始将机器学习等算法应用于振动能量收集系统的优化和评估，以提高能量利用效率。例如，Kumar等人（2025）和Nigar等人（2024）探讨了如何利用算法优化系统能量消耗和效率。这些方法为振动能量收集技术的发展提供了新的思路，但其在实际应用中的可行性仍需进一步验证。因此，本文的研究不仅关注于提高能量收集效率，还致力于拓宽频率范围，提升系统的适应性，使其能够在复杂多变的低频振动环境中稳定运行。

本文提出的Four-C E-PEH结构，通过将电介质和压电元件紧密耦合，并采用协同互补设计，实现了更高效的能量收集。在结构设计上，电介质组件被安装在压电悬臂梁的主动端，充分利用了有限的空间，提升了整体系统的紧凑性。通过理论分析和多物理场仿真，研究者们对电介质和压电元件的运动模式和振动特性进行了优化，使其在共振状态下能够实现更高的功率输出，而在非共振状态下仍能维持一定的能量收集能力。这种设计不仅拓宽了系统的频率带宽，还增强了其对变量环境激励的适应性，使得能量收集更加稳定和高效。

实验结果表明，Four-C E-PEH结构在24 Hz以下实现了良好的能量收集效果，最大功率密度达到4.94 mW/cm3，频率带宽为20 Hz。这一性能指标显著优于现有的其他梁结构研究。此外，通过振动调制，将压电元件的频率带宽扩展了4.17 Hz，进一步提升了系统的适应性。优化电介质的排列后，电介质在共振状态下提供了1.52 mW/cm3的电势能，占总输出的33.47%。即使在非共振状态下，电介质组件仍能提供0.19 mW至1.13 mW的输出，从而实现能量互补，提升了系统的整体输出能力。

综上所述，本文的研究为低频振动能量收集技术的发展提供了新的思路和方法。通过引入电介质和压电元件的协同作用，以及能量互补机制，Four-C E-PEH结构在提升功率密度和频率带宽方面表现出显著优势。同时，实验结果验证了该结构在实际应用中的可行性，为其在输电线路和杆塔等低频振动环境中的推广奠定了基础。未来，随着材料科学和结构设计技术的不断进步，低频振动能量收集技术有望在更多领域得到应用，为智能监控和自供电系统提供可持续的能源解决方案。