土木建筑学院、河南大学钢与空间结构研究所周志勇课题组在国际能源类知名期刊《Mechanical Systems and Signal Processing》（中科院JCR一区期刊，影响因子8.4）期刊上发表题为“Improve efficiency of harvesting wind energy by integrating bi-stability and swinging balls”的研究论文。该研究成果是西北工业大学工程力学系与河南大学土木建筑学院在风能收集方面的探索性成果，西北工业大学的博士研究生潘家楠为该论文的第一作者，河南大学土木建筑学院周志勇为该论文的通讯作者。
(a)风洞 (b)双摆球双稳风能收集结构模型 (c)第一个稳定平衡位置 (d)第二个稳定平衡位置
双摆球双稳风能收集结构实验装置
风能是自然界中一种广泛存在的清洁无污染的可再生能源，具有很大的利用潜力。在对风能的利用方面，相对于大型的风电设备，基于风致振动和智能材料的能量采集器没有涡轮转动部件，具有结构形式简单、易于微型化、成本低、应用范围广等优点，因此风致振动能量采集是解决微机电系统供能需求的一个有效途径，有着广阔的发展前景。本研究通过引入双稳态特性，提出了双摆球双稳风能收集结构，如图所示，这种结构包括了一根固定端附近黏贴有压电片的悬臂梁，两个连接在悬臂梁上的泡沫摆球，一个固定在悬臂梁自由端处的磁铁和两个固定在支座处的磁铁组成。通过开展实验研究，发现双稳态结构的应变幅值明显大于线性结构的应变幅值，这是因为发生阱间跳跃，带来很大的振动幅值，使结构产生了大变形。由于压电晶体的电压输出与结构变形成正比，所提电能输出得到了有效的提升。值得注意的是，在不同风速最大应变幅值分布的频带区间是不相同的。当风速比较低时，例如风速为4.0 m/s,这个时候大应变幅值集中在0-0.2 Hz的区间内，这是因为风速低，气动力比较小，阱间跳跃不是很频繁，但这个时候应变幅值是远大于线性结构的，相比较与线性结构，电能输出得到了明显的改善。当风速增加到6.0 m/s时，这是应变峰值的频率区间在0.55 Hz附近，这个时候出现相干共振现象，得到了稳定的高电压输出。随着风速的增加，风速达到8.0 m/s时，这是最大应变幅值对应频率区间会进一步增加，这是因为出现了更加频繁的阱间跳跃。最后当风速高达10.0 m/s时，这时应变幅值对应的频率区间进一步增加，几乎覆盖着0-3.0 Hz的区间内。因此，从实验研究中可以看出，双稳态结构是优于传统的线性结构的，更加适合在变速弱风环境下的风能收集。
该项研究得到了国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、河南省科技发展计划项目、河南省教育厅科学技术研究重点项目以及土木建筑学院的支持。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.108816
科研项目