雨滴冲击压电悬臂梁发电系统的动力学分析

发布时间：2020-06-15 02:40

【摘要】：对于能源短缺问题,人们一直以来都在寻求解决的方法,其中利用环境振动进行自供电的微型电子设备倍受很多研究学者的青睐,尤其是对于压电式结构俘能器更加喜欢,这其中的原因在于压电结构简单且容易实现双稳态及多稳态现象,这样便更有利于提高发电的效率。生活中,基于环境振动的形式有很多,而将雨滴的动能通过装置转换为电能已经被证明是可行的。目前对于雨滴动能能量俘获的研究,基本上是直接利用雨滴冲击压电材料而达到发电效果,这样不仅需要大面积的压电材料,而且也会大大降低其动能能量收集效率,从而达不到经济要求。因而,将压电悬臂梁发电系统用于雨滴动能能量的收集,已经成为了一种新型的研究方向。本文以压电悬臂梁发电系统作为研究对象,利用数值模拟和实验测试研究了雨滴参数以及结构参数对发电系统动力学特性的影响,这一项研究将对于在雨滴冲击的实际情况下,压电悬臂梁发电系统的设计及其应用都会有指导意义。本文主要研究工作包括以下几个方面:1.全面地总结了压电发电的情况,主要是压电发电系统的研究现状、研究进展和研究成果,其中对产生双稳态结构的非线性特性有很详细的讲解。另外,着重介绍了国内外研究学者对于雨滴动能能量收集的现阶段研究情况。2.建立了一种压电悬臂梁发电系统模型,利用牛顿第二定律建立了系统的动力学方程。由于磁力是系统产生非线性特性的重要因素,所以在建立系统模型的过程中,也建立了两个永磁铁之间的磁力模型。除此之外,将雨滴冲击过程压电梁的过程,建立成为一种矩形脉冲激励模型,这样就方便接下来的研究。3.利用MATLAB软件对系统的动力学方程进行数值求解,得到了不同雨滴直径下系统输出电压曲线,系统运动位移时域图和系统运动相图,结果表明雨滴直径越大,系统具有一定的能量,越容易可以突破响应阈值,进而做大幅运动。另外,在连续雨滴冲击下,系统输出功率随雨滴直径增加会有一个明显的提高。同时,研究了不同磁铁间距对系统输出功率的影响,研究表明磁铁间距只要在一个合适的范围内,系统的输出才会呈现出最佳状态。4.通过数值仿真,研究了不同降雨强度下,系统的动力学特性,根据不同降雨强度下系统的仿真曲线显示:环境降雨强度越大,系统越容易做大幅运动,压电梁的变形就越大,其发电功率就越好。5.设计了一种压电悬臂梁发电系统结构,搭建试验平台,通过比较实验结果和理论结果,分析了雨滴直径、磁体间距和悬臂梁厚度对双稳态系统输出响应的影响,理论结果和实验结果。通过以上研究工作,验证了使用双稳态压电悬臂梁发电系统对雨滴动能能量进行收集的可行性。较为全面地获得了系统的动力学特性以及主要参数影响系统产生大幅运动的规律,为该能量俘获方法提供了理论和实验基础,为其结构设计提供了指导依据。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM619
【图文】：

原理图,太阳能电池,原理图

能量俘能器能够从诸如机械振动、地热、潮汐、声音和太阳能等来源进行发电[6前，对于环境能量的捕获，人们已经研究了很多方面，其中最常用的能量转换装置可以收集太阳能的电池，这个装置的原理其实很简单，就是使太阳照射在装置上，内部会发生光生伏特现象，进而将太阳辐射的能量直接转化为人们可以利用的电能年美国贝尔实验室首先研发了一种硅基太阳能电池，其原理[7]如图 1-1 所示，实验表池的转化率可以达到 6％。另外，人们研发了风能发电，2009 年西北工业大学和美ll 大学联合研制了一种以叶片为主要结构的风能收集器，如图 1-2 所示，这种风能收速为 8 m/s时，可以产生的输出功率可以达到 296μW[8]。此外，基于声能收集技术们研究的对象，2017 年秦卫阳等人设计了一种谐振增强型声能采集器，如图 1-3 所压为 110dB 的声波激励下，产生 409μW 的最大输出功率[9]。此外，人们对于热能也有所研究，2011 年 Francioso 等人研制出一种柔软型热能收集装置，可以在温度，产生的输出功率可以达到 32nW[10]，这也是其最大的发电功率，如图 1-4 所示，基于热电效应，具体来说就是受热物体随着温度升高便在内部形成了温度差，这样子就会从温度高的区域向温度低的区域移动，在这个移动的过程中，这样内部就会，进而将物体的热能转换为可用的电能。

收集装置,风能

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