一种基于非对称旋转摆的电磁-压电高效混合波能收集器，具备方向自适应特性

电磁-压电混合方向自适应波能收集器基于不对称旋转摆结构，通过将超低频多向波浪运动转化为快速旋转与高频振动，实验测得最大输出功率4.09mW，可在100分钟内为0.66F电容充电至3V，驱动低功耗传感器持续运行80分钟。

　　

作者：熊超、邱静、张振明、农敖成、李明宇、曹聪、韩周楠

中国重庆市重庆大学光电工程学院，教育部光电技术与系统重点实验室

摘要

由于波能的频率极低且具有方向随机性，其在广泛应用方面存在局限性。目前大多数现有的混合波能收集技术仅仅是多个能量捕获单元的简单集成。因此，本文提出了一种基于非对称旋转摆的电磁-压电高效混合波能收集器，该收集器具有方向自适应特性。通过利用非对称旋转摆和非线性磁斥力，将低频、多方向的波能转化为非对称旋转摆的快速旋转运动和发电机梁的高频振动。同时，对非对称旋转摆与传统单摆的旋转响应特性进行了理论比较与分析，对非线性磁斥力进行了仿真与分析，并通过实验验证了所提出收集器的高效能量重组性能。实验结果表明，该收集器的最大输出功率为4.09 mW，能够在100分钟内将0.66 F的电容器充电至3 V，并驱动低功耗温湿度传感器连续工作80分钟。所提出的能量收集器能够有效收集低频、多方向的波能，为低功耗电子设备的供电提供了可行的解决方案。

引言

传统化石燃料的枯竭以及日益严重的环境污染和气候变化问题，加剧了全球对可持续清洁能源技术的需求[1]。太阳能[2,3]、风能[4,5]和波能[6,7,8]等可再生能源受到了广泛关注。随着物联网的快速发展，将环境中的可再生能源转化为电能的技术已成为为无线电子传感器和低功耗电子设备供电的潜在解决方案[9]。与其他能源相比，波能具有储量巨大、能量密度高和全天候可用性的特点。目前，收集波能的主要能量转换机制包括压电[10,11,12]、电磁[13,14,15]和摩擦电[16,17]转换方法。

压电转换方法利用压电材料的正压电效应将波能转化为电能。Nabavi等人[18]提出了一种新型的小型压电梁柱式波能收集器，该收集器利用波浪冲击垂直表面产生的机械能转化为电能。He等人[19]提出了一种基于圆锥浮标结构和磁耦合的新型压电波能收集器，最大输出功率可达41.5 mW。Shi等人[20]提出了一种由旋转球体驱动的压电波能收集器，以实现高效的波能收集。压电能量收集器具有结构简单和功率密度高的优点，但其工作频率远高于波动的频率[21]。

电磁转换方法利用法拉第电磁感应将波能转化为电能。Pan等人[22]报道了一种受翻滚球启发的电磁能量收集器，该收集器能在超低频实际海环境中有效工作，最大峰值功率为120 mW。Wang等人[23]提出了一种球形摆电磁波能收集器，在实际海浪环境中具有高输出功率和能量转换效率。Zhang等人[24]研究了一种基于双稳态机制的内置能量收集器，这种收集器更适合安装在空间有限的浮标上，并在低频下表现出更宽的工作频率范围。电磁能量收集器具有输出电流大和使用寿命长的优点，但其较大的体积使其难以微型化[25]。

摩擦电转换方法利用摩擦电效应和静电感应将波能转化为电能。Zhong等人[26]提出了一种具有堆叠摆结构的摩擦电纳米发电机，通过盘式轨道结构增加了接触面积，从而提高了其收集波能的能力。Wen等人[27]设计了一种具有六自由度特性的花状摩擦电纳米发电机，能够适应多种运动模式并有效收集波能。Zhao等人[28]提出了一种仿生自清洁固液接触摩擦电纳米发电机，用于收集波能，该发电机具有长期表面自清洁和高度稳定的输出性能，有望应用于实际环境。摩擦电纳米发电机具有高输出电压和良好的低频响应特性，但其较高的内阻导致输出功率非常低，严重限制了其发展。

