双变截面风柱压电俘能器发电性能研究

摘要

为了研究风柱的变截面设计对俘能器振动特性及俘能效果的影响，提出了一种双变截面风柱压电俘能器。该设计针对风致振动环境下的能量进行俘获，通过激振试验和风洞试验分别研究了俘能器在振动激励和涡激振动条件下的振动特性与发电性能。俘能器由悬臂梁、压电片及两侧变截面风柱构成，设计了3种安装方式(正-正、反-反、正-反),探究负载电阻、激振频率、加速度及风速对输出性能的影响。激振试验与风洞试验结果表明：最佳负载电阻为80 kΩ,正-正安装方式在4.7 m/s风速下输出功率最高达4.06 mW,显著优于同类研究。对称结构(正-正、反-反)因同步振动模式能提升压电片形变的叠加效应，在外部振动激励下的发电性能优于非对称结构(正-反);反装结构可降低装置的固有频率与启动风速，但在风洞试验中对涡流利用效率较低。激振加速度增大可显著提高俘能器的发电性能。该研究为风致振动环境下的高效能量采集提供了新思路，拓展了变截面风柱压电俘能器的研究。

关键词

压电俘能 / 风致振动 / 变截面 / 涡激振动 / 振动激励

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52075305); 山东省自然科学基金资助项目(ZR2022ME053); 中国博士后科学基金资助项目(2025MT71362)