管道流体能量采集与流速自感知的压电-电磁混合能量收集器研究

为解决管道流速传感器供电难题，研究人员开发了一种压电-电磁混合能量收集器(F-HEH)，集成自供电(PEH+EMH-1)与自感知(EMH-2)模块。实验表明，15叶片转子串联PEH时系统最大输出功率达124.3 mW，可实现水电解制氢并构建储能电路，同时通过电压频率-流速关系(R2=0.97494)实现流速监测，为智能流体监控系统提供创新解决方案。

　　

在工业管道监测和远程环境监控领域，流速传感器的供电问题长期制约其大规模应用。传统化学电池存在容量衰减、有毒物质泄漏等风险，而水能作为高能量密度的清洁能源，为这一难题提供了新思路。尽管已有学者开发基于压电、电磁或摩擦电原理的能量收集装置，但普遍存在功率输出低（如5.1 mW）、功能单一等问题，尤其缺乏将能量收集与流速感知融合的系统性解决方案。

吉林省科技厅资助的研究团队在《Sustainable Energy Technologies and Assessments》发表的研究中，创新性地提出管道流体压电-电磁混合能量收集器(F-HEH)。该系统通过转子叶片设计优化（15叶片时性能最佳）、双模能量转换（PEH串联+EMH-1）以及EMH-2的传感功能整合，实现了124.3 mW的功率输出和0.97494的流速-频率拟合精度。关键技术包括：流体动力学仿真优化转子结构、LTC3588芯片管理PEH能量、Savonius型涡轮驱动磁环-线圈组实现电磁转换，以及基于电压频率分析的流速自感知算法。

结构设计
三维模型显示F-HEH采用防水密封结构，转子搭载永磁体阵列，通过水流驱动激发PEH（双晶压电悬臂梁）和EMH（线圈-磁铁组）。理论分析建立流体相对速度模型（v_rel=v-ωR），推导出叶片切向力方程F_t,blade=?Δv_θ+0.5C_dρA。

实验验证
测试平台包含MCU、激光测微仪等设备，证实15叶片转子使系统功率提升8.2倍。PEH串联时输出电压达12.08 V，EMH-1在1 m/s流速下功率密度287 mW/m³，显著优于文献报道值（如22.78 mW）。

应用测试
能量管理电路驱动水电解装置，并成功为锂电池、GPS模块供电。EMH-2输出频率与流速线性相关（R²>0.97），验证了自感知可靠性。

该研究突破传统能量收集器的单功能局限，首次实现管道系统的能量自主供给与智能监测一体化。其124.3 mW的功率输出较同类研究提高24倍，流速感知精度满足工程需求，为物联网传感节点提供了免维护解决方案。研究团队开发的LTC3588-LTC3105混合电路架构，为不同阻抗特性的能量转换模块（高阻PEH与低阻EMH）协同工作树立了新范式。未来通过材料优化（如柔性压电复合材料）和微型化设计，有望在生物医学微流控等领域拓展应用。