近日，我院微制造与MEMS器件课题组在输流管道水锤振动环境换能集电与管输流体水锤防护方面取得重要进展。相关研究成果以“A Multi-Source Heterogeneous Water Hammer Energy Harvester in Flow Pipeline Ambient”为题发表在电子器件领域国际著名期刊《IEEE Transactions on Industrial Electronics》。2023级物理电子学专业硕士研究生周炳铎为论文第一作者，段智勇教授为论文唯一通讯作者，郑州大学物理学院为论文唯一署名单位。

现代管道输流是人类物资调运的主要手段之一，运量稳定、操控方便、成本控制显著。但管道输流工况管理相对落后，智能化、预判性、全参数化工况监测将是未来智慧输流管道网的发展方向，即课题组近年致力于探索的输流管道赛博物理系统研究。管道电子器件是管道赛博物理系统第一层逻辑的重要组成部分，发展管道电子器件集群推动智慧化管道网建设是该领域目前面临的主要技术需求。输流工况中常常存在水锤效应，易导致管道应力集中、结构件振动，是管道破裂、潜在风险点发展演化的主要因素之一。而管道拓扑结构导致当前管况监测节点供能的电池、电缆、太阳能等方式存在成本较高、维护较难、供电不稳定等工程难题。将破坏性水锤冲击振动基于微制造、微器件技术实现换能发电，一方面能量守恒削弱其对管道的冲击破坏，拓展新型水锤防护方法；另一方面获得电能供给远距离、离散性监测节点的传感、计算、信息传输中继、控制与预警等需求，是一种变害为利的新颖解决方案。

图1.具备融入智慧生态链的新型输流管道工程

课题组在前期电磁、摩擦、压电式单一方式输流管道水锤集能微系统研究的基础上提出一种同时实现电磁-摩擦-压电混合集成的多源异构形态的新型环境集能器微结构。利用椭偏形聚合物外缘基套镶嵌相邻反向花瓣状磁极形成水锤惯性振子，音叉弹性悬臂梁耦合压电薄膜形成压电集能；振子磁极与对应线圈耦合形成电磁集能；振子表面与密封盖板易得失电子材料界面形成摩擦集能。水锤波在管道内传输时激励固定于管道壁的惯性振子，在音叉-盖板局域能量区域形成平面类布朗滑动，同时实现压电、摩擦、电磁多源异构型集能发电，汇集电能存储和输出应用。所研制水锤集能微系统压电部分输出电能密度达36.65mW/cm³;电磁0.56mW/cm²；摩擦0.12mW/cm²，惯性振子碰撞能量转化效率为79.29%。

图2.多源异构输流管道环境水锤集能器微结构

该项研究工作获得了到河南省自然科学基金重点项目、国家自然科学基金等项目的资金支持。

文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11305177