基于堆栈式压电换能器的路面能量收集技术研究

发布时间：2017-08-13 16:25

  本文关键词：基于堆栈式压电换能器的路面能量收集技术研究

  更多相关文章： 道路工程 堆栈式压电换能器 实验分析 路面振动 能量收集

【摘要】：道路中每天承载着不计其数的车辆、行人的直接作用,这些作用的机械能通常体现在路面的振动、变形、磨损、开裂等病害,并最终以热能的形式耗散在环境中。收集这些废弃的能量,并将其利用在交通附属设施是道路工作者多年的梦想。压电换能器是利用压电材料的压电效应将机械能转换为电能的装置。本文结合路面载荷环境,提出了利用堆栈式压电换能器收集路面振动能量的方法,并制备了基于堆栈式压电换能器的路用压电能量收集装置。首先,本文对路面压电能量收集的理论进行了分析,就压电效应、压电材料及参数、压电发电机理、压电换能器结构、换能器的封装、能量收集电路等进行了介绍。选择了适合路面环境条件下的压电材料及换能器结构。其次,制备了测试用和路面用堆栈式压电换能器,并对堆栈式压电换能器在接近路面载荷条件下的输出效能进行了研究。选择了PZT-5H压电陶瓷作为换能器压电材料,选择了并联方式作为换能器的内部连接方式。并测试了刚性封装和柔性封装下换能器的电能输出效率。经测试认为,在载荷不引起压电材料的应力退极化、作用频率低于换能器的谐振频率下,换能器的输出电能随载荷及频率增加而增加。刚性封装和柔性封装后的换能器的输出电信号衰减不明显。此外,设计制备了由12组压电换能器组成的压电能量收集装置。通过静水压力试验测试了装置的密封性,通过加载试验测试了装置的强度,通过小型加速加载试验测试了装置的输出衰减及疲劳性能,通过在320国道实地铺设,测试了装置的耐久性。最后,提供了压电能量收集装置的铺设方法,对铺设后的输出电能进行了分析估算,单组压电能量收集装置输出的平均功率约为14mW,所铺设的20组装置可持续点亮约180颗LED灯。
【关键词】：道路工程 堆栈式压电换能器 实验分析 路面振动 能量收集
【学位授予单位】：交通运输部公路科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U416.2
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 研究背景与现状11-19
• 1.1.1 能源与环境11-13
• 1.1.2 道路与道路能量13-15
• 1.1.3 压电能量收集15-19
• 1.2 目的和意义19-20
• 1.2.1 研究目的19
• 1.2.2 研究意义19-20
• 1.3 研究内容与技术路线20-23
• 第2章 压电式路面能量收集技术理论及分析23-37
• 2.1 压电材料及压电机理23-25
• 2.1.1 压电材料23-24
• 2.1.2 压电机理24-25
• 2.2 压电材料参数及机电耦合模型25-28
• 2.2.1 压电材料参数25-27
• 2.2.2 机电耦合模型27-28
• 2.3 压电换能器结构理论28-32
• 2.3.1 压电换能器结构介绍28-30
• 2.3.2 堆栈式压电换能器理论模型30-32
• 2.4 压电换能器的外部封装32-34
• 2.5 能量收集电路34-36
• 2.5.1 接口电路34-35
• 2.5.2 储能元件35-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第3章 堆栈式压电换能器及路用压电能量收集装置设计37-62
• 3.1 堆栈式压电换能器结构及制备37-41
• 3.1.1 换能器材料比选37-39
• 3.1.2 堆栈式压电换能器结构及制备39-41
• 3.2 堆栈式压电换能器测试方法41-44
• 3.2.1 加载方案设计41-42
• 3.2.2 加载过程42-44
• 3.3 堆栈式压电换能器电能输出分析44-51
• 3.3.1 内部连接方式对输出电能的影响44-46
• 3.3.2 加载条件对输出电能的影响46-49
• 3.3.3 柔性硅胶封装对堆栈结构输出电能的影响49-51
• 3.4 路用堆栈式压电换能器51-56
• 3.4.1 路用堆栈式压电换能器结构及尺寸51-53
• 3.4.2 电能输出53-54
• 3.4.3 阻抗匹配54-56
• 3.5 路用压电能量收集装置设计56-61
• 3.5.1 结构设计及换能器布设56-59
• 3.5.2 内部电路方案及密封设计59-61
• 3.6 本章小结61-62
• 第4章 压电能量收集装置的前期测试62-74
• 4.1 路用压电能量收集装置密封性及强度试验62-65
• 4.1.1 防尘密封性试验62-63
• 4.1.2 强度试验63-65
• 4.2 室内小尺寸压电能量收集装置力学试验机加载试验65-68
• 4.3 室内小型加速加载（MMLS）68-71
• 4.4 路面埋设耐久性71-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第5章 路用压电能量收集装置实际路面铺设74-88
• 5.1 路用压电能量收集装置的埋设74-78
• 5.1.1 路面条件选址及布设方案74-77
• 5.1.2 压电能量收集装置铺设77-78
• 5.2 压电能量收集装置电能输出测试78-82
• 5.2.1 不同轴载下的输出电压78-80
• 5.2.2 不同车速下的输出电压80-82
• 5.3 压电能量收集装置的能量收集82-85
• 5.4 能量收集装置的输出电能计算85-87
• 5.5 本章小结87-88
• 第6章 结论与展望88-91
• 6.1 结论88-89
• 6.2 展望89-91
• 参考文献91-96
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他研究成果96-97
• 致谢97-99
• 个人简历99

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本文编号：668235