基于風壓變換和壓電效應的風能收集器設計

ID:247597 · 發(fā)表于 2017-11-9 10:37

作品內(nèi)容簡介
針對在遠距離氣體輸送管道、地下輸氣管道等場合中監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)供電困難、后期維護成本高等問題，我們提出了利用管道風（時均流）進行發(fā)電，為相應場合中的監(jiān)測及照明等系統(tǒng)提供持續(xù)而穩(wěn)定的電源。在理論學習和文獻閱讀的基礎上，通過實驗設計了一套基于風壓變換和壓電效應的風能收集器。設計的基本思路是，通過特殊的聲學部件將管道風變換為駐波聲場，再利用壓電振子將聲能轉(zhuǎn)換為電能，最后收集利用。
作品的設計包括四部分：1.風壓變換裝置：時均流在驅(qū)動管和諧振管組成的結構中產(chǎn)生駐波聲場；2.材料形狀及夾持方式：采用四塊 1/4 圓壓電振子，以懸臂結構固定于法蘭上；3.材料制備：采用磁控濺射方式在襯底上鍍 ZnO 壓電薄膜；4.電能轉(zhuǎn)換及收集電路：四塊壓電振子串聯(lián)輸出交變電壓，經(jīng)升壓整流后，給電容充電。
本作品與風車不同，是一種無運動部件的裝置，不易磨損，同時結構簡單系統(tǒng)卻很完善，因而在使用壽命和經(jīng)濟效益上具有獨特的優(yōu)勢。除此之外，材料方面，我們采用了 ZnO 作為壓電材料，與 PZT 相比，更加環(huán)保且節(jié)約成本；電路方面，在傳統(tǒng)電路的基礎上加裝了變壓器以及 ICL7663CPA 穩(wěn)壓芯片，使電路穩(wěn)定地輸出較大的電壓值。
本作品的技術關鍵在于通過對風壓變換裝置、壓電振子形狀及加持方式、材料制備方案以及電路等四個方面的優(yōu)化設計，提高最終的輸出電壓，保證相關器件的正常運作，主要的技術指標即輸出的電壓值。

1. 研制背景及意義
能源是一個國家發(fā)展的基本保障，當今世界，以煤炭、石油為主要燃料的國家，已面臨嚴重的環(huán)境污染，加上化石燃料儲量減少的雙重危機，開發(fā)利用新能源已經(jīng)成為世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，而風能又是新能源中最具開發(fā)潛力的一種能源。2009 年中國的新增風力發(fā)電已經(jīng)占到世界第一，到 2020 年我國風力發(fā)電能力按計劃將達到 1.5 億千瓦，而我國總體風力發(fā)電潛力為 10 億千瓦，風力發(fā)電對于我國政府減排目標的實現(xiàn)具有重要意義[1]。
傳統(tǒng)的風力發(fā)電是一種將風能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式，主要采用風力發(fā)電機組，利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機將旋轉(zhuǎn)速度提升，從而使發(fā)電機發(fā)電。但是風車發(fā)電成本高，占空間大，不適用于管道、隧道中的風能收集和利用。如果能有一套裝置，可以有效利用管道風進行發(fā)電并支持一些系統(tǒng)的正常工作，同時具有很長的使用壽命節(jié)約維護成本的話，不失為一件好事。
以天然氣管道為例，在現(xiàn)有的天然氣遠距離輸送過程中，每 20 至 30 公里設置一個加壓站，調(diào)整因管道沿程損失等引起的壓力損失，但在這之間卻沒有配套的監(jiān)測系統(tǒng)，其中一個重要原因就是缺少一種可靠的適應性強的供電系統(tǒng)，若采用電網(wǎng)拉電、蓄電池供電等方式，則存在維護困難且成本高等問題。同樣的，在地下或深海管道中，電源的獲取也很困難，比如在油氣勘測中，地下鉆井往往深達 1000 到 2000 米，此時深埋地下的監(jiān)測系統(tǒng)既無法利用

