双频上转换技术用于提升混合压电-电磁能量采集器在低频摆动条件下的能量采集效率

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Dual frequency-up conversion for enhanced low-frequency swing energy harvesting in a hybrid piezoelectric-electromagnetic harvester

低频摆动机械能通过双频率升转换器（D-FUC）实现高效能量收集。D-FUC由摆动结构、不可伸长绳索和静滑轮组成的第一级频率升转换器（FUC1）及齿轮系统构成的第二级频率升转换器（FUC2）协同工作，将18°低频摆动转换为90°高频旋转，并配合双螺旋弹簧系统（TS1、TS2）增强连续工作能力。实验原型在3.3Hz、18°激励下输出功率达3.52mW，电压稳定性CV<10%，成功驱动温度传感器、LED等设备。磁耦合结构有效减少压电元件机械磨损，摆角增强系数达9.72-10.64。

　　
该研究聚焦于低频机械能的高效捕获技术，针对传统能量收集器在低频、小振幅工况下效率不足的问题，创新性地提出双重频率升频转换机制（D-FUC），并成功研制出混合压电-电磁能量收集器（HPEH）。通过系统性实验验证，该装置在3.3Hz低频工况下实现了3.52mW的稳定输出功率，且在18°小振幅工况下的输出性能接近90°大振幅情况，为环境友好型能源收集提供了新思路。

**技术突破与创新性分析**
研究团队通过机械传动与电磁耦合的协同设计，构建了多层级能量转换体系。在机械传动层面，采用摆结构-不可伸长绳索-静滑轮组合实现第一级频率升频（FUC1），通过几何放大效应将18°摆动转换为40°滑轮转动，机械增益达2.66倍。第二级升频（FUC2）则利用齿轮传动系统（齿数比4:1），将滑轮转动进一步放大至90°转子摆动，实现总频率放大系数9.72-10.64。这种双重升频机制突破了单一频率转换的局限，使系统能够适应更广频段的机械振动输入。

**核心组件与协同工作机制**
1. **机械传动系统**
- 摆结构与不可伸长绳索构成FUC1核心，通过静滑轮的几何约束实现运动放大。绳索采用高强度聚酯纤维（直径0.6mm，抗拉强度196N），配合润滑处理降低摩擦损耗。滑轮半径优化至40mm时，在18°输入摆角下可获得最大机械增益。
- 双螺旋弹簧系统（TS1和TS2）的创新设计显著提升了运行连续性。弹簧预紧结构确保始终处于受载状态，有效消除运动间隙导致的能量损失，使输出电压波动系数（CV）控制在10%以内。

2. **混合发电模块**
- 压电组件采用PZT-5A单晶片与贝氏铜基板复合结构，通过磁耦合实现非接触式激励。磁极间距优化至2mm时，磁力强度提升3倍以上，同时避免磁极直接接触造成的机械磨损。
- 电磁组件采用环形永磁体阵列（NdFe35材料）与多匝线圈协同工作。当转子转速达到120r/min时，线圈感应电动势峰值达86.72V，为LED照明等低功耗设备提供稳定电源。

**实验验证与性能优化**
通过三阶段参数优化实验，确立了关键设计参数：
1. **静滑轮半径（r_sp）**：当r_sp从30mm增至40mm时，滑轮转速提升42%，同时输出电压稳定性提高28%。最终选定40mm半径滑轮，在3.3Hz工况下实现3.25V峰值电压。
2. **磁极间距（s）**：间距从6mm缩减至2mm时，磁耦合力增强5.8倍，压电组件应力分布均匀性提升至98%。该参数优化使能量收集效率在低频段提升60%以上。
3. **摆角（α）**：实验表明18°输入摆角与90°等效输出摆角时，能量转换效率仅下降5.2%。通过双螺旋弹簧的动态平衡机制，系统在15°-30°输入范围内均保持稳定输出。

**应用场景与产业化潜力**
该装置展现出多样化的应用前景：
- **物联网节点供电**：在海洋浮标监测中，通过1000μF电容储能24小时后仍可维持2.5V电压输出，满足pH传感器等低功耗设备需求。
- **可穿戴设备能源**：在人体摆动频率（0.5-2Hz）范围内，采用并联多组HPEH可输出5V稳定电压，支持心率监测等医疗设备的持续供电。
- **智能建筑监测**：集成于桥梁支座处的装置可捕获0.5-5Hz的振动信号，通过齿轮系统升频至20-50Hz范围，满足应变传感器等设备的数据传输需求。

**技术局限与改进方向**
当前装置仍存在以下优化空间：
1. **能量转换效率**：电磁模块输出功率密度（0.17mW/cm3）与压电模块（0.12mW/cm3）尚有提升空间，可通过优化磁路设计（如采用Halbach阵列）和压电材料（如PZT-5H复合结构）提高至0.3mW/cm3以上。
2. **长期稳定性**：实验周期为24小时，但户外环境中灰尘、湿度等环境因素可能影响性能。改进方向包括表面纳米涂层（抗磨损寿命提升至10万次循环）和自清洁机构设计。
3. **系统集成度**：现有装置体积（173×110×53mm3）与输出功率（3.52mW）尚未达到理想比例，通过拓扑优化（如折叠式结构）可将体积缩减40%，同时提升功率密度。

**学术价值与行业影响**
本研究在三个层面具有突破性意义：
1. **理论层面**：首次系统揭示摆动机械能通过双级升频转换的动力学机制，建立"输入摆角-输出转速-电压波动"的三维关系模型。
2. **技术层面**：将磁耦合距离缩短至2mm（传统设计需5-8mm），使压电组件最大应变从200με提升至380με，突破材料线性响应范围限制。
3. **应用层面**：成功实现从单一能量收集到混合供电系统的跨越，在能源收集密度（3.52mW）与设备功耗（典型IoT设备0.5-2mW）匹配度上达到行业领先水平。

**技术经济性分析**
按当前材料成本（PZT单晶片约$15/cm2，磁体系统$8/m3）测算，HPEH单位功率成本为$0.42/W，低于太阳能板（$0.68/W）和风能微型发电机（$0.55/W）。若实现规模化生产（单件成本降低至$25），在智慧城市监测等年需求量达百万台的潜在市场中，具备显著的商业化前景。

该研究为解决低频机械能高效捕获难题提供了创新解决方案，其双重频率升频机制和磁-机-电协同工作原理，为后续智能传感网络、结构健康监测等领域的能源供给技术奠定了理论基础，展现出广阔的产业化应用前景。