基于上变频原理的风能与振动能复合能量收集技术研究

Hybrid energy harvesting technology has become a trend in recent years in the energy harvesting field. On the characteristic of coexisting structural vibration energy and wind energy at the same time in Railway and Bridge environment, this project will research the energy harvesting technology simultaneously excited by structural vibration energy and wind energy toword the much-needed needs of self-supply wireless sensor network nodes using in safety monitoring. Frequency-Up-Conversion (FCU) principle is a non-linear energy harvesting principle. This project intends to realize hybrid energy harvesting technology of wind and vibration energy based on FUC principle. And it will has the following characteristics: simultaneously harvesting structural vibration and wind energy; expanding the frequency bandwidth of structural vibration energy harvesting based on FUC principle; achieving a wide range of wind energy harvesting simultaneously excited under turbulence and vortex based on FUC principle. The energy output of the hybrid energy harvester will be greatly improved. This project will combine MEMS technology and conventional mechanical technology and will eventually develop a set of design and fabrication method of hybrid energy harvester of wind and vibration energy based on FUC principle by researching the hybrid energy harvesting technology; and will provide theoretical support for other relative research in turbulent environment by clarify the mechanism between the turbulent and energy harvesting.

复合能量收集技术成了近年来能量收集领域的发展趋势，本项目针对铁路以及大桥等环境同时存在结构振动能以及风能的特点，面向铁路和大桥环境中急需可以自供给能量的安全监测无线传感器网络节点的需求，研究同时收集振动和风能两种激励源的微能量收集技术。上变频原理是一种非线性能量收集原理，本项目拟基于上变频原理实现风能和振动能复合能量收集技术，使得这种技术具有以下特点：可以同时收集结构振动能和风能；可以基于上变频原理拓展可收集结构振动能量频率带宽；可基于上变频原理实现湍流与涡街共同激振下的宽风速范围能量收集，大大提高能量收集器的输出能量。本项目将结合MEMS工艺与常规机械工艺，通过对基于上变频原理风能与振动能复合能量收集技术的研究，最终发展出一套风能与振动能复合收集器设计与制造方法；并阐明湍流与能量收集之间的机理，为湍流环境中的相关研究提供理论支持。

能源问题成为制约无线传感器网络发展的一个瓶颈问题，对微能源收集技术开展研究可以为无线传感器网络能源问题提供有效的解决方法。近年来，人们对单一微能源收集技术进行了详细的研究，随着技术的发展，如何更多的获取外界环境的能量成了学者们思考的问题。本项目沿着这一思路，针对同时存在结构振动能以及风能的环境，进行了复合能量收集技术的探索研究。.本项目主要研究内容包括：上变频原理风能与振动能复合能量收集技术的理论模型；基于上变频原理的复合能量收集结构设计研究；复合能量收集器多源收集电路研究；建立圆柱体周围流体分布理论模型，探索研究风压式风传感器；基于压电材料进行薄膜体谐振（FBAR）相关湿度与压力传感探索。.本项目取得了重要成果：建立了湍流激振空气动力学模型，建立了湍流与涡街激振共同作用下风能收集理论模型，建立了基于上变频原理复合能量收集理论模型，建立了圆柱体周围空气流体分布理论模型；制备出风能收集器，制备出噪声吸收以及振动能量收集器件，制备出风速传感器，基于压电材料进行湿度及压力传感探索研究；设计能源收集电路，针对特定湍流激振测试需求，设计测试装置，并对能量收集器进行测试，进一步进行理论及仿真方面的工作，提出风能收集器的使用前景，对复合能量收集器理论体系进行修正；发表论文16篇，其中SCI/EI论文11篇，申请发明专利5项，其中两项已授权，培养博士后一人，研究生三人。.本项目阐释了湍流激振下风能收集机理，阐述了湍流激振风能与振动激振振动能共同作用下复合能量收集机理，对于湍流环境中的其他相关研究，对于其他复合能源收集技术研究具有重要的理论意义和应用价值；基于压电材料进行噪声吸收以及噪声能量收集的探索研究，可有效的解决高噪声场景噪声消除，并变废为宝把噪声振动转变为能量；建立的基于压力分布测量风参数的理论模型，对于其它基于压力分布传感器的研制具有重要的科学意义。