太陽能獲得發(fā)電，又無法保證從地面引入的輸電線電力輸送的可靠性，因此深井中的監(jiān)測成了一個難題。由此可見，在荒郊野外、地下、深海等特殊的自然環(huán)境條件下，較難從外界直接獲取電能，因而流體自身攜帶的能量顯得極為可貴，成為獲取電能的重要來源。而在暖通空調(diào)中，風道的測量和自動控制系統(tǒng)的電源都從居民電網(wǎng)中引出，引線復雜且不方便，在一定程度上可以用一個獨立的電源支持相應系統(tǒng)的工作。
天然氣管道、地下或深海管道、空調(diào)系統(tǒng)風道有一個共同點：管道風。因此我們想提出一個裝置，可以利用管道風的小部分能量，實現(xiàn)電能的穩(wěn)定供給�；陲L壓變換和壓電效應的風能收集器就是在這樣的應用前提下產(chǎn)生的。
本研究項目意在提出一種新型的風能利用方式，通過聲學部件將時均流變換為振蕩的聲場，在聲場的作用下，再利用壓電材料將聲能轉(zhuǎn)換為電能，收集后可用于照明、監(jiān)測等。這種風能利用方式適用范圍廣，可以有效解決遠距離、難以提供外部電源的管道監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題。

2. 設計方案
基于風壓變換和壓電效應的風能收集器的設計主要由四部分組成，分別是風能轉(zhuǎn)換裝置的設計、材料的形狀及夾持方式的設計、材料制備方案的設計以及電能轉(zhuǎn)換及收集電路的設計。四部分設計相互關聯(lián)缺一不可，一起組成了整個風能收集器。

2.1 風能轉(zhuǎn)換裝置的設計
時均流激聲發(fā)動機（Meantime Flow Acoustic Engine，簡稱 MFAE）裝置如圖 3 所示。由風機模擬具有單流向性的空氣流體，在一系列整流裝置后在十字型管的支管即諧振管處產(chǎn) 生穩(wěn)定的聲場，其能量轉(zhuǎn)換原理將在系統(tǒng)工作原理中做更詳細的說明。諧振管中的交變聲場形成交變的壓力為壓電材料提供了激勵能源，從而使得壓電振子發(fā)電。風壓轉(zhuǎn)換裝置實物圖如圖2所示。

圖 3 時均流激聲發(fā)動機（MFAE）裝置簡圖

2.2 材料形狀及夾持方式的設計
通過查閱文獻得到：在相同條件下，三角形壓電振子能有效改善表面應變分布，產(chǎn)生的電壓最大，梯形次之、矩形最小。常用的夾持方式有懸臂梁和兩端剛性夾持，在受力條件相同時使用懸臂梁夾持方式的壓電振子形變大，從而發(fā)電量大。結合上述兩點，決定使用以下方案：把四個 1/4 圓形壓電振子的圓弧邊用螺釘固定于夾持板上，用螺栓把夾持板與十字型諧振管端部密封連接。圖 4 為夾持裝置簡圖；夾持裝置中的四個圓孔為與支管連接的螺栓孔，壓電振子底部的小孔為電極導線引出孔[2]。夾持實物圖如圖 5 所示。

2.3 材料制備方案的設計
在現(xiàn)有實驗條件下，我們采用采用了磁控濺射的方式進行制備 ZnO 壓電薄膜。磁控濺射是指荷能粒子轟擊固體靶表面，使固體原子或分子從表面射出的現(xiàn)象[3]。壓電材料襯底通常采用單晶硅，但是單晶硅脆性大，容易碎裂，本作品中聲場提供的壓力振幅值可達到
15KPa，單晶硅有斷裂的可能性。故而我們提出使用金屬銅、鋁、鐵等材料作為襯底，以上金屬材料具有良好的導電性，材料強度也可以負荷管道中的壓力場強度；但是在文獻查閱過程中，基本上沒有找到直接使用金屬材料作為襯底的例子。
本作品中壓電振子是以金屬銅為襯底，在其一面鍍 ZnO 薄膜制成的。用銅為襯底是因為銅具有較好的韌性、合適的硬度和良好的導電性。好的韌性和硬度保證了在較大的駐波聲場的沖擊作用下，壓電振子能產(chǎn)生相對較大的形變量，且韌性優(yōu)越，在一定程度上防止了壓電材料的受損；良好的導電性有利于了電能的輸出。
壓電振子的發(fā)電性能還與襯底厚度有關。銅金屬襯底的厚度越小，懸臂壓電陶瓷-金屬層疊結構產(chǎn)生的電荷性能會增強[4]，因而最終采用 1mm 左右厚的銅片。與單晶硅相比，這種設計不僅滿足了承壓要求，還大大降低了成本，將成為本作品的一大突破。在壓電材料方面，技術較為成熟且普遍使用的是壓電陶瓷（PZT），
而本作品中采用 ZnO 材料，目前主要運用于光學和聲學傳感器等方面，很少用于發(fā)電，從這個層面上講也可以說是一種嘗試。其次，ZnO 是一種新型的 II-IV 族寬帶直接帶隙化合物半導體材料，制備的價格較為低廉，而且具有很高的熔點和激子束縛能以及良好的機電耦合性和較低的電子誘生缺陷。此外，ZnO 薄膜的外延生長溫度較低，有利于降低設備的成本，抑制固相外擴散，提高薄膜的質(zhì)量，同時也易于實現(xiàn)摻雜[5]。實驗實際制備出的壓電振子如圖 6 所示。
根據(jù)文獻，我們先提出了如下兩套制備方案：

