《Nano Energy》：Efficient Wind Energy Harvester Based on Three-Cylinder Structure via Vortex-Induced Synchronization Effect
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提出了一种基于三圆柱涡流同步效应的VIV纳米发电机（TTV-TENG），通过优化结构增强涡流激励，相比单圆柱结构在8m/s风速下短路电流提升7倍，峰值功率密度提升85倍，并成功构建自供电环境监测系统。
杨晋|辛桥|郭鑫|冯宇明|赵国元|杨宇|李恒宇|王建龙|程晓军
中国民用航空大学天津民用飞机适航性与维护重点实验室，天津 300300，中国
摘要
无旋转部件的涡流诱导振动（VIV）能量收集器在恶劣环境中具有出色的环境适应性，适用于风能采集。为了满足更高的功率需求，通常采用阵列部署方式，每个VIV单元的效率对整体性能至关重要。然而，传统的单圆柱结构仅利用局部脱落的涡流，导致能量收集效率有限。在这项工作中，提出了一种先进的三角形三圆柱VIV摩擦电纳米发电机（TTV-TENG）装置。通过三圆柱结构之间的涡流同步效应（VSE），振动响应得到放大。内部的摩擦电发电机与圆柱同步振动，将振动能量转换为电能。数值流体仿真结果表明，在3的间距比和0°的入流角度下，VIV效应显著增强。考虑到设备之间的空间间距以避免相互干扰，并将实验结果按单位迎风面积进行缩放，优化电极后的TTV-TENG在8米每秒的风速下，短路电流增加了7倍，峰值功率密度增加了85倍。最终，TTV-TENG能够有效为各种传感器和警示灯供电，构建了一个自供电的环境监测系统。这项工作展示了这种风能采集方法在恶劣环境中的广泛应用前景。
引言
随着物联网（IoT）技术的快速发展，日常生活正逐渐迈向数字化、自动化和智能化的新阶段[1]、[2]、[3]。这一重大变革与分布式传感器的广泛部署密切相关，而分布式传感器在很大程度上依赖于复合材料等新材料在传感器技术中的关键作用[4]、[5]、[6]。然而，大多数传感器目前仍依赖电池，电池寿命短，需要定期更换。此外，当传感器网络部署在广阔、地理分散且环境恶劣的地区时，维护成本增加，可持续性受限[7]、[8]、[9]。在这种背景下，开发能够在恶劣环境中运行的分布式和可靠的自供电设备已成为推动物联网发展的迫切需求。风能作为一种普遍存在、清洁且可再生的资源，成为为分布式传感系统中的自主设备供电的理想选择，尤其是在偏远地区[10]、[11]、[12]、[13]。自供电设备可以利用微风，从而确保传感模块的可持续能源供应[14]、[15]。然而，使用传统风能技术难以高效利用微风，因此迫切需要能够在弱风和不稳定气流条件下运行的能量采集机制。
王教授于2012年提出了摩擦电纳米发电机（TENG）。TENG通过摩擦充电和静电感应将机械能转换为电能，从而实现高效能量采集[16]、[17]、[18]、[19]。由于其广泛的材料兼容性[20]、成本效益[21]和出色的功率密度，TENG被认为是分布式系统中采集风能的有希望的候选技术。当前的风能TENG包括旋转式风力涡轮机[22]、[23]、[24]和无叶片风力涡轮机[25]、[26]、[27]、[28]。旋转式风力涡轮机适用于高速流动，但在低频、不稳定的风环境中表现不佳。相比之下，基于涡流诱导振动（VIV）的无叶片涡轮机具有更低的启动风速[29]、[30]、[31]。特别是在恶劣环境中，由于没有旋转部件，无叶片涡轮机具有显著的优势。然而，即使这些有前景的系统在最简单的形式下（如广泛采用的单圆柱结构[32]、[33]）也存在局限性。单圆柱产生的卡门涡街提供的空气动力激励有限，尽管截面几何形状有所变化，但能量转换能力仍然较低[34]。这些局限性凸显了提高单个能量收集器的能量采集能力以产生更强VIV响应的重要性，从而实现高效的风能采集。
