作品内容简介
针对在远距离气体输送管道、地下输气管道等场合中监测系统持续供电困难、后期维护 成本高等问题，我们提出了利用管道风（时均流）进行发电，为相应场合中的监测及照明等 系统提供持续而稳定的电源。在理论学习和文献阅读的基础上，通过实验设计了一套基于风 压变换和压电效应的风能收集器。设计的基本思路是，通过特殊的声学部件将管道风变换为 驻波声场，再利用压电振子将声能转换为电能，最后收集利用。
作品的设计包括四部分：1.风压变换装置：时均流在驱动管和谐振管组成的结构中产生 驻波声场；2.材料形状及夹持方式：采用四块 1/4 圆压电振子，以悬臂结构固定于法兰上；3.材 料制备：采用磁控溅射方式在衬底上镀 ZnO 压电薄膜；4.电能转换及收集电路：四块压电振 子串联输出交变电压，经升压整流后，给电容充电。
本作品与风车不同，是一种无运动部件的装置，不易磨损，同时结构简单系统却很完善， 因而在使用寿命和经济效益上具有独特的优势。除此之外，材料方面，我们采用了 ZnO 作 为压电材料，与 PZT 相比，更加环保且节约成本；电路方面，在传统电路的基础上加装了 变压器以及 ICL7663CPA 稳压芯片，使电路稳定地输出较大的电压值。
本作品的技术关键在于通过对风压变换装置、压电振子形状及加持方式、材料制备方案 以及电路等四个方面的优化设计，提高最终的输出电压，保证相关器件的正常运作，主要的 技术指标即输出的电压值。
1. 研制背景及意义
能源是一个国家发展的基本保障，当今世界，以煤炭、石油为主要燃料的国家，已面临 严重的环境污染，加上化石燃料储量减少的双重危机，开发利用新能源已经成为世界能源可 持续发展战略的重要组成部分，而风能又是新能源中最具开发潜力的一种能源。2009 年中 国的新增风力发电已经占到世界第一，到 2020 年我国风力发电能力按计划将达到 1.5 亿千 瓦，而我国总体风力发电潜力为 10 亿千瓦，风力发电对于我国政府减排目标的实现具有重 要意义[1]。
传统的风力发电是一种将风能转换为电能的发电方式，主要采用风力发电机组，利用风 力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转速度提升，从而使发电机发电。但是风车发电成 本高，占空间大，不适用于管道、隧道中的风能收集和利用。如果能有一套装置，可以有效 利用管道风进行发电并支持一些系统的正常工作，同时具有很长的使用寿命节约维护成本的 话，不失为一件好事。
以天然气管道为例，在现有的天然气远距离输送过程中，每 20 至 30 公里设置一个加压 站，调整因管道沿程损失等引起的压力损失，但在这之间却没有配套的监测系统，其中一个 重要原因就是缺少一种可靠的适应性强的供电系统，若采用电网拉电、蓄电池供电等方式， 则存在维护困难且成本高等问题。同样的，在地下或深海管道中，电源的获取也很困难，比 如在油气勘测中，地下钻井往往深达 1000 到 2000 米，此时深埋地下的监测系统既无法利用
太阳能获得发电，又无法保证从地面引入的输电线电力输送的可靠性，因此深井中的监测成 了一个难题。由此可见，在荒郊野外、地下、深海等特殊的自然环境条件下，较难从外界直 接获取电能，因而流体自身携带的能量显得极为可贵，成为获取电能的重要来源。而在暖通 空调中，风道的测量和自动控制系统的电源都从居民电网中引出，引线复杂且不方便，在一 定程度上可以用一个独立的电源支持相应系统的工作。
天然气管道、地下或深海管道、空调系统风道有一个共同点：管道风。因此我们想提出 一个装置，可以利用管道风的小部分能量，实现电能的稳定供给。基于风压变换和压电效应 的风能收集器就是在这样的应用前提下产生的。
本研究项目意在提出一种新型的风能利用方式，通过声学部件将时均流变换为振荡的声 场，在声场的作用下，再利用压电材料将声能转换为电能，收集后可用于照明、监测等。这 种风能利用方式适用范围广，可以有效解决远距离、难以提供外部电源的管道监测系统的供 电问题。
2. 设计方案
基于风压变换和压电效应的风能收集器的设计主要由四部分组成，分别是风能转换装置 的设计、材料的形状及夹持方式的设计、材料制备方案的设计以及电能转换及收集电路的设 计。四部分设计相互关联缺一不可，一起组成了整个风能收集器。
2.1 风能转换装置的设计
时均流激声发动机（Meantime Flow Acoustic Engine，简称 MFAE）装置如图 3 所示。 由风机模拟具有单流向性的空气流体，在一系列整流装置后在十字型管的支管即谐振管处产 生稳定的声场，其能量转换原理将在系统工作原理中做更详细的说明。谐振管中的交变声场 形成交变的压力为压电材料提供了激励能源，从而使得压电振子发电。风压转换装置实物图 如图2所示。