表1 ZnO壓電振子（銅襯底）鍍膜方案一：

薄膜沉積	濺射系統(tǒng)	靶	濺射頻率（W）	濺射壓強（Pa）	濺射氣體流量比	襯底溫度（℃）	靶間距（cm）	沉積速率（A/min）
ZnO	射頻濺射	Zn	200	0.37	Ar： O2（1 ：1）	280	10	21.22

表2 ZnO壓電振子（銅襯底）鍍膜方案二[3]：

薄膜沉積	濺射系統(tǒng)	靶	濺射頻率（W）	濺射壓強（Pa）	濺射氣體流量比	襯底溫度（℃）	靶間距（cm）	退火溫度（℃）
ZnO	射頻濺射	Zn	150	0.7	Ar： O2（1 ：2）	350	10	800

經(jīng)過實驗后，發(fā)現(xiàn)上述方案存在一定問題，再加上制備水平有限，實驗結果并不理想，因而我們提出了新的制備方案：

圖 7 硅襯底壓電振子簡圖

表 3 ZnO 壓電振子（銅襯底）鍍膜方案二

組別	溫度（℃）	靶材	靶間距	功率（W）	生長速度 nm/min	退火溫度（℃）
1	常溫	ZnO	10cm	100	8	室溫
2	常溫	ZnO	10cm	100	8	室溫

2.4 電能轉(zhuǎn)換及收集電路的設計
壓電振子在正壓電效應下的電特性可等效為一恒壓源與一電容串聯(lián)，如圖 8 所示。對于特定的外部激勵，為了提高壓電振子的發(fā)電能力，可以采用多片壓電振子發(fā)電，其聯(lián)接方式分并聯(lián)和串聯(lián)兩種。并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合；串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。并聯(lián)聯(lián)結的方式更適用于無線發(fā)射裝置的使用要求。

為了便于電能的引出和導線的布置，本作品采用串聯(lián)方式將 4 塊壓電振子連接起來，對輸出電壓值進行放大。

由于壓電振子的發(fā)電量很小，根據(jù)壓電振子的內(nèi)部特性，尤其是其輸出電壓過低，以至于無法用橋堆進行整流，于是可考慮將其輸出的交變電壓先通過變壓器升壓，然后再通過一個整流橋堆，將交變電流變成直流，再給電容充電，將能量存儲起來。由于電容的充放電，兩端電壓不穩(wěn)定，于是需要一級電路來穩(wěn)壓，查閱資料得到可以使用 MAX 公司推出的穩(wěn)壓輸出芯片 ICL7663，于是得到整個電路的結構圖為：

圖 10 電能收集轉(zhuǎn)換電路圖

電路圖中的元件參數(shù)僅供參考（僅作初期軟件仿真用），具體電路按實際測出的參數(shù)設計。經(jīng)過軟件仿真，該電路經(jīng)過足夠長的時間能將電容充電到 8V，然后經(jīng)過 DC-DC 變換器輸出穩(wěn)定的 3V 對外供電，并持續(xù)一段時間。

3. 工作原理及性能分析
基于風壓變換和壓電效應的風能收集器是利用時均流誘導聲振蕩從而驅(qū)動壓電振子發(fā)電，其工作原理如下：具有一定單向動能的時均流流經(jīng)單端封閉的諧振管時，驅(qū)動管和諧振管連接處的不穩(wěn)定粘性邊界層周期性的脫離；脫離的邊界層在諧振管口又以漩渦的形式卷起，并與諧振管內(nèi)的滯止氣體相互作用；能量的傳遞和聲場的存在又反過來影響了隨后的漩渦的形成。整個過程形成一個能量反饋回路，誘導出一個具有較大聲能密度的駐波聲場。圖 12 給出了一個能量反饋回路示意圖[6]。

