一种基于耦合涡振效应和驰振现象的压电风能收集装置，该装置采用密封式干涉外壳结构

《Renewable Energy》：A piezoelectric wind energy harvester with a sealed interference shell based on coupled vortex-induced vibration and galloping

　　•1. 提出了一种具有密封干扰壳体的压电风能收集器。
•2. 壳体-圆柱体相互作用触发了涡激振动（VIV）- 马鞍效应耦合。
•3. 壳体保护压电梁免受外界环境的影响。
•4. 揭示了壳体诱导的性能提升机制。
•5. 该系统表现出三种振动响应状态；其中“井间状态”最为理想。

**引言**
传感器终端是快速发展的物联网（IoT）的关键组件，在离网或电力受限环境中为其供电已成为近年来的研究重点[1]。传统电池技术仍是主流的能量供应解决方案，但仍然存在使用寿命有限、需要定期维护以及环境问题。相比之下，能量 harvesting 技术以其可持续性和环保性为 IoT 传感器提供了有前景的替代方案[2]。在各种环境能量源中，风能因其清洁性、可再生性和丰富性而特别具有吸引力，使其成为大量 IoT 节点的一种可行能源[3]。常见的风能转换为电能的机制包括电磁效应[4]、静电效应[5]、摩擦电效应[6] 和压电效应[7]。压电效应因其结构简单、能量密度高、易于集成和微型化以及对低速和不规则风的适应性强而备受关注，这推动了压电风能收集器的广泛研究[8]。
压电风能收集器可以分为流致振动型和基于风力涡轮机的旋转型[9]。前者通过压电换能器直接将气流引起的结构振动转换为电能[10]，而后者则依靠叶片旋转来机械地激励换能器[11]。由于流致振动收集器结构简单、体积小、启动风速低且易于集成，因此特别适用于小规模风能收集。根据其背后的气动弹性机制，它们可以进一步分为颤振、抖振、涡激振动（VIV）和马鞍效应系统[12]。在这几种类型中，VIV 和马鞍效应常用于低至中等风速下的能量收集场景。VIV 源于周期性的涡流脱落[13]，只有当脱落频率与结构的自然频率锁定（即所谓的锁定或同步区域）时才会产生明显的振动[14]。因此，基于 VIV 的收集器在锁定或同步区域具有高效的发电能力，但其工作带宽非常狭窄[15]。马鞍效应通常发生在非圆形截面的弹性安装钝体上，当流速超过某个临界值时发生，其产生的振动幅度比 VIV 大得多[16]，但也更强烈且可能具有破坏性。因此，基于马鞍效应的收集器可以在较宽的速度范围内有效捕获能量[17]，但它们需要较高的启动风速，而高速度下的过大振幅可能导致结构疲劳和不稳定，从而限制了其稳定性。重要的是，当 VIV 的锁定区域与马鞍效应的起始区域在风速上重叠或相邻时，这两种效应可能会耦合[18]。这种耦合会产生复杂的气动弹性响应，通常会放大振动幅度并拓宽有效工作带宽，从而显著提高功率输出和对风速变化的响应能力。因此，VIV–马鞍效应耦合已成为研究的重点[19]。
为实现 VIV–马鞍效应耦合，研究人员开发了两种主要的结构配置：单自由度（SDOF）非干涉收集器和多自由度（MDOF）干涉收集器。SDOF 设计通常使用具有特定截面形状（如三角形、方形、D 形等）的单一钝体来直接诱导 VIV–马鞍效应振动。例如，Zhou 等人[20] 提出了一种新型的多稳态风能收集器，该收集器结合了中央圆形部分和两个方形端部部分，分别产生 VIV 和马鞍效应振动。Wang 等人[21] 提出了一种悬臂式压电风能收集器，其中心部分为方形，两侧各有一个对称的圆形部分。然而，高风速下可能出现的性能下降促使人们对 MDOF 干涉配置越来越感兴趣，这种配置通过多个钝体之间的流体力学相互作用产生耦合振动并提升性能。这些配置根据干涉体的位置分为上游干涉和下游干涉[22-24]。对于上游干涉，Wang 等人[22] 表明两个不同直径的串联圆柱体可以将尾流从再附去医院转变为共同脱落，而 Liu 等人[23] 在上游使用了双平板结构，将电压从不稳定的 1 V 提高到 12 V，并将启动风速从 3.5 m/s 降低到 1 m/s。然而，上游干涉结构可能会减少主钝体可用的有效风能，并且对来流变化和风向偏转敏感。对于下游干涉，Wang 等人[24] 确定了圆柱体下游矩形扰流板的最佳尺寸和位置，证明这种下游干涉可以诱导 VIV–马鞍效应耦合，其耦合强度强烈依赖于扰流板与圆柱体之间的距离。Kan 等人[25] 进一步研究了不同距离的下游挡板，拓宽了工作带宽并实现了最大输出功率 0.42 mW。Zhang 等人[26] 使用不同截面的下游干涉圆柱体来诱导 VIV–马鞍效应耦合并提高输出。总体而言，具有下游干涉结构的收集器可以在低风速下调节 VIV，并在高风速下触发马鞍效应，从而提高其能量收集效率并拓宽适用风速范围[27]。然而，这些基于干涉的设计存在明显缺点：它们增加了系统的体积，阻碍了集成和微型化，并且仍然使压电换能器暴露在外部流动中，影响稳定性。特别是，在大挠度下换能器容易失效，恶劣的环境因素（如雨水、灰尘和颗粒）会加速其退化，降低输出和使用寿命[28]。
为了解决这些问题，提出了密封策略以将换能器与外部流场隔离并提供有效保护。例如，Kan 等人[29] 设计了一种腔体密封的收集器，通过磁耦合间接激励换能器，提高了稳定性、输出性能和环境适应性。尽管密封结构增强了操作稳定性，但它们也可能使系统集成和封装变得复杂[30]。同时实现增强振动的效果、可靠的密封保护和高的结构集成仍然是一个重大挑战。

