js6666zs金沙、js6666zs金沙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js6666zs金沙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，js6666zs金沙周志勇为该论文的通讯作者。

双摆球双稳风能收集结构实验装置: (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

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js6666zs金沙的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.108816