圖 11 基于風壓變換和壓電效應的風能收集器設計方案簡圖
流體諧振振蕩模型可以抽象成一個主流管道和一段截面尺寸相當?shù)膯味碎_口密閉支路，二者內(nèi)部的流體連通，主流管道內(nèi)是時均流場，密閉支路內(nèi)建立的是駐波聲場。典型的時均、交變流場的 T 型連接示意圖如圖 13 所示，該類型時均流誘導聲振蕩中的支路腔體為 1/4 波長諧振器。在本作品中采用的主支管連接方式如圖 14，從圖中可以看到連接口上游脫落的不穩(wěn)定邊界層形成漩渦。

能受外加交變信號的激勵而形成振動的壓電晶體與襯底的連接體稱為壓電振子。通常將壓電晶體與某種金屬彈性體連接在一起構成壓電振子，其特點是變形相對較大、響應快。壓電振子是壓電發(fā)電裝置的核心元件，起著將機械能轉(zhuǎn)換為電能的作用。
壓電振子的工作原理依賴于壓電裝置產(chǎn)生的壓電效應。壓電效應是指當壓電晶體受力產(chǎn) 生機械變形時，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相對的兩個表面會呈現(xiàn)異號電荷。壓電晶體屬于鐵電體，具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。電疇是分子自發(fā)極化形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，內(nèi)部存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，極化效應被相互抵消。當外力作用到壓電晶體上并引起材料發(fā)生變形時，材料內(nèi)部正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小，因此原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。壓電晶體受力極化后電荷釋放的原理如圖15。當壓力撤消后，壓電晶體恢復原狀，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象，電荷在電路中移動實現(xiàn)對外部負載做功，向外輸出電能

由諧振管引發(fā)的駐波聲場以一定的頻率沖擊支管端部的壓電振子，壓電振子受壓發(fā)生形變產(chǎn)生交變電壓。經(jīng)整流濾波和儲能電路后，為相應的系統(tǒng)供電。

4. 關鍵技術問題
4.1 風壓變換裝置設計方面
本質(zhì)上講聲場所在的密閉腔體是一個諧振管，因而它的形狀與品質(zhì)因數(shù)、高階諧波甚至激波的產(chǎn)生直接相關，具有高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔內(nèi)可以建立起高強度聲場。經(jīng)調(diào)研，等截面管道品質(zhì)因數(shù)較小，不利于時均流能量的引入和熱聲振蕩的強化。在之后的設計中，考慮采用漸擴管，使產(chǎn)生的聲駐波更加穩(wěn)定，且產(chǎn)生的壓力振蕩更強烈；另外，主支管的連接轉(zhuǎn)角形式也對高強度聲場的建立有一些影響，調(diào)研結果顯示用圓角連接比用直角連接其聲振蕩特性更強烈。但需考慮圓角連接對機械加工的要求更高。
4.2 壓電材料形狀及夾持方式設計方面
壓電振子的形狀及支承方式均會影響其產(chǎn)生的電壓的大小。在文獻中通過理論分析、仿真分析及實驗，得出結論：在相同條件下，三角形壓電振子能有效改善表面應變分布，產(chǎn)生的電壓最大，梯形次之、矩形最小
壓電材料的支撐方式主要有懸臂支撐，周邊固定支撐，自由邊界支撐和簡支支撐四種形式。懸臂支撐可產(chǎn)生最大的撓度和柔順系數(shù)，固定端部應力最大，諧振頻率最低，當無外界電場作用時，壓電陶瓷的電位移同應力成正比，利于發(fā)電；周邊固定支撐的機電耦合系數(shù)極低，不適合用于壓電發(fā)電元件；自由邊界支撐的結構安裝不方便，很少采用；簡支支撐是指壓電彎曲元件支撐在振動的波節(jié)上。這種支撐方式的結構輕便、結實，裝置的損耗也降到最低程度。
4.3 材料設計方面
壓電振子的發(fā)電性能還與襯底厚度、膜厚度等因素有關，所以選擇一種合適的材料作為襯底以及確定襯底和膜的厚度對壓電振子的發(fā)電性能有較大影響。此外，不同的材料其固有頻率不同，為了使壓電振子在聲場中盡可能接近或達到共振狀態(tài)，不僅要對試驗臺的風機頻率進行適當調(diào)整，還要選取合適的材料。
4.4 電路設計方面
由于電壓低，需要將電壓升高到可用值，所以第一級變壓器非常關鍵，如果變壓器能按軟件仿真出來的結果一樣將電壓升高到可利用的值，那么接下來的電路都能正常工作，完成能量收集工作。關鍵是要找到一個符合要求的變壓器。