图 3 时均流激声发动机（MFAE）装置简图
2.2 材料形状及夹持方式的设计
通过查阅文献得到：在相同条件下，三角形压电振子能有效改善表面应变分布，产生的 电压最大，梯形次之、矩形最小。常用的夹持方式有悬臂梁和两端刚性夹持，在受力条件相 同时使用悬臂梁夹持方式的压电振子形变大，从而发电量大。结合上述两点，决定使用以下 方案：把四个 1/4 圆形压电振子的圆弧边用螺钉固定于夹持板上，用螺栓把夹持板与十字型 谐振管端部密封连接。图 4 为夹持装置简图；夹持装置中的四个圆孔为与支管连接的螺栓孔， 压电振子底部的小孔为电极导线引出孔[2]。夹持实物图如图 5 所示。
2.3 材料制备方案的设计
在现有实验条件下，我们采用采用了磁控溅射的方式进行制备 ZnO 压电薄膜。磁控溅 射是指荷能粒子轰击固体靶表面，使固体原子或分子从表面射出的现象[3]。压电材料衬底通 常采用单晶硅，但是单晶硅脆性大，容易碎裂，本作品中声场提供的压力振幅值可达到
15KPa，单晶硅有断裂的可能性。故而我们提出使用金属铜、铝、铁等材料作为衬底，以上 金属材料具有良好的导电性，材料强度也可以负荷管道中的压力场强度；但是在文献查阅过 程中，基本上没有找到直接使用金属材料作为衬底的例子。
本作品中压电振子是以金属铜为衬底，在其一面镀 ZnO 薄膜制成的。用铜为衬底是因为 铜具有较好的韧性、合适的硬度和良好的导电性。好的韧性和硬度保证了在较大的驻波声场 的冲击作用下，压电振子能产生相对较大的形变量，且韧性优越，在一定程度上防止了压电 材料的受损；良好的导电性有利于了电能的输出。
压电振子的发电性能还与衬底厚度有关。铜金属衬底的厚度越小，悬臂压电陶瓷-金属 层叠结构产生的电荷性能会增强[4]，因而最终采用 1mm 左右厚的铜片。与单晶硅相比，这 种设计不仅满足了承压要求，还大大降低了成本，将成为本作品的一大突破。在压电材料方 面，技术较为成熟且普遍使用的是压电陶瓷（PZT），
而本作品中采用 ZnO 材料，目前主要运用于光学和声 学传感器等方面，很少用于发电，从这个层面上讲也 可以说是一种尝试。其次，ZnO 是一种新型的 II-IV 族 宽带直接带隙化合物半导体材料，制备的价格较为低 廉，而且具有很高的熔点和激子束缚能以及良好的机 电耦合性和较低的电子诱生缺陷。此外，ZnO 薄膜的 外延生长温度较低，有利于降低设备的成本，抑制固 相外扩散，提高薄膜的质量，同时也易于实现掺杂[5]。 实验实际制备出的压电振子如图 6 所示。
根据文献，我们先提出了如下两套制备方案：
表1 ZnO压电振子（铜衬底）镀膜方案一：
薄膜沉
积
| 溅射系
统
| 靶
| 溅射频
率
（W）
| 溅射压
强
（Pa）
| 溅射气
体流量 比
| 衬底温
度
（℃）
| 靶间距
（cm）
| 沉积速率
（A/min）
| ZnO
| 射频溅
射
| Zn
| 200
| 0.37
| Ar：
O2（1
：1）
| 280
| 10
| 21.22
|
表2 ZnO压电振子（铜衬底）镀膜方案二[3]：
薄膜沉
积
| 溅射系
统
| 靶
| 溅射频
率
（W）
| 溅射压
强
（Pa）
| 溅射气
体流量 比
| 衬底温
度
（℃）
| 靶间距
（cm）
| 退火温
度
（℃）
| ZnO
| 射频溅
射
| Zn
| 150
| 0.7
| Ar：
O2（1
：2）
| 350
| 10
| 800
|
经过实验后，发现上述方案存在一定问题，再加上制备水平有限，实验结果并不理想， 因而我们提出了新的制备方案：
图 7 硅衬底压电振子简图
表 3 ZnO 压电振子（铜衬底）镀膜方案二
组别
| 温度 （℃） | 靶材
| 靶间距
| 功率 （W） | 生长速度 nm/min | 退火温度 （℃） | | 1 | 常温
| ZnO
| 10cm
| 100 | 8 | 室温
| | 2 | 常温
| ZnO
| 10cm
| 100 | 8 | 室温
|
2.4 电能转换及收集电路的设计
压电振子在正压电效应下的电特性可等效为一恒压源与一电容串联，如图 8 所示。对于 特定的外部激励，为了提高压电振子的发电能力，可以采用多片压电振子发电，其联接方式 分并联和串联两种。并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用 于以电荷作为输出量的场合；串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出 信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。并联联结的方式更适用于无线发射装置的使用要求。
