机械增频式波浪压电发电装置特性的研究
本文选题:波浪能转换 切入点:压电俘能 出处:《清华大学》2015年博士论文
【摘要】:波浪压电发电为海上远离陆地传感监测仪器的持续供电用电需求提供了新的解决方案。因此,波浪压电发电装置的研发具有十分良好的应用前景,将成为未来海上监测仪器持续供电的发展方向之一。本文研究一种具有自主知识产权的新型压电式波浪能利用装置。该装置采用增频传动将低频不规则的波浪运动转换为发电所需的高频稳定机械振动,利用压电发电实现电能转化。本文采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法,围绕波浪、浮体、压电振子和负载间的耦合及相互作用,对装置实现波能到电能的转换特性进行了机理性研究。本文首先基于势波理论和欧拉-伯努利梁理论,建立了时域三维波浪-浮体-振子耦合的数学模型,并通过试验验证了模型的有效性。采用验证的数学模型,探索了振子的杨氏模量、振子数以及波要素对波浪-浮体-振子传动特性的影响规律;发现了振子的振动频率几乎不随入射波波周期的变化而变化,而随振子的材料和结构特性(杨氏模量)的变化而显著变化。随着振子杨氏模量和振子数的增加,表征波浪-浮体-振子耦合作用状态的反弹比增加。当振子杨氏模量和振子数各自超过一定阈值后,“传动+释放”的增频传动机制将失效,浮体与振子进入“缓冲+反弹”的相互作用状态。随着浮体发生反弹的频率增加,传递的振子应变能功率下降。压电振子(在上述振子上下表面粘贴压电薄膜)是实现电能转化的系统单元。压电振子和负载的耦合特性对压电振子的输出功率和转换效率有重要影响。无量纲化的机电耦合系数是表征压电振子所受电致阻尼的重要参数,决定了压电振子的机电转换效率。本文系统地研究了压电薄膜和基板的物理和几何参数对压电振子机电转换特性的影响规律;发现了压电薄膜与振子不等长时能够取得更好的机电耦合特性。在大多数条件下,两者的最适长度比介于0.55和0.75之间。开展了机械增频式波浪压电发电装置性能的物理试验研究,并记录了不同波周期条件下浮体振动和输出电压的历时曲线。考虑了波浪、浮体、振子、压电、负载的相互作用,建立了波浪-浮体-振子-压电-负载的耦合模型。系统地研究了外接电路电阻、压电振子数、压电体长度、压电振子和拨片的初始交叠长度以及波要素变化与系统输出功率的相关关系。研究发现,适当地增加压电振子数不仅能够增加系统的输出功率,同时还能提高装置输出功率的带宽。
[Abstract]:Wave piezoelectric power generation provides a new solution for the continuous power demand of offshore remote land sensor monitoring instruments.Therefore, the research and development of wave piezoelectric power generation equipment has a very good application prospect, which will become one of the development directions of continuous power supply for offshore monitoring instruments in the future.In this paper, a new piezoelectric wave energy utilization device with independent intellectual property rights is studied.In this device, the frequency increasing drive is used to convert the irregular wave motion of low frequency into the high frequency stable mechanical vibration needed for power generation, and the piezoelectric power generation is used to realize the electric energy conversion.In this paper, the coupling and interaction between wave, floating body, piezoelectric oscillator and load are combined with physical model test and numerical simulation. The mechanism of the conversion from wave energy to electric energy is studied.Based on the theory of potential wave and Euler-Bernoulli beam theory, a three-dimensional wave-floating-oscillator coupling mathematical model in time domain is established in this paper, and the validity of the model is verified by experiments.However, the material and structural characteristics (Young's modulus) of the oscillator vary significantly.With the increase of the Young's modulus and the number of oscillators, the rebound ratio of the wave-floating-oscillator coupling state increases.When the Young's modulus and the number of oscillators each exceed a certain threshold, the frequency-increasing transmission mechanism of "transmission release" will fail, and the floating body and the oscillator will enter the interaction state of "buffer rebound".With the increase of the frequency of the floating body rebound, the transmitted oscillator strain energy power decreases.Piezoelectric vibrator (sticking piezoelectric film on the upper and lower surface of the vibrator) is the system unit to realize electric energy conversion.The coupling characteristics of piezoelectric oscillator and load have an important effect on the output power and conversion efficiency of piezoelectric oscillator.The dimensionless electromechanical coupling coefficient is an important parameter to characterize the electrically induced damping of piezoelectric oscillators, which determines the electromechanical conversion efficiency of piezoelectric oscillators.The effect of physical and geometric parameters of piezoelectric film and substrate on the electromechanical conversion characteristics of piezoelectric oscillator is systematically studied, and a better electromechanical coupling property can be obtained when the piezoelectric film and oscillator are unequal in length.In most cases, the optimum length ratio of the two is between 0.55 and 0.75.The physical experiments on the performance of mechanical frequency increasing wave piezoelectric generator are carried out, and the diachronic curves of the vibration and output voltage of the floating body under different wave periods are recorded.The interaction of wave, floating body, oscillator, piezoelectric and load is considered, and a coupling model of wave, floating body, oscillator, piezoelectric and load is established.The dependence of the external circuit resistance, the number of piezoelectric oscillators, the piezoelectric body length, the initial overlap length of the piezoelectric oscillator and the patch, and the variation of the wave elements on the output power of the system are systematically studied.It is found that properly increasing the number of piezoelectric oscillators can not only increase the output power of the system, but also increase the bandwidth of the output power of the device.
