TWI749526B - 渦流誘發振動之風能收集裝置 - Google Patents

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Abstract

一種渦流誘發振動之風能收集裝置，包括由複數振盪器所組成一振盪器陣列及複數壓電微機電系統，每一壓電微機電系統分別與每一振盪器連接，當任一振盪器受到空間中的氣體流動產生週期性渦流，進而產生共振激烈振盪時，其振盪渦流的尾流會加强下游的振盪器的振盪，而使該振盪器陣列的整體振盪加強，而壓電微機電系統受到該等振盪器之振動而產生電壓及電流並輸出。本發明將振盪器陣列緊密排列，當氣流通過時振盪器陣列，微弱的氣流就可引起週期性作用力，經由共振現象而引起顯著振盪，而每一振盪器皆連接一壓電微機電系統，可將機械能轉換成電能並輸出，達到收集風能的目的。

Description

渦流誘發振動之風能收集裝置
本發明係有關一種風力收集裝置，特別是指一種渦流誘發振動之風能收集裝置。
空氣中隨時存在流動，除了自然界的風之外，室內的冷氣、電風扇、開關門產生的氣流、走動時產生的氣流，甚至電腦主機中的風扇也會產生空氣流動，因此空氣很難是靜止的，而流動的空氣產生的氣流便可被收集並轉換成電能，此為風力發電的主旨。
旋轉式風力渦輪機是收集風能的最常用設備，儘管已成功大規模應用，但在縮小規模時仍面臨問題，舉例而言，旋轉式風力渦輪機具有復雜的機械部件，例如齒輪、軸承、葉片等，很難以微型規模製造這些組件；若真正實現微型化，在如此小的尺寸下，組裝和維護都相對困難；此外，旋轉式風力渦輪機需要高流速才能克服摩擦和慣性來移動葉片，亦即須要相當強的風力來發動，微風或微弱氣流無法使其啟動；由於摩擦力會隨著尺寸減小而顯著增加，在微尺度上摩擦力極大，會使得旋轉式風力渦輪機收集風能 的效能非常低，甚至可能低至零。並且此類設備無法密集排列，達到增強輸出的效果。
因此，本發明即提出一種渦流誘發振動之風能收集裝置，以有效地解決上述該等問題，具體架構及其實施方式將詳述於下：
本發明之主要目的在提供一種渦流誘發振動之風能收集裝置，其利用流體通過後形成週期性渦流，並引起週期性作用力，經由共振現象引起顯著的振盪，並藉由緊密排列的振盪器陣列，利用尾流增強效應，進而增強輸出的電壓和電流。
本發明之另一目的在提供一種渦流誘發振動之風能收集裝置，其將渦流誘發振動(vortex-induced vibration,VIV)概念與小型化的微機電系統結合，進行有效的風能量收集。
為達上述目的，本發明提供一種渦流誘發振動之風能收集裝置，包括：複數振盪器，組成一振盪器陣列，任一該等振盪器受到空間中的氣體流動產生週期性渦流，進而產生共振的振盪渦流而激烈振盪時，其下游的該等振盪器中之至少一者會受到該振盪渦流的尾流影響而加强振盪，而使該振盪器陣列的整體振盪加強；以及複數壓電微機電系統，分別與每一該等振盪器連接，受到該等振盪器之振動而產生電壓及電流並輸出。
依據本發明之實施例，該等振盪器為空心圓柱體。
依據本發明之實施例，每一該等壓電微機電系統分別包括：一微機電系統晶片；一壓電懸臂樑，設於該微機電系統晶片上；一墊氧化層 (pad oxide)，設於該壓電懸臂樑上用以絕緣，該等振盪器係設於其中之一該墊氧化層上；一壓電層，設於該壓電懸臂樑上，且部分位於該墊氧化層之一開口中，當該等振盪器振盪時，該壓電層受力變形，進而產生電壓及電流；以及二輸出端子，分別為一正極及一負極，該二輸出端子其中之一設於該壓電懸臂樑上、該墊氧化層之另一開口中，另一者則從上方覆蓋並連接該壓電層，該二輸出端子用以將該壓電層所產生的電壓和電流輸出。
依據本發明之實施例，該微機電系統晶片與該壓電懸臂樑之間設有一氧化層。
依據本發明之實施例，該壓電懸臂樑之一懸臂端係懸空，下方沒有該微機電系統晶片，而該等振盪器及該壓電層設於該懸臂端。
依據本發明之實施例，該壓電層之材質為氮化鋁。
