基于压电材料的环境能量采集技术研究
本文选题：压电装置 + 宽频设计 ； 参考：《南京邮电大学》2016年硕士论文
【摘要】：能源是社会的重要基础资源。许多可再生能源未被采集利用,由此能量采集技术应运而生。所谓能量采集技术主要是指将环境中被空置的能源利用俘能装置采集起来为使用终端供电。本文为提高压电俘能器的宽频响应能力,提出了臼型压电俘能器和双音叉式压电俘能器;为提高压电俘能器在二阶弯曲模态下的俘能效率,以矩形压电片为模型进行优化,设计了一种非对称式单晶双压电片俘能器,并评估了这种新型俘能器的发电特性。首先,深入分析了矩形压电片的发电特性,建立能量转换的数学模型,给出两种振动回收模式(d31和d33)下的理论分析过程,推导出两种模式下的输出电压模型和输出功率模型。建立了双压电片的应力-位移模型,以此来评估双压电片的频率特性。其次,设计了臼型和双音叉式压电俘能器,进行了建模、静态、模态和谐响应分析,得到臼型压电俘能器的输出电压5V以上的宽频响应区间为55~78Hz,双音叉式压电俘能器输出电压在8V以上宽频响应区间15~50 Hz。最后,对矩形俘能器进行优化设计,设计出非对称式单晶双压电片俘能器。引入分段比λ、间隙比α和电压频率密度β三个量来优化非对称式双压电的结构尺寸。最终结果显示,在λ的取值范围在0.6~0.7之间时,能够实现较好的宽频效果。非对称式双压电片的应变值是矩形压电片的2.4倍,静态开路电压是矩形压电片的1.4倍;且二阶频率处峰值电压约是矩形压电片的60倍,说明这种结构实现了提高二阶输出的目的。按照模型制作出相应地非对称式和矩形压电俘能器、搭建出相应的实验系统、最终进行实验验证。实验结果表明,在30~50Hz,非对称式压电俘能器的俘能效果是矩形能量收集器的大约2.21倍;对于连续输出电压在1.5V以上的频带宽度,非对称式压电俘能器的宽频效应是矩形能量俘能器的7倍。后续依据d31和d33模式设计的双模式下的压电装置,最高峰值电压从4.2V增大到8V,输出电压提高了90.5%。
[Abstract]:In order to improve the energy efficiency of a piezoelectric energy harvester , the energy harvesting technology is designed to improve the power generation characteristics of the piezoelectric energy harvester . The results show that the energy harvesting efficiency of the piezoelectric energy harvester can be improved by using the rectangular piezoelectric sheet . The results show that the energy harvesting efficiency of the piezoelectric energy harvester is about 2.21 times that of the rectangular piezoelectric sheet .
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
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，本文编号：1916487
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