为了满足更高的功率需求，部署系统中每个VIV单元的效率至关重要，因此研究人员探索了多种能量收集器。首先，薛提出了一种串联双圆柱的圆柱排列方式，以解决单圆柱能量捕获效率低的问题[35]。然而，由于多个涡流之间缺乏相互作用（如涡流合并、碰撞和涡街），双圆柱配置中的涡流脱落模式相对不变，因此系统响应基本上是单调的，没有表现出多频率锁定或模式切换行为。此外，张等人开发了一种基于鱼群效应的TENG，可以减轻钝体干扰并通过利用尾流实现能量采集。然而，其性能提升的空气动力学机制尚未得到解释，且其结构中的圆柱采用垂直支撑配置，对下部支撑结构提出了较高要求[36]。因此，通过基本的气缸阵列配置诱导更丰富的涡流动态和更强的VIV响应仍然是高效风能采集的关键挑战。
因此，提出了一种风能采集用三角形三圆柱VIV摩擦电纳米发电机（TTV-TENG）。它由三个圆柱、一个弹簧片和发电单元组成。三角形排列增强了涡流同步效应（VSE），使流体相互作用更有效地生成更强的VIV。VSE使TTV-TENG能够在低风速下启动，并在较长时间内保持高振动水平，从而提高能量采集能力。通过调整圆柱间距和角度，可以精确调节同步的涡流脱落行为以适应不同的流速。TTV-TENG采用三角形三圆柱结构作为基本单元，为后续的圆柱阵列研究提供了可靠的理论基础和方法论见解。仿真分析和实验验证表明，在最佳三角形排列下，其输出性能得到提升，此时VSE得到了充分利用。经过参数优化后，确定了TENG的最佳运行条件。在不同风速下进行了系统测试，以评估其电能输出和能量采集能力。最终，开发了一个集成了温度传感器、湿度传感器和警示灯的智能健康监测系统。该系统特别适用于单向风环境，具有广泛的应用前景。
TTV-TENG的结构设计和工作原理
TTV-TENG基于等边三角形排列的三个圆柱（TC）结构。其设计原理如图1a所示。从空气动力学流体的角度来看，采用的一种机制是圆柱之间的涡流脱落锁定效应。上游圆柱脱落的涡流显著影响下游圆柱周围的流场。通过优化排列，可以同步下游圆柱的涡流脱落频率
结论
总之，本研究提出了一种集成的TTV-TENG，有效提升了风能采集能力。通过理论和实验研究证实，TTV-TENG的空气动力性能优于单圆柱结构。当TC以等边三角形配置排列时，空气动力性能在0°的入射角和3的间距比下达到最佳。进一步的参数优化实验确定了
TTV-TENG的制造
该装置由三个圆柱壳组成，每个圆柱壳包含两组TENG发电单元和一个内部隔板。圆柱壳采用聚乳酸（PLA）通过3D打印制造，直径为60毫米，高度为300毫米。每个发电单元包含四对TENG组件。铜箔和FEP被用作摩擦电材料，具体尺寸见表S1。这些组件安装在碳板上，尺寸为
作者贡献声明
李恒宇：验证。 杨宇：验证。 赵国元：验证。 冯宇明：验证、研究。 郭鑫：验证、研究。 辛桥：撰写——原始草稿、研究、概念化。 杨晋：撰写——原始草稿、验证、研究。 程晓军：撰写——审阅与编辑、监督、资源、概念化。 王建龙：撰写——审阅与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFC3002500）、科技部国家重点研发项目（编号2021YFA1201601）和北京自然科学基金（编号L244004和3244038）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
杨晋分别于2006年、2009年和2013年在中国哈尔滨商业大学获得学士学位，在哈尔滨工业大学获得硕士和博士学位。他目前得到中国国家重点研发计划的支持。他的当前研究方向是非线性动力学、非线性能量采集和摩擦电纳米发电机。