与单一机制转换方法相比，混合能量收集器有效地整合了不同转换方法的优点，实现了更高的输出功率或更宽的工作频率范围[29]。电磁-压电能量收集技术在该领域受到了研究人员的广泛关注。Qi等人[30]提出了一种具有封闭胶囊结构的压电-电磁混合波能收集器，可用于海上桥梁的自供电。Du等人[31]开发了一种尾流奔跑式压电电磁波能收集技术，利用振荡水柱（OTC）将低频水波转化为高频空气尾流奔跑，实现了高效的波能收集。实验结果表明，当风速为18 m/s时，压电输出电压和功率分别为19.88 V和3.81 mW，电磁功率达到1.17 mW。He等人[32]设计了一种压电-电磁混合波能收集器，使用压电单元作为电源模块，电磁单元作为自感应模块，实现了在实际波环境中的实时波幅检测。然而，上述研究仅以简单的方式整合了压电和电磁能量收集单元，很少有研究关注它们之间的有机结合以实现高效耦合和协同增强效果。同时，尽管上述研究能够有效收集波能，但无法高度适应波能方向的随机性和变化性。

为了更好地收集超低频多方向波能，并同时实现压电和电磁能量收集单元的高效耦合和协同增强效果，本文提出了一种基于非对称旋转摆的电磁-压电混合波能收集器（EPHWEH-DS），该收集器具有方向自适应特性。当EPHWEH-DS受到来自任何方向的波能作用时，非对称旋转摆和驱动磁铁将超低频波振动转化为非对称旋转摆的快速旋转运动和发电机梁的高频振动，从而实现多方向波能的有效收集。

设计自适应方向

考虑到波的方向随机性和超低频特性，本文提出了一种基于非对称旋转摆的电磁-压电混合波能收集器，如图1(a)所示。非对称旋转摆结构利用重力响应波的全向运动，从而实现高效的全向波能收集。

非对称旋转摆的数学模型

通过非对称旋转摆的旋转位移重新配置内部装置的重心，从而将波能高效转化为动态势能。在分析非对称旋转摆的数学模型之前，首先使用欧拉-拉格朗日动力学方程基于重力引导原理对单摆进行建模和分析[33]。

如图2(b)所示，假设平面具有倾斜度

原型制作和实验装置

首先制作了EPHWEH-DS的原型。特别是，悬臂梁采用磷青铜材料制成，压电陶瓷（PZT-5H）通过环氧树脂粘附在其表面。EPHWEH-DS的结构（底座、非对称旋转摆、线圈固定支架和中央轴承）首先通过SOLIDWORKS软件进行建模和组装。每个结构部件均采用3D打印技术精确制造，打印材料为聚乳酸（PLA）。

结论

总结来说，本文提出、分析、制造并测试了一种具有方向自适应特性的电磁-压电高效混合波能收集器。EPHWEH-DS能够有效收集超低频多方向波能，具有高输出功率和功率密度。它为多方向波能收集提供了重要的研究方向，并为高效混合能量收集器提供了新的思路。

作者贡献声明

熊超：撰写——原始稿件、方法论、资金获取、数据管理、概念构思。 邱静：撰写——审稿与编辑、资源协调、项目管理、调查、资金获取。 张振明：撰写——审稿与编辑。 农敖成：撰写——审稿与编辑。 李明宇：撰写——审稿与编辑。 曹聪：撰写——审稿与编辑。 韩周楠：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金（项目编号：62271089）、重庆研究生研究与创新基金（编号：CYB25017）、中央高校基本科研业务费（编号：2024CDJXY008和2024CDJGF-048）、重庆大学光电工程学院（编号：GDYKC202503）、重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2022NSCQ-MSX0425）和航空科学基金（编号：2024Z0630Q9001）的支持。