依據本發明之實施例，該振盪器陣列中之每一該振盪器彼此之間的距離相同。
10:振盪器
20:振盪器陣列
30:壓電微機電系統
32:微機電系統晶片
33:氧化層
34:壓電懸臂樑
34A:懸臂端
35:壓電層
36:輸出端子
36A:一端
36B:另一端
38:墊氧化層
第1圖為本發明一實施例之渦流誘發振動之風能收集裝置之示意圖。
第2圖為第1圖之渦流誘發振動之風能收集裝置中單一振盪器及其壓電微機電系統之架構示意圖。
第3圖為第2圖所示單一振盪器及其壓電微機電系統之側面剖視圖。
第4圖為第2圖之壓電微機電系統之製程流程圖。
第5A圖至第5D圖為實驗單一振盪器及3x3、5x5振盪器陣列之輸出功率的曲線圖。
本發明提供一種渦流誘發振動之風能收集裝置，其利用緊密排列的共振振盪器陣列使振盪強度增強，再利用壓電微機電系統收集風能，可增加能收集到的風能。
第1圖所示為本發明一實施例之渦流誘發振動之風能收集裝置之示意圖，渦流誘發振動之風能收集裝置包括複數振盪器10及複數壓電微機電系統(Microelectromechanical Systems,MEMS)30，其中，複數振盪器10組成一振盪器陣列20，振盪器陣列20中之每一振盪器10彼此之間的距離實質上相同。每一振盪器10皆分別連接一個壓電微機電系統30，壓電微機電系統30設在微機電系統晶片32上，當振盪器10振動時，壓電微機電系統30受到振盪器10所傳來的力而產生電壓及電流並輸出。
值得一提的是，當任一振盪器10受到空間中的氣體流動而產生週期性渦流，進而產生共振而激烈振盪時，其振盪渦流的尾流會增强下游的振盪器的振盪，而使振盪器陣列20的整體振盪加強，而能夠產生更多的電壓及電流並輸出。下游振盪器是相對於受到空間中氣體流動而產生週期性渦流的任一振盪器10而言，位在其下游位置，數量可為至少一個。
此外，單一振盪器10及壓電微機電系統30之詳細結構請同時參考第2圖及第3圖，其分別為第1圖之渦流誘發振動之風能收集裝置中單一振盪器10及壓電微機電系統30之架構示意圖及側面剖視圖。
當空間中有氣體流動時便會產生振動，除了自然界中的風之外，冷氣、電風扇的風，或是開關門、走路產生的風皆可讓振盪器10振盪。在本實施例中，振盪器10為空心圓柱體，其長度、直徑、內徑、厚度、材質等皆會影響振動頻率及共振效果，且相鄰振盪器10之間的距離亦會影響共振現象的增幅強度，但該些因子並非本發明的限制，只要是空心圓柱形振盪器組成的陣列，結合壓電微機電系統產生電壓的能量收集裝置皆包含在本發明之範圍內。
第2圖中壓電微機電系統30之結構包括一微機電系統晶片32、一壓電懸臂樑34及二輸出端子36。輸出端子36分別為一正極及一負極，此圖中未限制正極和負極分別是哪一個輸出端子36。詳細而言，請配合參考第3圖，壓電微機電系統30還可包括一氧化層33、一壓電層35、一墊氧化層(pad oxide)38。壓電懸臂樑34配置於微機電系統晶片32上，而氧化層33配置於壓電懸臂樑34以及微機電系統晶片32之間。墊氧化層38配置於壓電懸臂樑34上用以絕緣。壓電層35設於壓電懸臂樑34上，且部分位於墊氧化層38之一開口中。振盪器10設於墊氧化層38上。
此外。二輸出端子36其中之一(第3圖中左邊)，設於該壓電懸臂樑上且位於墊氧化層38的另一開口中。二輸出端子36其中另一(第3圖中右邊)的一端36A設置在墊氧化層38上，另一端36B則延伸覆蓋連接壓電層35。在本實施例中，此另一端36B、壓電層35以及振盪器10皆位於壓電懸臂樑34的一懸臂端34A的上方。換句話說，振盪器10及壓電層35之下方區域沒有微機電系統晶片32。
由於振盪器10配置於壓電懸臂樑34的懸臂端34A上，本實施例的具體做動為：當振盪器10受到空間中氣體流動而振盪時，壓電懸臂樑34受力帶動壓電層35變形，進而產生電壓及電流，二輸出端子36用以將壓電層35所產生的電壓和電流輸出至一外部裝置(圖中未示)。
