一种磁耦合的交叉轴钝体能量采集器，采用轻质的高密度聚乙烯（HDPE）基磁性复合材料，适用于低速风能领域

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：A magnetically coupled cross-axis bluff-body energy harvester using lightweight HDPE-based magnetic composites for low-speed wind energy application

　　• 新型多面体设计采用轻质HDPE磁性复合材料，具有可调性能。
• PIV揭示了磁性-尾流相互作用机制及振动过程中的涡流动力学。
• 通过流致振动和磁力耦合的跨轴悬臂梁。

**引言**
电力对现代社会至关重要，但其生成仍主要依赖石油和天然气，这些资源对环境污染贡献显著。尽管风力涡轮机被广泛用于可再生能源生产，但它们的大型体积、高昂成本、噪音污染以及适应社区区域的限制限制了其应用范围。此外，某些地区的低风速也会降低涡轮机的效率。为解决这些问题，能量收集系统作为一种可持续发电的新方法应运而生。这些系统的工作原理是：风吹过障碍物时会在其后产生涡流，从而引发振动，然后压电材料将这种机械能转化为电能，这一机制已得到广泛研究[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。虽然旋转式风力涡轮机通常具有更高的能量转换效率且对风向不那么敏感，但在需要紧凑尺寸、结构简单和易于安装的应用场景中，基于FIV的能量收集器具有明显优势。这类系统还可以为远程环境传感器[16], [17], [18], [19], [20], [21]提供动力，用于监测野火、河流水位、温度、湿度和溶解氧浓度。

**能量收集器的开发**
开发能量收集器的概念推动了持续的研究与开发，包括利用计算流体动力学（CFD）模拟来研究气流涡流行为并提高收集器效率。多面体的形状对振动行为有着显著影响[22], [23], [24], [25]。一项比较研究[26]发现，方形多面体产生的振动最为稳定，且功率输出最为连续。另一项研究[24]提出了一种带有槽纹的方形多面体设计，以增强振动和功率输出；槽纹设计提高了电能输出，而CFD-PIV模拟证实较深的槽纹能产生更大的涡流，从而增加能量产出[24]。多面体的尺寸和重量也会影响振动行为[27]。[28]指出，较大的多面体因更大的风暴露面积而增强涡流形成，虽然需要更高的临界风速，但一旦开始振动则可以产生稍高的功率。研究建议采用长而轻的多面体结构，以在低风速下实现最大输出。后续研究还扩展到了两个多面体串联的情况[29]，发现适当间距的方形前多面体可产生最高功率输出，并强调多面体间距对振动行为有重要影响[29]。先前的研究表明，尾流特性以及多面体的几何形状和间距显著影响压电收集器的振动和功率输出[30], [31], [32]。上游多面体可以在低风速下进一步增强下游的振动和能量产生[30], [31], [32]。多面体与悬臂梁之间的连接方式也是影响收集器性能的重要因素[33]。研究[34]发现，在低风速下将悬臂梁连接在多面体下方效果最佳；而在中等风速下将其连接在多面体后方则可以获得最高电能输出[34]。除了几何和结构改进外，还探索了其他振动放大机制以降低启动风速，例如磁系统[35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48]（这些系统无需外部电力输入）。例如[49]利用多面体上的永久磁体与下方磁体产生的磁斥力，在更宽的风速范围内增强振动幅度[49]。另一项研究[50]在多面体上安装永久磁体，并在其前方放置两个吸引磁体， magnetic辅助显著提高了发电量，尽管在较高风速下输出下降（因为磁体主要在初始振动阶段起作用[50]）。还有研究[51]在两个垂直排列的悬臂梁尖端安装磁体，磁相互作用降低了临界风速并提高了发电量，使两个多面体能在相似风速下开始振动[51]。

**研究方法与创新**
为了最大化能量收集并降低启动风速，研究者提出了采用两个多面体的新能量收集概念，这些多面体分别配备水平和垂直方向的悬臂梁。上游多面体底部装有悬臂梁以促进振动，下游多面体后部装有悬臂梁以增强电能输出。两个多面体均嵌入永久磁体，使上游多面体能够在低风速下诱导下游多面体振动并发电。这种方法提高了电能输出，使系统能够在比传统设计更低的風速下运行。此外，研究人员还开发了复合材料，将高密度聚乙烯（HDPE）与三种磁性填料（钡铁矿（BaFe12O19）、氧化铁（Fe3O4）和钕铁硼（NdFeB）结合使用。这些材料比传统永久磁体更轻，同时保留了磁性，适用于能量收集应用。通过粒子图像测速（PIV）分析了流体行为，以揭示其物理机制。

**工作贡献**
本研究的主要贡献包括：
(1) 提出了一种新型能量收集器设计，利用两个多面体结合水平和垂直方向的悬臂梁来提升系统振动性能；
(2) 开发了一种轻质磁性复合材料，结合HDPE与BaFe12O19、Fe3O4和NdFeB等磁性材料，显著减轻重量同时保持磁性，克服了传统重质永久磁体的局限性；
(3) 提出了区分磁性效应、磁性-尾流效应和尾流诱导效应的机制；
(4) 通过粒子图像测速（PIV）研究流体特性和振动行为，解释相关物理现象。

**实际应用**
该能量收集器的实际应用主要集中在沿海地区，这些地区的风向相对稳定。在这种情况下，系统的方向敏感性较低，其紧凑的体积和低启动风速使其适合安装在现有沿海基础设施和远程监控系统上，无需大型支撑结构。

**物理模型与实验装置**
图1(a)展示了本研究提出的新型能量收集器设计，包括整流电路和电气负载，可与实际电子电路（如为低功耗传感器或其他电子设备供电）集成。系统由两个主要部分组成：上游多面体和下游多面体。上游多面体为聚乳酸（PLA）制成的方形结构，不直接产生电能，而是通过振动来触发后续能量转换。下游多面体配备100mT磁强度的永久磁体，上游多面体则配备100mT、200mT和300mT磁强度的永久磁体，所有情况下上游多面体的总重量均为69克。这种配置既能产生排斥力也能产生吸引力。

**多面体周围流体特性的研究**
使用PIV图像研究了多面体周围的流体行为，展示了不同时间点（t0和t0+0.25T，其中T表示振荡周期）的涡流形成模式。分析分为两部分：第一部分探讨永久磁体的磁极性对振动的影响，第二部分探讨 altre aspects。

**结论**
本研究提出了一种基于多面体不同軸向振动的磁耦合能量收集方法，通过集成轻质、具有可调性能的HDPE基粘结磁体，实现了高效的跨轴能量转移。结果表明，粘结磁体在提高系统响应性方面起着关键作用：其低质量增强了系统对涡流诱导振动的敏感性，并促进了多轴间的能量传输。

**作者贡献声明**
Nattanan Rakpratanporn：撰写初稿、可视化设计、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、概念构建；
Apirat Laobuthee：验证、方法论研究、数据分析；
Witchukorn Phuthong：方法论研究；
Jan Novosad：可视化设计、方法论研究；
Chawalit Kittichaikarn：撰写修订稿、验证、项目监督、资金申请、概念构建。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢Kasetsart大学研究与发展研究所（KURDI）在Research Grant No. FF(KU-SRIU)8.67项目中的财政支持，同时也感谢Kasetsart大学国际化学生能力建设计划的支持。