作品內容簡介
針對在遠距離氣體輸送管道、地下輸氣管道等場合中監測系統持續供電困難、后期維護 成本高等問題，我們提出了利用管道風（時均流）進行發電，為相應場合中的監測及照明等 系統提供持續而穩定的電源。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：時均流在驅動管和諧振管組成的結構中產生 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.電能轉換及收集電路：四塊壓電振 子串聯輸出交變電壓，經升壓整流后，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，同時結構簡單系統卻很完善， 因而在使用壽命和經濟效益上具有獨特的優勢。除此之外，材料方面，我們采用了 ZnO 作 為壓電材料，與 PZT 相比，更加環保且節約成本；電路方面，在傳統電路的基礎上加裝了 變壓器以及 ICL7663CPA 穩壓芯片，使電路穩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 嚴重的環境污染，加上化石燃料儲量減少的雙重危機，開發利用新能源已經成為世界能源可 持續發展戰略的重要組成部分，而風能又是新能源中最具開發潛力的一種能源。2009 年中 國的新增風力發電已經占到世界第一，到 2020 年我國風力發電能力按計劃將達到 1.5 億千 瓦，而我國總體風力發電潛力為 10 億千瓦，風力發電對于我國政府減排目標的實現具有重 要意義[1]。
傳統的風力發電是一種將風能轉換為電能的發電方式，主要采用風力發電機組，利用風 力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機將旋轉速度提升，從而使發電機發電。但是風車發電成 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 利用管道風進行發電并支持一些系統的正常工作，同時具有很長的使用壽命節約維護成本的 話，不失為一件好事。
以天然氣管道為例，在現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測系統，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，若采用電網拉電、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，此時深埋地下的監測系統既無法利用
太陽能獲得發電，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 空調中，風道的測量和自動控制系統的電源都從居民電網中引出，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的工作。
天然氣管道、地下或深海管道、空調系統風道有一個共同點：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，實現電能的穩定供給。基于風壓變換和壓電效應 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換為電能，收集后可用于照明、監測等。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測系統的供 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換及收集電路的設 計。四部分設計相互關聯缺一不可，一起組成了整個風能收集器。
2.1 風能轉換裝置的設計
時均流激聲發動機（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 生穩定的聲場，其能量轉換原理將在系統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電。風壓轉換裝置實物圖 如圖2所示。
圖 3 時均流激聲發動機（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，壓電振子能產生相對較大的形變量，且韌性優越，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，提高薄膜的質量，同時也易于實現摻雜[5]。 實驗實際制備出的壓電振子如圖 6 所示。
根據文獻，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
| 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
| 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
|
經過實驗后，發現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，如圖 8 所示。對于 特定的外部激勵，為了提高壓電振子的發電能力，可以采用多片壓電振子發電，其聯接方式 分并聯和串聯兩種。并聯接法，輸出電荷大，時間常數大，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。并聯聯結的方式更適用于無線發射裝置的使用要求。
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。
由于壓電振子的發電量很小，根據壓電振子的內部特性，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， 兩端電壓不穩定，于是需要一級電路來穩壓，查閱資料得到可以使用 MAX 公司推出的穩壓 輸出芯片 ICL7663，于是得到整個電路的結構圖為：
圖 10 電能收集轉換電路圖
電路圖中的元件參數僅供參考（僅作初期軟件仿真用），具體電路按實際測出的參數設 計。經過軟件仿真，該電路經過足夠長的時間能將電容充電到 8V，然后經過 DC-DC 變換器 輸出穩定的 3V 對外供電，并持續一段時間。
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動壓電振子發電， 其工作原理如下：具有一定單向動能的時均流流經單端封閉的諧振管時，驅動管和諧振管連 接處的不穩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的單端開口密閉支路， 二者內部的流體連通，主流管道內是時均流場，密閉支路內建立的是駐波聲場。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 電振子是壓電發電裝置的核心元件，起著將機械能轉換為電能的作用。
壓電振子的工作原理依賴于壓電裝置產生的壓電效應。壓電效應是指當壓電晶體受力產 生機械變形時，其內部產生極化現象，相對的兩個表面會呈現異號電荷。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。電疇是分子自發極化形成的區域，它有一定的 極化方向，內部存在一定的電場。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 料發生變形時，材料內部正、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，而出現放電現象。 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充電現象，電荷在電路中移 動實現對外部負載做功，向外輸出電能
由諧振管引發的駐波聲場以一定的頻率沖擊支管端部的壓電振子，壓電振子受壓發生形 變產生交變電壓。經整流濾波和儲能電路后，為相應的系統供電。
4. 關鍵技術問題
4.1 風壓變換裝置設計方面
本質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因數、高階諧波甚至 激波的產生直接相關，具有高品質因數的諧振腔內可以建立起高強度聲場。經調研，等截面 管道品質因數較小，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，使產生的聲駐波更加穩定，且產生的壓力振蕩更強烈；另外，主支管的連接轉角 形式也對高強度聲場的建立有一些影響，調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。懸臂支撐可產生最大的撓度和柔順系數，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，利于發電；周邊固定支撐的機電耦合系數極 低，不適合用于壓電發電元件；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，不僅要對試驗臺的風機頻 率進行適當調整，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，節能環保，因而在使用壽命和經濟效益上具備獨 特的優勢。而蓄電池供電需要定期檢修并更換電池，風車發電以及微型風力驅動壓電發電機 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境的負擔。相比之下，本作品既節約了人力，又節約了物力，同時做到 了節能環保。
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、環保等特點，因為 PZT 材料中含有鉛元素，對環境及人體有害。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，因而具有很大的發展前景。
再次，在電路設計方面，在傳統電路的基礎上加裝了一級變壓器，來解決產生的電壓過 低問題，同時配上 ICL7663CPA 穩壓芯片，使得電路穩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其節能減排意義及經濟效 益：
根據相關文獻，我們得到諧振管內聲能可達 32W 甚至更高，壓電材料能量轉換效率通 常有 30%~40%。結合我們現有的水平假設聲能有 10W，壓電材料能量轉換效率 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 的交變電轉變為 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 年中發電量理論上可達 249.66KWh，如果 采用 5 號 1.5V 南孚電池 10 節為一組的話，在不計維護成本的前提下需要消耗 113 844 節電 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，不僅節省了大量的人力物力， 同時克服了一些惡劣環境供電困難的問題。
關于作品的應用，我們在 NATIONAL INSTRUMENTS 的網站上發現該公司試圖開發并 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測系統，而這個監測系統正 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測采用現有的方式是很難實現的，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 一步優化有可能實現“制冷-發電-測試”三位一體的模式，這種模式的實現將為汽車、火車 等交通工具的空調設計提供一種新的思路。
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Harvesting Devices.Journal of Intelligent Material Systems and Structures 2005 16: 67
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2017-11-9 10:37 上傳
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