進一步來說，壓電微機電系統30可由半導體製程技術所製造，因此其具有半導體結構。壓電微機電系統30係以MEMSCAP的PiezoMUMPs五層光罩圖案化和蝕刻製程(MEMSCAP’s PiezoMUMPs 5-mask level patterning and etching process)所製造，壓電微機電系統30的構造及各層之設置順序請同時參考第3圖之側面剖視圖及第4圖之製程流程圖。首先，如步驟S10~S12所述，在微機電系統晶片32上先形成氧化層33(步驟S10)，接著將壓電懸臂樑34設在氧化層33上(步驟S12)，但有部分壓電懸臂樑34為懸空狀態，下方沒有微機電系統晶片32，即為第3圖之懸臂端34A；其中，壓電層35之材質則可為氮化鋁。
接著如步驟S14所述，在壓電懸臂樑34上形成墊氧化層38，其利用光罩、蝕刻或其他半導體製程的技術對墊氧化層38進行圖案化加工，在墊氧化層38上產生多個開口，振盪器10便設於墊氧化層38上，且振盪器10是設在壓電懸臂樑34的懸臂端34A上；如步驟S16所述，壓電懸臂樑34上還設有壓電層35，其位於墊氧化層38之其中一個開口中，且同樣是在壓電懸臂樑34的懸臂端34A上；最後如步驟S18所述設置二輸出端子36，其分別為正極及負極，其中之一設於壓電懸臂樑34上墊氧化層38之另一開口中，且是在壓電懸臂樑34下方有微機電系統晶片32的部分，而另一個輸出端子36則從上 方覆蓋壓電層35，從圖中可看出，壓電層35上方的輸出端子36有延伸到墊氧化層38上。
由於本實施例之壓電微機電系統30係為利用半導體製程技術，並整合電子及機械功能製作而成的微型裝置。因此，一般而言，壓電微機電系統30會同時具有傳輸電子訊號的能力及機械結構的運動能力，而在本發明中則藉由其機械結構的運動能力進行發電。
值得一提的是，在製作壓電微機電系統30的過程中，可在同一矽晶片上一次完成數百個或數千個機械元件，所以能夠降低生產成本，也因此可批量製造。此外，由於本實施例之壓電微機電系統30利用壓電材料做為感測元件，利用其可批量製造及微型化的優點製成微型的風能收集裝置，不但縮小體積，且具有製程精準、成本低等優點。
以下，將進一步說明本發明利用振盪器陣列產生共振的概念。本發明係基於渦流誘發振動(vortex-induced vibration,VIV)概念及陣列效應(formation effect)得到增強的風力，與小型化的微機電系統結合後，進行有效的風能量收集。渦流誘發振動(VIV)是流體與結構的相互作用，當氣流接觸到振盪器時，從圓柱形振盪器上會散發出週期性的渦流，由於振盪器陣列中的振盪器緊密排列，氣流通過振盪器陣列使其中的每一個振盪器都開始產生渦流並與振盪器產生共振，而一個振盪器的尾流與下游的振盪器互相作用後，會明顯增强下游振盪器的週期性的力和振盪。產生共振的要點是，每一振盪器的固有頻率被設計成與渦漩脫落頻率匹配，便可產生共振現象，而圓柱體排列成陣列則可因形成效應而增強渦流誘發振動(VIV)現象，得到更大的風力，增強壓電微機電系統的功率輸出。
第5A圖至第5D圖為本發明一實施例之實驗數據曲線圖，分別實驗單一振盪器、3x3振盪器陣列及5x5振盪器陣列，需先說明的是，流動結構主要取決於縱向節距比L/D，其中L是上游振盪器的圓心之間的距離，D是圓柱形振盪器的直徑。在第一個風洞實驗系列中，能量收集器的微機電系統晶片放置在陣列底部(formation)的中心，量測風洞速度U在0.8m/s~6.4m/s範圍內的平均功率Pavg。量測結果如第5A圖至第5C圖所示，明確指出陣列效應(formation effect)可顯著增強Pavg相對於U的趨勢，當風洞速度U愈大，則平均功率Pavg一般而言也會增加。在所考慮的速度範圍內可獲得的Pavg最大值為Pmax，其明顯受到陣列效應的影響。值得注意的是，相同的能量收集器放在振盪器陣列中，會比放在單獨一個振盪器中產生更高的Pmax，特別是在3x3陣列中，形成效應會使Pmax翻倍。此外，在3x3陣列中會產生比在5x5陣列中更高的Pmax。另外，L/D=4.0和5.0的陣列對功率輸出的影響幾乎相同。因此，陣列愈大個別振盪器不一定會產生更大的效能，以目前的實驗數據而言，在3x3陣列中反而可產生比在5x5陣列中更高的功率輸出，但總而言之，個別振盪器在陣列中所產生的功率輸出必然大於單一振盪器所產生的功率。
