自然启发的能量树利用阳光与气动不稳定性应用于智慧城市

《Energy》：Nature-inspired energy tree utilizing sunlight and aerodynamic instability for smart cities

　　

摘要
本文提出了一种自然启发的风-光混合树（NWSH-Tree），用于在智慧城市中同时收集风能和太阳能。受自然树木形态启发，该系统集成了柔性光伏叶片和基于旋转驰振的电磁能量收集器。光伏叶片将太阳能转化为电能，同时在气流下提供气动激励，使得单个组件内实现风-光混合能量收集。研究了不同风速和辐射强度下几何参数对输出功率的影响。建立了一个多目标帕累托优化框架来评估电磁和光伏子系统。结果揭示了风能和太阳能收集之间的权衡，帕累托前沿分析确定了最佳配置。在此配置下，系统实现了动态区间平均风功率密度 416.4 W/m3。在光照强度约为 262 W/m2 的条件下，光伏子系统实现了 14.1 W/m2 和 14.3 W/m2 的静态和动态区间平均功率密度，分别表明光伏面板的振荡不会导致光伏发电损失。此外，混合系统在各种运行条件下进行了评估，与静止光伏系统相比，最大总功率提升了 62.04%。最后，建立了一个非线性流-固-磁-电动力学模型并通过实验验证，以阐明多物理场耦合机制。这些发现验证了所提出的风-光混合能量收集策略的有效性，并为自供电传感器、分布式电子产品和紧凑型可再生能源系统提供了有前景的解决方案。

引言
在全球追求碳中和与可持续发展的驱动下，从环境中收集可再生能源作为为分布式电子设备、无线传感器网络、物联网（IoT）系统和智慧城市基础设施供电的解决方案，引起了越来越多的关注 [1], [2], [3]。在各种可用的可再生能源中，风能和太阳能特别具有前景，因为它们丰富、可持续且广泛可用。然而，传统大型风力涡轮机的部署在城市和离网环境中往往受到限制，因为其成本高昂、结构庞大、产生噪音以及维护需求高 [4], [5], [6]。为了解决这些限制，研究日益集中于基于风致振动（WIV）机制的微型风能收集器 [7], [8], [9]。根据潜在的气动弹性现象，WIV 收集器通常分为涡激振动 [10], [11], [12], [13], [14]、驰振 [15], [16], [17], [18]、尾迹诱导驰振 [19], [20], [21], [22], [23] 和颤振 [24], [25], [26], [27], [28]。收集到的机械能通常通过压电 [29], [30], [31], [32], [33]、摩擦电 [34], [35], [36], [37], [38] 或电磁 [39], [40], [41], [42] 转换转化为电能。为了进一步提高能量收集性能，混合转换策略 [43], [44], [45], [46], [47] 以及利用尾迹相互作用和耦合气动弹性不稳定性的多体或多自由度配置 [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55] 得到了广泛研究。这些方法展示了增强的启动性能、工作带宽、能量转换效率和方向适应性，证明了基于 WIV 的能量收集策略的有效性。太阳能是另一种主要的可再生能源，由于其高能量密度、可扩展性和易于集成而被广泛利用 [56], [57], [58], [59]。然而，单一可再生能源通常受其固有的间歇性和环境依赖性限制，限制了在可变条件下的持续能源供应。因此，多源集成能量收集策略作为提高能源利用率、输出稳定性和环境适应性的有效方法，引起了越来越多的关注。最近，集成不同环境能源源的先进多源收集器展示了在复杂环境中自供电应用的巨大潜力 [60]。此外，多模态能量收集系统通过同时实现能量收集功能，展示了为自维持环境监测平台供电的巨大潜力。例如，开发了一种含羞草启发的摩擦-电磁纳米发电机，用于自适应风能收集和智能风监测，证明了在单个设备中集成能量转换和气象感知的可行性 [61]。因此，开发了风-光混合能量收集系统，利用风能和太阳能资源的互补特性，在变化的环境条件下提高能源可用性和供电稳定性 [62], [63]。为了解决上述研究空白，我们提出了一种自然启发的风-光混合树（NWSH-Tree），用于在智慧城市环境中同时收集风能和太阳能。与仅模仿自然树木形态的传统仿生能量收集器不同，所提出的 NWSH-Tree 采用了一种功能仿生策略。具体来说，柔性光伏叶片被设计为执行双重功能角色：作为太阳能收集的光子捕获表面，同时充当气动钝体。在环境气流下，这些柔性叶片结构直接激励旋转驰振，而无需外部机械驱动器，从而弥合了表面形态外观与多物理场功能集成之间的差距。本研究的结构概述始于所提出系统的设计概念及其在智慧城市中的物理实现，接着是对系统工作原理的实验验证。然后详细研究了由光伏单元和电磁收集单元组成的两个子系统的电气配置和输出特性。进行了几何参数的多目标优化和 3D FTLE 流结构分析，并通过面向自供电智能道路基础设施的演示确保了系统在实际中的可行体现；NWSH-Tree 的风-光混合能量收集特性在各种风速和照射条件下进行了系统研究。相关发现突出了风能收集与太阳能收集能力之间的内在权衡，并揭示了具有优异综合性能的最佳配置。结论指出，本研究可以为智慧城市基础设施和可持续自供电应用的高效自然启发混合能量收集系统设计提供有价值的见解。为进一步突出所提出装置的性能优势，我们将其与最近研究中报道的代表性风-光混合能量收集器进行了比较分析。表 1 总结了所提出装置和先前报道的风-光能量收集系统的关键性能参数，即工作条件（风速和光照强度）、收集机制和输出功率密度。如表 1 所示，本研究中设计的风-光混合能量收集器在 10 m/s 风速下实现了 532.2 W/m3 的风功率密度，并在 262 W/m2 光照强度下实现了 15.6 W/m2 的光伏功率密度。与其他代表性风-光混合能量收集系统相比，该系统在相同或相似的工作条件下表现出优越的发电性能，特别是在风能收集方面。这一结果主要归功于旋转驰振机制的有效利用，该机制通过优化气动响应，显著提高了中低风速下的能量收集效率。本研究的发现为开发高效实用的风-光混合树提供了基本的理论和实验参考。为进一步评估所提出的 NWSH-Tree 系统的电磁输出功率，我们将其与最近报道的代表性风能收集器进行了比较。表 2 总结了所提出系统和先前报道的风能收集器的关键性能特征，包括工作模式、工作风速范围、输出功率和方向适应性。如表 2 所示，所提出的基于旋转驰振的电磁子系统在 5.0–10.0 m/s 的工作风速范围内实现了 5.025 mW 的输出功率，与最近报道的基于驰振和涡激振动的收集器相比，展示了具有竞争力的能量转换能力。这种增强的性能主要归功于旋转驰振机制，该机制促进了大幅度的结构运动并提高了电磁能量转换效率。