5. 創(chuàng)新點及應用
基于風壓變換和壓電效應的風能收集器是一種新型的風能收集裝置，其主要特點有如下幾個方面：
首先，本作品無運動部件，結構簡單，節(jié)能環(huán)保，因而在使用壽命和經(jīng)濟效益上具備獨特的優(yōu)勢。而蓄電池供電需要定期檢修并更換電池，風車發(fā)電以及微型風力驅(qū)動壓電發(fā)電機都有運動部件，運行過程中設備都有一定磨損，同樣需要定期的維護。此外，化石燃料電池的使用同時增加了環(huán)境的負擔。相比之下，本作品既節(jié)約了人力，又節(jié)約了物力，同時做到了節(jié)能環(huán)保。
其次，我們采用 ZnO 作為壓電材料，與技術較為成熟且已普遍使用的壓電陶瓷（PZT）相比具有成本低、環(huán)保等特點，因為 PZT 材料中含有鉛元素，對環(huán)境及人體有害。雖然本作品中所采用的 ZnO 材料目前主要運用于光學和聲學傳感器等方面，但是由于其同樣具有良好的壓電效應，因而具有很大的發(fā)展前景。

再次，在電路設計方面，在傳統(tǒng)電路的基礎上加裝了一級變壓器，來解決產(chǎn)生的電壓過低問題，同時配上 ICL7663CPA 穩(wěn)壓芯片，使得電路穩(wěn)定地輸出較大的電壓值。
作為一個供電裝置，我們通過與干電池的一個簡單比較來體現(xiàn)其節(jié)能減排意義及經(jīng)濟效益：
根據(jù)相關文獻，我們得到諧振管內(nèi)聲能可達 32W 甚至更高，壓電材料能量轉(zhuǎn)換效率通常有 30%~40%。結合我們現(xiàn)有的水平假設聲能有 10W，壓電材料能量轉(zhuǎn)換效率 30%。再考慮在傳輸過程中 5%的能量損失，我們就可以得到本裝置可以有 2.85W 的輸出電能。電壓方面我們實測結果是可以將 0.3~0.8V 的交變電轉(zhuǎn)變?yōu)?2.5~6V 甚至更高的直流電。
本作品設計使用年限至少 10 年，那么在這 10 年中發(fā)電量理論上可達 249.66KWh，如果采用 5 號 1.5V 南孚電池 10 節(jié)為一組的話，在不計維護成本的前提下需要消耗 113  844 節(jié)電池，花費 284  610 元 RMB，算上維護成本（假設跟換一次 10 元 RMB）則需要 398  454 元 RMB，而本作品實際成本卻不超過 200 元 RMB。如此一來，不僅節(jié)省了大量的人力物力，同時克服了一些惡劣環(huán)境供電困難的問題。
關于作品的應用，我們在 NATIONAL  INSTRUMENTS 的網(wǎng)站上發(fā)現(xiàn)該公司試圖開發(fā)并安裝一個面向沿挪威海岸線，跨度 120 公里的天然氣管線長期監(jiān)測系統(tǒng)，而這個監(jiān)測系統(tǒng)正需要一個像本作品這樣的供電裝置。中國擁有上萬公里的天然氣管道，未來幾年管道的總長將會翻一番，要對這些管線進行長期監(jiān)測采用現(xiàn)有的方式是很難實現(xiàn)的，這就使得本作品具有非常大的應用潛力。除此之外，時均流誘導聲振蕩可應用于熱聲制冷，通過對本裝置的進一步優(yōu)化有可能實現(xiàn)“制冷-發(fā)電-測試”三位一體的模式，這種模式的實現(xiàn)將為汽車、火車等交通工具的空調(diào)設計提供一種新的思路。

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