为了便于电能的引出和导线的布置，本作品采用串联方式将 4 块压电振子连接起来，对输出 电压值进行放大。
由于压电振子的发电量很小，根据压电振子的内部特性，尤其是其输出电压过低，以至 于无法用桥堆进行整流，于是可考虑将其输出的交变电压先通过变压器升压，然后再通过一 个整流桥堆，将交变电流变成直流，再给电容充电，将能量存储起来。由于电容的充放电， 两端电压不稳定，于是需要一级电路来稳压，查阅资料得到可以使用 MAX 公司推出的稳压 输出芯片 ICL7663，于是得到整个电路的结构图为：
图 10 电能收集转换电路图
电路图中的元件参数仅供参考（仅作初期软件仿真用），具体电路按实际测出的参数设 计。经过软件仿真，该电路经过足够长的时间能将电容充电到 8V，然后经过 DC-DC 变换器 输出稳定的 3V 对外供电，并持续一段时间。
3. 工作原理及性能分析
基于风压变换和压电效应的风能收集器是利用时均流诱导声振荡从而驱动压电振子发电， 其工作原理如下：具有一定单向动能的时均流流经单端封闭的谐振管时，驱动管和谐振管连 接处的不稳定粘性边界层周期性的脱离；脱离的边界层在谐振管口又以漩涡的形式卷起，并 与谐振管内的滞止气体相互作用；能量的传递和声场的存在又反过来影响了随后的漩涡的形 成。整个过程形成一个能量反馈回路，诱导出一个具有较大声能密度的驻波声场。图 12 给 出了一个能量反馈回路示意图[6]。
图 11 基于风压变换和压电效应的风能收集器设计方案简图
流体谐振振荡模型可以抽象成一个主流管道和一段截面尺寸相当的单端开口密闭支路， 二者内部的流体连通，主流管道内是时均流场，密闭支路内建立的是驻波声场。典型的时均、 交变流场的 T 型连接示意图如图 13 所示，该类型时均流诱导声振荡中的支路腔体为 1/4 波 长谐振器。在本作品中采用的主支管连接方式如图 14，从图中可以看到连接口上游脱落的 不稳定边界层形成漩涡。
能受外加交变信号的激励而形成振动的压电晶体与衬底的连接体称为压电振子。通常将 压电晶体与某种金属弹性体连接在一起构成压电振子，其特点是变形相对较大、响应快。压 电振子是压电发电装置的核心元件，起着将机械能转换为电能的作用。
压电振子的工作原理依赖于压电装置产生的压电效应。压电效应是指当压电晶体受力产 生机械变形时，其内部产生极化现象，相对的两个表面会呈现异号电荷。压电晶体属于铁电 体，具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发极化形成的区域，它有一定的 极化方向，内部存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，极化效 应被相互抵消。当外力作用到压电晶体上并引起材 料发生变形时，材料内部正、负束缚电荷之间的距 离变小，极化强度也变小，因此原来吸附在电极上 的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。 压电晶体受力极化后电荷释放的原理如图15。当压 力撤消后，压电晶体恢复原状，片内的正、负电荷 之间的距离变大，极化强度也变大，电极上又吸附 一部分自由电荷而出现充电现象，电荷在电路中移 动实现对外部负载做功，向外输出电能
由谐振管引发的驻波声场以一定的频率冲击支管端部的压电振子，压电振子受压发生形 变产生交变电压。经整流滤波和储能电路后，为相应的系统供电。
4. 关键技术问题
4.1 风压变换装置设计方面
本质上讲声场所在的密闭腔体是一个谐振管，因而它的形状与品质因数、高阶谐波甚至 激波的产生直接相关，具有高品质因数的谐振腔内可以建立起高强度声场。经调研，等截面 管道品质因数较小，不利于时均流能量的引入和热声振荡的强化。在之后的设计中，考虑采 用渐扩管，使产生的声驻波更加稳定，且产生的压力振荡更强烈；另外，主支管的连接转角 形式也对高强度声场的建立有一些影响，调研结果显示用圆角连接比用直角连接其声振荡特 性更强烈。但需考虑圆角连接对机械加工的要求更高。
4.2 压电材料形状及夹持方式设计方面
压电振子的形状及支承方式均会影响其产生的电压的大小。在文献中通过理论分析、仿 真分析及实验，得出结论：在相同条件下，三角形压电振子能有效改善表面应变分布，产生 的电压最大，梯形次之、矩形最小
