基于圆柱绕流的间接激励式压电风力发电机研究

发布时间：2020-04-01 09:56

【摘要】：为满足自然环境下微功率无线传感监测系统的自供电需求、提高其可靠性及风速适应性,本文提出一种基于圆柱绕流的间接激励式压电风力发电机,利用壳体间接激励组合换能器实现压电振子单向变形,从理论仿真和试验两方面进行了系统的研究。具体研究内容如下:1.建立了由压电振子与支架组成的组合换能器的COMSOL仿真模型,研究了压电振子长度比(压电陶瓷长与基板之比)/厚度比(压电陶瓷厚与基板之比)/宽度和支架高度等结构参数、附加质量及激振频率等对压电振子表面应力、组合换能器固有频率及输出特性(输出电压与功率)的影响规律,结果表明:(1)压电振子表面最大应力随长度比及支架高度增加而增大、随宽度及厚度比增大而逐渐减小;(2)组合换能器工作在一阶振型时压电振子表面产生电荷极性相同、发电量最大;固有频率及等效刚度随长度比/厚度比/宽度及支架高度增大而增大、随附加质量增大而减小;(3)分别存在最佳的附加质量、负载电阻和激振频率使输出功率最大。2.建立了压电风力发电机的COMSOL仿真模型,研究了风速、壳体直径、扰流板间径比(间距与壳体直径之比)及高度等参数对风场分布及壳体升力特性(幅值与脱涡频率)的影响规律;建立了发电机的动力学模型,研究了壳体质量及弹簧等效刚度等相关参数对其动态响应特性的影响规律,结果表明:(1)无扰流板时升力系数为标准正弦信号,脱涡频率随风速增大和壳体直径减小而增大;(2)有扰流板时,壳体及风场间的耦合关系受扰流板参数影响,间径比介于0至1.3之间和扰流板高度大于100mm时,壳体背流面均出现紊流区域、升力幅值呈负向偏置且脱涡频率随扰流板间径比/高度增大而减小。3.为验证理论与仿真结果的正确性,搭建了发电机测试系统并进行了试验研究,采用概率密度分析法对电压时域波形进行分析,获得了壳体/组合换能器质量、扰流板间径比/高度及壳体直径等参数对发电机输出电压与壳体振幅的影响规律;在此基础上研究了风速、间径比及负载电阻对发电机输出功率的影响规律,结果表明:(1)输出电压随着壳体质量增加而减小,存在最佳组合换能器质量(65g)使输出电压最大,且壳体振幅随壳体/组合换能器质量增加而减小;(2)存在最佳的间径比(约0.6)/扰流板高度(160mm)/壳体直径(70mm)使输出电压/振幅最大;(3)间径比为0.57时最佳负载电阻为200kΩ,最大输出功率为0.28mW。
【图文】：

卡门涡街及脱涡激振力

接激励壳体内的组合换能器受惯性力作用弯曲发电，该过程中流体动能转化为发电机的振动能，并利用压电效应将振动能转化为电能，其基本原理框图如 0 所示。图3.1 结构原理图压电流体发电机的基本原理框图压电风力发电机工作过程中组合换能器受壳体间接激励，与流体不直接接触，且工作时压电振子表面仅承受压应力，通过装配预弯实现单向弯曲发电，进一步提高其寿命，具有高可靠性；此外，发电机可通过附加质量及刚度调节系统固有频率，，具有动态特性调节范围宽、流体适应性强的特点。第 3 章 压电风力发电机的建模与仿真分析
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315

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本文编号：2610302