基于卡門渦街原理的諧振型風(fēng)力壓電俘能器研究.pdf

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1、第26卷第9期傳感技術(shù)學(xué)報(bào)Vo1．26No．92013年9月CttlNESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSSep．2013StudyonaWindPiezoelectricEnergyHarvestingBaseonResonanceandKamonVortexStreetWENSheng，ZHANGTiemin，LUYuhua，YANGXiuli，CAOFei(SouthChinaAgriculturalUniversity，Guangzhou510632，China)Abstract：Awindpiezoelectricenergyharve

2、stingtechniquebasedonresonanceandvortexstreetwasdevelopedtofitinwiththeneedsofcontinualandsteadyelectricalenergyforwirelesssensornetworkinthefarmland．Todesigntheairinletandaerodynamicbody，thefluiddynamicsbehaviorsoftheflowdistributionsubjectedtodifferentwindspeedsinairinletwereanalyzedusi

3、ngComputationalFluidDynamics(CFD)numericalmethod．Helmhohzresonatorwasusedformagnifyingthewindpressureandvortexfrequency．Inordertogeneratemaximumenergy，thefrequencyofthepiezoelectriccompositecircularplatewasdesignedinaccordwiththatoftheHelmhohzresonator．Theexperimentresultsshowthat，forthec

4、aseofwindspeed14m／s，theenergyharvestingcangeneratethemaximumenergy13．6mWwithloadresistanceof400kKeywords：piezoelectricenergyharvesting；Karmanvortexstreet；windenergy；resonanceEEACC：O29OTdoi：10．3969／j．issn．1004-1699．2013．09．024基于卡門渦街原理的諧振型風(fēng)力壓電俘能器研究水文晟，張鐵民，盧玉華，楊秀麗，曹飛(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510632)摘要：針

5、對(duì)大田環(huán)境中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要持續(xù)穩(wěn)定電能的要求，發(fā)展一種基于卡門渦街原理的諧振型風(fēng)力壓電俘能技術(shù)?；谟?jì)算流體力學(xué)數(shù)值方法，分析在不同風(fēng)速下進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)的流體動(dòng)力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣道及繞流體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用亥姆赫茲諧振腔作為風(fēng)壓諧振放大及渦脫頻率的調(diào)節(jié)裝置，并使諧振腔底部壓電復(fù)合薄圓板與亥姆霍茲諧振腔的頻率一致，從而在氣流的沖擊振蕩作用下產(chǎn)生共振并輸出最大的電能。實(shí)驗(yàn)表明，諧振型壓電俘能器在風(fēng)速14m／s，外部負(fù)載電阻400kn時(shí)最大可輸出13．6mw的電能。關(guān)鍵詞：壓電俘能器；卡門渦街；風(fēng)力；諧振中圖分類號(hào)：TN384文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004—1699(2

6、013)O9—1303-06由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無(wú)線傳感技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的無(wú)線傳獲取可再生能源，并為傳感器節(jié)點(diǎn)供電的嵌入式白感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)WSN(WirelessSensorNetworks)，是目供能系統(tǒng)研究得到了越來(lái)越多的重視。壓電材前國(guó)際上備受關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一¨。料在外力作用下能夠直接產(chǎn)生電荷，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易現(xiàn)階段WSN技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對(duì)溫于整合到系統(tǒng)之中，因此，利用風(fēng)能的微型壓電俘能室環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制、大田環(huán)境監(jiān)測(cè)以及動(dòng)植物的器是大田環(huán)境中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更為理想的能生理生態(tài)監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。在這些環(huán)境中，無(wú)量源。目前國(guó)內(nèi)外利用風(fēng)能的微型壓電俘能器的結(jié)線傳感

7、器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大都為隨機(jī)撒播安放，且節(jié)點(diǎn)分構(gòu)形式主要有風(fēng)車式及擺動(dòng)式等。風(fēng)車式壓電俘能布數(shù)量較多、分布密度較高，受工作環(huán)境及成本的限器是利用風(fēng)力產(chǎn)生的氣流帶動(dòng)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，再通制，各節(jié)點(diǎn)常采用傳統(tǒng)的化學(xué)電池供電J。傳統(tǒng)的過(guò)壓電材料把葉片旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出?；瘜W(xué)電池具有體積較大、能量密度較低、使用壽命有Priya等設(shè)計(jì)了一種可為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供限需定期更換等缺點(diǎn)，而且電池中含有重金屬，廢舊電的風(fēng)力壓電俘能器：將一個(gè)直徑約10cm的風(fēng)扇電池易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。這使得直接從環(huán)境中葉片附著在一個(gè)旋轉(zhuǎn)凸輪上，當(dāng)凸輪受風(fēng)力作用旋