基于离心自适应机制的旋转式风能采集器及其在自供能传感中的应用

《Sustainable Materials and Technologies》：A rotational wind energy harvester based on the centrifugal mechanism for self-powered sensing

本文提出了一种基于压电(PZT)和电磁(EM)效应的混合式风能采集器，通过离心自适应机制解决传统旋转能量采集器在低功率传感器应用中存在的启动阻力矩大、输出功率低等问题。该装置采用四压电梁磁耦合结构和双圈线圈布局，实验表明其压电部分输出功率达2.268?mW，电磁部分达6.08?mW，可为44?μF电容在25?s内充电至3.8?V，户外测试中电源管理电路平均输出电压达4.15?V（7200?s），证实其在桥梁健康监测等物联网(IoT)场景下实现自供能传感的潜力。

　　

亮点

旋转能量采集器通过将无序风能转化为有序电能，为物联网(IoT)传感器节点提供可持续能源解决方案。本文设计的离心自适应混合采集器巧妙结合压电(PZT)和电磁(EM)转换机制，突破传统装置在宽频带环境下的输出限制。

数值分析

滑动摩擦阻尼系数u是影响滑块径向位移的关键参数。如图3(a)-(c)所示，在忽略磁力短暂作用的简化模型中，树脂材料滑块的质量等效与位移随旋转激励频率的变化呈现非线性特征，为优化离心自适应机制提供理论依据。

实验设置

图7(a)-(i)展示了以ABS树脂制备的物理模型。内外对称布置的双圈磁环（剩余磁通密度1.45?T）与四组压电梁（尺寸40?mm?×?10?mm?×?0.2?mm）构成核心发电单元，风速调控范围覆盖2–9?m/s，模拟真实桥梁风场环境。

模型验证

通过转子磁铁冲击试验验证模型有效性。对比仿真与实测数据发现，轴向磁力峰值误差仅5.3%，证明所建理论模型能准确预测磁耦合作用下的动力学行为（图8）。离心自适应单元使压电梁激励频率提升至转子转速的4倍，实现高效频率上转换。

结论

离心自适应混合风能采集器通过磁非接触式频率上转换机制，将压电与电磁输出功率分别提升至2.268?mW和6.08?mW，且能在25?s内将44?μF电容充电至3.8?V。户外实验证实其可为低功耗传感器提供稳定4.15?V电压，为桥梁结构健康监测等生命科学领域的长期自供能传感提供新方案。