**受最近压电风能收集器密封设计的启发，本研究提出了一种利用特殊设计的密封干扰壳体的 VIV–马鞍效应耦合压电风能收集器（VG-PWEH）**。其新颖之处在于使用单个壳体同时作为下游干涉体、压电换能器的集成外壳以及对外部流动的保护屏障，从而实现了气动干涉、结构集成和环境隔离的统一。作为下游干涉体，壳体促进了 VIV–马鞍效应耦合，在参数优化后，在 8 m/s 的风速下负载电阻为 0.1 MΩ 时可实现最大平均功率 2.39 mW。通过将压电梁嵌入钝体后面，它提高了结构集成性；通过将梁与直接流体接触隔离，它增强了操作稳定性，在 2 m/s 的风速下 120 分钟后仅降低了 5.8% 的电压，而未密封的对比系统降低了 15.6%。从科学角度来看，本研究确定了三种不同的振动响应状态（不稳定状态、井间状态和井内状态），并使用耦合的理论和实验框架阐明了磁间距和梁尖端质量如何控制这些状态及其电输出。通过适当的整流、能量储存和功率管理，所提出的收集器可以支持离网或恶劣流动环境中低功率传感器节点的间歇性操作。

**VG-PWEH 的设计与建模**
本章详细描述了所提出的 VG-PWEH 的结构设计、工作原理和基本理论框架，并建立了支持后续章节仿真和实验研究的理论模型。

**数值模拟**
本章基于设计结构和工作原理，研究了分解的理论模型和集成系统模型。使用 Maple 软件工具进行数值模拟，以识别影响系统性能的关键因素。根据方程 (3)、(4)、(5)、(6)，系统响应主要由气动激励、磁耦合和结构动态参数决定。

**实验与讨论**
本节通过验证理论模型、优化关键结构参数以及表征其在不同工作条件下的动态响应、电压输出和功率性能，对所提出的 VG-PWEH 进行了实验评估。

**结论**
本研究提出了一种具有密封干扰壳体的 VIV–马鞍效应耦合压电风能收集器。该壳体同时具备三种功能：作为下游干涉体诱导 VIV–马鞍效应耦合；作为压电梁的集成外壳；以及作为对外部流动的保护屏障。这种设计将气动调节、环境隔离和功能集成融合到了一个组件中。

**作者贡献声明**
Jianming Wen：监督
Songshi Li：方法论
Yili Hu：写作-审阅与编辑、监督、资金获取
Ying Hu：写作-审阅与编辑、方法论
Nan Wei：方法论
Hao Yang：写作-审阅与编辑、初稿撰写
Zeyang Zhou：写作-审阅与编辑
Jijie Ma：监督
Yingting Wang：资金获取
Jianping Li：监督

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文工作的已知利益冲突。

**数据可用性声明**
图 5(a) 和 (b) 以及图 6(a) 和 (b) 所对应的实验数据可在 Zenodo 上公开获取：https://doi.org/10.5281/zenodo.23419342

**竞争利益声明**
? 作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号 LQK26E050004）和中国国家自然科学基金（项目编号 52405080）的支持；以及浙江省自然科学基金（LZ24E050008）的支持。

**作者名单**
Hao Yang | Zeyang Zhou | Ying Hu | Nan Wei | Jianping Li | Jijie Ma | Yingting Wang | Songshi Li | Yili Hu | Jianming Wen