建筑的摇晃，人体的运动，车辆的颠簸……振动无处不在。试想，如果能将生活中这些浪费的振动能量回收并加以利用，将是何等的神奇且有意义。基于这种思路，振动能量采集器应运而生。振动能量采集器可以基于电磁感应，压电效应和静电感应等原理，将振动能量转换为电能，存储在电池中或是直接为器件和设备供电。
图1 振动能量采集器示意图
近年来，随着微机电系统，集成电路和无线通信技术的不断发展，各国研究者相继研发振动能量采集器，并将其应用于野外监测器件及人体可穿戴设备等微能源需求领域。压电式振动能量采集器因其高能量密度及易于集成的优点，得到了研究者的广泛关注。传统的压电振动能量采集器利用悬臂梁结构，作为一种线性谐振器件，能量采集器在其谐振频率附近可以输出较大的能量。一旦外界振动激励偏离能量采集器的谐振频率，能量采集器的能量输出将会急剧下降。因而，狭窄工作频宽和低能量输出是传统能量采集器亟待解决的问题。
图2 振动能量采集器性能提升结果
针对这一问题，香港中文大学机械与自动化工程学系廖维新教授课题组提出了一种新型压电振动能量采集器，该设计结合了负泊松比超材料结构和双边夹紧梁几何非线性的优点，在提高采集器能量输出的同时，极大地拓宽了采集器的工作频宽。在1m/s2加速度的外部激励下，相比于传统的压电振动能量采集器，此项研究中的I型能量采集器可提升173% 的能量输出和1556% 的工作频宽，II型能量采集器可提升94% 的能量输出和2142% 的工作频宽。此外，该新型压电振动能量采集器利用纯机械结构设计，无需额外的永磁铁等零件来实现非线性宽频效应。因而该设计结构紧凑，面对复杂的电磁干扰环境，可以免于干扰，稳定工作。
图3 负泊松比超材料结构受压下的变形：(a)I型结构，(b)II型结构
该研究论文第一作者，香港中文大学机械与自动化工程学系在读博士生陈柯宇表示，相信此项研究将会为高性能压电式振动能量采集器的设计提供思路启发和原理支持，并推进压电振动能量采集器的应用与发展。
该论文(An auxetic nonlinear piezoelectric energy harvester for enhancing efficiency andbandwidth) 发表在Applied Energy(DOI:10.1016/j.apenergy.2021.117274)。
原文刊载于【InfoMat】公众号
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