一项关于具有惯性配置的磁性拨弦双光束压电能量收集器的研究，该收集器用于低速流动水中由流动引起的振动

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：A study on magnetic plucking dual-beam piezoelectric energy harvester with inertial configuration for flow induced vibration in low-velocity flowing water

水下低流速水流中，提出磁拨双束压电能量收集器惯性机制，通过弹簧磁振荡器实现频率升频，理论分析非线性磁力与势能，实验验证在0.7Hz、4cm振幅下输出功率达100.4μW。

　　本文介绍了一种创新的磁弹双梁压电能量收集装置，该装置旨在通过流体诱导振动（FIV）从低速水流中高效收集能量。随着海洋能源利用技术的发展，从海洋流体中获取电能已成为一个备受关注的研究领域。相比太阳能和风能，海洋流体的能量密度更高，且覆盖范围更广，因此具有较大的应用潜力。然而，传统压电能量收集装置在实际应用中面临诸多挑战，包括结构脆弱、缺乏防水保护以及在低频振动下的能量转换效率低下等问题。

为了提升压电能量收集装置在低速水流中的可靠性与性能，本文提出了一种基于磁弹机制和惯性配置的新型双梁压电能量收集装置（MDPEH）。该装置的核心设计理念是将能量收集结构嵌入流体阻体中，通过磁弹机制和惯性配置实现对水流振动能量的高效转换。与传统结构直接与水流接触不同，该设计通过弹簧-磁铁振子系统与双梁结构的相互作用，实现非接触式的能量收集，从而避免了水流侵蚀带来的结构损坏问题，并提高了装置的稳定性与耐久性。

该装置的结构由两个压电梁、弹簧-磁铁振子系统、流体阻体以及机械连接部件组成。当水流通过流体阻体时，会引发流体诱导振动，这种振动通过弹簧-磁铁振子系统被转换为更高频率的振动能量，从而激发压电梁产生电能输出。该系统的一个重要特点是能够形成时间变化的势能场，通过非线性磁力作用，使压电梁进入高能量轨道，从而提升整体的能量收集效率。同时，该设计还具备良好的防水性能，确保装置在水下环境中正常运行。

在理论模型方面，本文建立了一个基于非线性磁力和势能变化的数学模型，用于分析该装置在低频振动下的能量转换机制。通过理论推导，该模型能够有效描述磁弹系统与压电梁之间的相互作用，以及如何通过时间变化的势能场实现频率提升。此外，该模型还揭示了磁弹系统在不同参数配置下的性能表现，为后续实验设计提供了理论依据。

为了验证该装置的性能，本文在振动平台上进行了参数研究实验。实验结果表明，在低频振动（0.7 Hz）和小振幅（4 cm）的条件下，该装置能够产生较高的输出电压，并展现出频率提升机制。进一步的水下测试也证明了该装置在实际应用中的稳定性与可靠性。在水下环境中，当水流速度达到0.371 m/s时，该装置能够进入高能量轨道，产生最大输出功率为100.4 μW，这表明其在低速水流中的能量收集能力得到了有效提升。

在现有研究中，许多学者已经尝试通过改进压电能量收集装置的结构来提升其在低速水流中的性能。例如，有研究提出将压电能量收集装置嵌入圆柱形管体中，以形成惯性收集机制，从而提高装置的稳定性和适应性。此外，还有研究通过引入电磁收集机制，提升能量收集效率。然而，这些方法大多未能同时解决频率匹配问题和结构保护问题，导致在低速水流中能量收集效率仍然较低。

本文提出的磁弹双梁压电能量收集装置则在这些研究的基础上，进一步优化了结构设计，实现了频率提升与结构保护的双重目标。通过引入时间变化的势能场，该装置能够在低频振动下激发压电梁产生更高的输出功率。同时，该装置的嵌入式设计使其在水下环境中具备良好的防护性能，能够有效避免水流侵蚀带来的结构损坏问题。这些优势使得该装置在低速水流中的应用具有更高的可行性。

为了进一步提升装置的性能，本文还对磁弹双梁结构进行了参数优化研究。通过调整弹簧-磁铁振子的参数，以及压电梁的配置，研究人员发现该装置在低速水流中的能量收集效率得到了显著提升。此外，该装置的双梁结构能够有效利用空间，避免了传统单梁结构带来的能量损失问题。通过实验和数值模拟分析，研究人员发现该装置在低频振动下的响应功率提高了17%以上，而在某些参数配置下，其能量收集效率甚至提升了29%。

在实验研究中，研究人员还发现该装置在低速水流中的输出功率与水流速度之间存在一定的关系。当水流速度较低时，装置的输出功率也相对较低，但随着水流速度的增加，输出功率逐渐提升。这种现象表明，该装置在低速水流中的能量收集能力具有一定的可调节性，能够适应不同的水流条件。此外，实验还表明该装置在水下环境中具有较长的运行时间，能够稳定运行超过144小时，这为实际应用提供了重要的支持。

本文的研究不仅在理论上提出了新的模型，还在实验上验证了该装置的实际性能。通过对比实验结果，研究人员发现该装置在低速水流中的能量收集效率显著高于传统压电能量收集装置。此外，该装置的频率提升机制使其能够在低频振动下产生更高的输出功率，这为未来的海洋能源利用提供了新的思路。通过进一步优化磁弹双梁结构的参数配置，研究人员相信该装置在实际应用中将具有更高的效率和可靠性。

在实际应用中，该装置可以用于为水下分布式传感器供电，例如海洋监测设备、水下通信系统等。这些设备通常需要长期运行，并且对供电稳定性有较高要求。因此，该装置的嵌入式设计和频率提升机制使其成为一种理想的能量收集方案。此外，该装置的防水性能也确保了其在水下环境中的长期稳定运行，避免了因水流侵蚀而导致的设备损坏问题。

总的来说，本文提出了一种新型的磁弹双梁压电能量收集装置，该装置通过惯性配置和频率提升机制，实现了在低速水流中的高效能量收集。该装置的结构设计不仅提高了能量收集效率，还增强了装置的稳定性与可靠性。通过理论模型和实验验证，研究人员发现该装置在低速水流中的能量收集能力得到了显著提升，具有广阔的应用前景。未来的研究将进一步优化该装置的参数配置，以提升其在不同水流条件下的适应性与性能表现。