章节摘要
系统设计概念与物理体现
本节介绍了 NWSH-Tree 的自然启发设计概念、结构体现和混合能量收集机制。柔性光伏面板与电磁能量收集模块的集成允许该设备在紧凑的树状架构内同时利用太阳能和风能。如图 1 所示，NWSH-Tree 灵感来源于自然树的形态和能量交互特性。图 1(a-i) 描绘了

实验研究与验证
基于第二节描述的设计，我们制造了风-光耦合能量收集器，并完成了实验设置和初步准备。

结果与讨论
本节介绍了所提出的 NWSH-Tree 在不同参数组合下的实验结果和流动力学分析。由于 NWSH-Tree 同时收集风能和太阳能，使用单一指标评估其性能可能导致参数选择偏差。因此，为了全面评估 NWSH-Tree 的性能，同时考虑到其电磁和光伏能量收集能力，引入了两个目标函数，

结论
本研究通过整合柔性光伏叶片与基于旋转驰振的电磁子系统，提出了一种自然启发的风-光混合树（NWSH-Tree），实现了在单个紧凑树状结构内同时收集风能和太阳能。通过实验研究、多目标优化和流-固-磁-电动力学建模，所提出系统的能量收集特性及多物理场耦合机制

CRediT 作者贡献声明
Zhaokun Gu：可视化，资源，调查，数据整理。Jongwon Seok：验证，监督，项目管理，方法学，资金获取，形式分析。Yonghao Liu：写作 - 审查与编辑，写作 - 原稿，验证，软件，调查，形式分析，数据整理，概念化。Xue Kai：可视化，验证，资源，调查，形式分析。

利益冲突声明
? 作者声明以下可能存在潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Jongwon Seok 报告获得了韩国国家研究基金会（NRF）的资金支持。Jongwon Seok 与韩国国家研究基金会（NRF）存在包括资助拨款在内的关系。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文内容的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本工作由韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）拨款支持 [RS-2025-16066848]。

Yonghao Liu | Kai Xue | Zhaokun Gu | Jongwon Seok
中央大学工程学院机械工程系，大韩民国首尔特别市唐津区黑石路 84 号 06974