压电材料的支撑方式主要有悬臂支撑，周边固定支撑，自由边界支撑和简支支撑四种形 式。悬臂支撑可产生最大的挠度和柔顺系数，固定端部应力最大，谐振频率最低，当无外界 电场作用时，压电陶瓷的电位移同应力成正比，利于发电；周边固定支撑的机电耦合系数极 低，不适合用于压电发电元件；自由边界支撑的结构安装不方便，很少采用；简支支撑是指 压电弯曲元件支撑在振动的波节上。这种支撑方式的结构轻便、结实，装置的损耗也降到最 低程度。
4.3 材料设计方面
压电振子的发电性能还与衬底厚度、膜厚度等因素有关，所以选择一种合适的材料作为 衬底以及确定衬底和膜的厚度对压电振子的发电性能有较大影响。此外，不同的材料其固有 频率不同，为了使压电振子在声场中尽可能接近或达到共振状态，不仅要对试验台的风机频 率进行适当调整，还要选取合适的材料。
4.4 电路设计方面
由于电压低，需要将电压升高到可用值，所以第一级变压器非常关键，如果变压器能按 软件仿真出来的结果一样将电压升高到可利用的值，那么接下来的电路都能正常工作，完成 能量收集工作。关键是要找到一个符合要求的变压器。
5. 创新点及应用
基于风压变换和压电效应的风能收集器是一种新型的风能收集装置，其主要特点有如下 几个方面：
首先，本作品无运动部件，结构简单，节能环保，因而在使用寿命和经济效益上具备独 特的优势。而蓄电池供电需要定期检修并更换电池，风车发电以及微型风力驱动压电发电机 都有运动部件，运行过程中设备都有一定磨损，同样需要定期的维护。此外，化石燃料电池 的使用同时增加了环境的负担。相比之下，本作品既节约了人力，又节约了物力，同时做到 了节能环保。
其次，我们采用 ZnO 作为压电材料，与技术较为成熟且已普遍使用的压电陶瓷（PZT） 相比具有成本低、环保等特点，因为 PZT 材料中含有铅元素，对环境及人体有害。虽然本 作品中所采用的 ZnO 材料目前主要运用于光学和声学传感器等方面，但是由于其同样具有 良好的压电效应，因而具有很大的发展前景。
再次，在电路设计方面，在传统电路的基础上加装了一级变压器，来解决产生的电压过 低问题，同时配上 ICL7663CPA 稳压芯片，使得电路稳定地输出较大的电压值。
作为一个供电装置，我们通过与干电池的一个简单比较来体现其节能减排意义及经济效 益：
根据相关文献，我们得到谐振管内声能可达 32W 甚至更高，压电材料能量转换效率通 常有 30%~40%。结合我们现有的水平假设声能有 10W，压电材料能量转换效率 30%。再考 虑在传输过程中 5%的能量损失，我们就可以得到本装置可以有 2.85W 的输出电能。电压方 面我们实测结果是可以将 0.3~0.8V 的交变电转变为 2.5~6V 甚至更高的直流电。
本作品设计使用年限至少 10 年，那么在这 10 年中发电量理论上可达 249.66KWh，如果 采用 5 号 1.5V 南孚电池 10 节为一组的话，在不计维护成本的前提下需要消耗 113 844 节电 池，花费 284 610 元 RMB，算上维护成本（假设跟换一次 10 元 RMB）则需要 398 454 元 RMB，而本作品实际成本却不超过 200 元 RMB。如此一来，不仅节省了大量的人力物力， 同时克服了一些恶劣环境供电困难的问题。
关于作品的应用，我们在 NATIONAL INSTRUMENTS 的网站上发现该公司试图开发并 安装一个面向沿挪威海岸线，跨度 120 公里的天然气管线长期监测系统，而这个监测系统正 需要一个像本作品这样的供电装置。中国拥有上万公里的天然气管道，未来几年管道的总长 将会翻一番，要对这些管线进行长期监测采用现有的方式是很难实现的，这就使得本作品具 有非常大的应用潜力。除此之外，时均流诱导声振荡可应用于热声制冷，通过对本装置的进 一步优化有可能实现“制冷-发电-测试”三位一体的模式，这种模式的实现将为汽车、火车 等交通工具的空调设计提供一种新的思路。
[1]龚艳. 风能发电：最具开发潜力的新能源. economy
参考文献
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Harvesting Devices.Journal of Intelligent Material Systems and Structures 2005 16: 67
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