接著進行第二個風洞實驗系列，以確認微機電系統晶片的位置是否會影響功率輸出，其中改變了虛擬渦流的佈置，以使能量收集器成為3x3陣列中的上游渦流(即第一排振盪器)和下游渦流(即第三排振盪器)，且L/D=4.0，結果如第5D圖所示，位於陣列第一排(最上游)的能量收集器會產生與單一能量收集器(如第5A圖)幾乎相同的Pmax；若能量收集器位於陣列的第二排(中間排)，則Pmax的增加最為明顯；而位於第三排(最下游)的能量收集器所產生的Pmax較第二排能量收集器所產生的小、較第一排能量收集 器所產生的大。因此我們可得到一個結論，將能量收集器放置在陣列的中間，可得到最大的效能。
須說明的是，第5A圖至第5D圖並不一定是最佳的實驗結果，僅是用於說明振盪器陣列的整體振盪加強的一種情況，且並非用以限制本發明。此外，本發明的振盪器陣列亦非限於3x3或是5x5的情形，實際陣列大小可根據實際需求進行選擇。
本發明之優點在於：
a.結構簡單，與旋轉式風力渦輪機相較之下，更亦於微型化，且不會因尺寸太小而造成高度摩擦損耗；
b.利用共振現象，在低風速下即可有效收集能量，而旋轉式風力渦輪機需要高風速才能使葉片克服摩擦力旋轉；並且此類設備無法如本發明的振盪器陣列般密集排列，故無法達到本發明的增強輸出的效果。
c.利用緊密排列的陣列使振盪器之間產生增强現象，將振盪能量增幅，產生更高的功率輸出。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:振盪器
20:振盪器陣列
30:壓電微機電系統
32:微機電系統晶片

Claims (6)

  1. 一種渦流誘發振動之風能收集裝置，包括：複數振盪器，組成一振盪器陣列，任一該等振盪器受到空間中的氣體流動而產生共振的振盪渦流時，其下游的該等振盪器中至少一者會受到該振盪渦流的尾流影響而增強振盪，而使該振盪器陣列的整體振盪加強；以及複數壓電微機電系統，分別與每一該等振盪器連接，受到該等振盪器之振動而產生電壓及電流並輸出；其中，每一該等壓電微機電系統分別包括：一微機電系統晶片；一壓電懸臂樑，設於該微機電系統晶片上；一墊氧化層(pad oxide)，設於該壓電懸臂樑上用以絕緣，該等振盪器係設於其中之一該墊氧化層上；一壓電層，設於該壓電懸臂樑上，且部分位於該墊氧化層之一開口中，當該等振盪器振盪時，該壓電層受力變形，進而產生電壓及電流；以及二輸出端子，分別為一正極及一負極，該二輸出端子其中之一設於該壓電懸臂樑上、該墊氧化層之另一開口中，另一者則從上方覆蓋並連接該壓電層，該二輸出端子用以將該壓電層所產生的電壓和電流輸出。
  2. 如請求項1所述之渦流誘發振動之風能收集裝置，其中該等振盪器為空心圓柱體。
  3. 如請求項1所述之渦流誘發振動之風能收集裝置，其中該微機電系統晶片與該壓電懸臂樑之間設有一氧化層。
  4. 如請求項1所述之渦流誘發振動之風能收集裝置，其中該壓電懸臂樑之該懸臂端係懸空，下方沒有該微機電系統晶片，而該等振盪器及該壓電層設於該懸臂端。
  5. 如請求項1所述之渦流誘發振動之風能收集裝置，其中該壓電層之材質為氮化鋁。
  6. 如請求項1所述之渦流誘發振動之風能收集裝置，其中該振盪器陣列中之每一該振盪器彼此之間的距離相同。
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