建築的搖晃，人體的運動，車輛的顛簸……振動無處不在。試想，如果能將生活中這些浪費的振動能量回收並加以利用，將是何等的神奇且有意義。基於這種思路，振動能量採集器應運而生。振動能量採集器可以基於電磁感應，壓電效應和靜電感應等原理，將振動能量轉換為電能，存儲在電池中或是直接為器件和設備供電。
圖1振動能量採集器示意圖
近年來，隨著微機電系統，集成電路和無線通訊科技的不斷發展，各國研究者相繼研發振動能量採集器，並將其應用於野外監測器件及人體可穿戴設備等微能源需求領域。壓電式振動能量採集器因其高能量密度及易於集成的優點，得到了研究者的廣泛關注。傳統的壓電振動能量採集器利用懸臂梁結構，作為一種線性諧振器件，能量採集器在其諧振頻率附近可以輸出較大的能量。一旦外界振動激勵偏離能量採集器的諧振頻率，能量採集器的能量輸出將會急劇下降。因而，狹窄工作頻寬和低能量輸出是傳統能量採集器亟待解决的問題。
圖2振動能量採集器性能提升結果
針對這一問題，香港中文大學機械與自動化工程學系廖維新教授課題組提出了一種新型壓電振動能量採集器，該設計結合了負泊松比超資料結構和雙邊夾緊梁幾何非線性的優點，在提高採集器能量輸出的同時，極大地拓寬了採集器的工作頻寬。在1m/s2加速度的外部激勵下，相比於傳統的壓電振動能量採集器，此項研究中的I型能量採集器可提升173%的能量輸出和1556%的工作頻寬，II型能量採集器可提升94%的能量輸出和2142%的工作頻寬。此外，該新型壓電振動能量採集器利用純機械結構設計，無需額外的永磁鐵等零件來實現非線性寬頻效應。因而該設計結構緊湊，面對複雜的電磁干擾環境，可以免於干擾，穩定工作。
圖3負泊松比超資料結構受壓下的變形：（a）I型結構，（b）II型結構
該研究論文第一作者，香港中文大學機械與自動化工程學系在讀博士生陳柯宇表示，相信此項研究將會為高性能壓電式振動能量採集器的設計提供思路啟發和原理支持，並推進壓電振動能量採集器的應用與發展。
該論文（An auxetic nonlinear piezoelectric energy harvester for enhancing efficiency andbandwidth）發表在Applied Energy（DOI:10.1016/j.apenergy.2021.117274）。
原文刊載於【InfoMat】公眾號
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