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM61
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 方光耀;;二热源机的输出功率与热效率[J];内燃机学报;1985年03期
2 严子浚;二热源机的输出功率与热效率间的关系[J];内燃机学报;1987年01期
3 ;可控硅中频热处理机[J];电力技术通讯;1975年07期
4 李则纯;;测量排温和转速以确定柴油机输出功率的可行性分析[J];建筑机械化;1989年01期
5 鲍茂春;;风力机安装地点的选择及输出功率的估算[J];太阳能;1990年01期
6 刘云娇;;日本利用铜蒸气激光技术进行铀浓缩达到了输出功率210瓦[J];国外核新闻;1992年06期
7 马仁斌;;氦氖激光治疗仪输出功率低故障检修[J];家电检修技术;1998年04期
8 苏忠贤;周建军;潘玉良;;固定式太阳能光伏板输出功率的若干问题[J];机电工程;2008年12期
9 王岐东,赵华,张学义,康惠宝;单级和两级相变复合材料体系隔热有效性分析[J];北京轻工业学院学报;1998年02期
10 刘耿;;电源一定向外输出功率吗[J];陕西教育(高教版);2009年06期
相关会议论文 前7条
1 王立军;彭航宇;刘云;;大功率垂直腔表面发射激光器的新进展[A];2007年先进激光技术发展与应用研讨会论文集[C];2007年
2 徐丽芬;王明江;刘昌吉;;混匀带式输送机驱动装置的改进[A];2012年全国地方机械工程学会学术年会论文集(《机械》2012增刊)[C];2012年
3 孙哲;李强;姜梦华;雷訇;惠勇凌;;采用[100]方向的Nd:YAG增大激光器线偏振输出功率研究[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年
4 吴川;;关于UPS的“输出功率因数”的讨论[A];通信电源新技术论坛——2010通信电源学术研讨会论文集[C];2010年
5 刘宇飞;王琳琳;曹英志;;机床电机输出功率的测算法[A];第三届十省区市机械工程学会科技论坛暨黑龙江省机械工程学会2007年年会论文(摘要)集[C];2007年
6 黄剑峰;施翔春;;环形非稳腔倒向波抑制的计算分析[A];2006年全国光电技术学术交流会会议文集(C 激光技术与应用专题)[C];2006年
7 郑延秋;;微波半导体器件研制与生产中需要的一些特殊测量技术[A];21世纪中国电子仪器发展战略研讨会文集[C];2004年
相关重要报纸文章 前10条
1 ;电源额定功率和输出功率的计算[N];电脑报;2003年
2 成都 郑国川;整机输出功率的基本保证[N];电子报;2011年
3 杜赛红;WLAN需要规划[N];中国计算机报;2004年
4 张煜林;氙灯,让汽车的眼睛更亮[N];中国汽车报;2002年
5 山西 张树弼;美的EY181型电磁灶检修三例[N];电子报;2006年
6 广西 伍如云;高保真双声道功放HSH8927[N];电子报;2001年
7 天津 王竹青;看清电脑音箱的输出功率[N];电脑报;2002年
8 王握文 杨彦青 记者 唐先武;我在国际上首次实现光纤激光千瓦级相干合成输出[N];科技日报;2011年
9 唐先武 王握文 杨彦青;高质量激光,我国实现大功率输出[N];中国技术市场报;2011年
10 熊朝明;七一六所风电项目再获430万元资金支持[N];中国船舶报;2009年
相关博士学位论文 前2条
1 林政;机械增频式波浪压电发电装置特性的研究[D];清华大学;2015年
2 刘兴杰;风电输出功率预测方法与系统[D];华北电力大学;2011年
相关硕士学位论文 前10条
1 汪X;基于GaAs工艺的2W宽带功率放大器的研究与设计[D];复旦大学;2014年
2 柯亭婧;风电场输出功率短期动态预测及其应用研究[D];重庆大学;2015年
3 刘志;光伏电站输出功率预测研究[D];合肥工业大学;2016年
4 任丽娜;风速变化对风轮输出功率的影响及控制[D];沈阳工业大学;2009年
5 郭华旺;兆瓦级风电机组输出功率预测研究[D];兰州交通大学;2012年
6 朱思萌;风电场输出功率概率预测理论与方法[D];山东大学;2014年
7 杨晓亮;风电场输出功率预测方法的研究[D];沈阳工业大学;2011年
8 周星光;监测微波热疗机输出功率衰减的方法和装置的研究[D];湖南大学;2012年
9 孙涌;大型风电场输出功率协同预测方法研究[D];东北电力大学;2015年
10 陈前程;风电场输出功率的短期预测研究[D];兰州理工大学;2012年
,本文编号:1699840
本文链接:https://www.wllwen.com/falvlunwen/zhishichanquanfa/1699840.html