基于压电效应的路用能量收集器的研究

发布时间：2017-09-21 23:41

  本文关键词：基于压电效应的路用能量收集器的研究

  更多相关文章： 压电效应 拱形压电能量收集器 高承载能力 低频 输出电压

【摘要】：路面中存在着丰富的机械能,对路面能量进行收集不仅符合低碳环保的理念,而且可以减少因能量累积对路面造成的损伤。本文根据路面中荷载特点,利用理论推导及仿真分析的方法对压电能量收集器的结构及能量收集电路进行了设计,并通过搭建能量收集系统实验平台研究了压电能量收集器的发电性能。为设计出与路面耦合特性高的能量收集器,首先对比分析了常用压电能量收集器的结构形式并对具有高承载能力的Cymbal能量收集器的结构特性进行了理论推导及有限元仿真分析。但Cymbal结构的固有频率较高,故将其改进为固有频率较低且刚度相对合适的拱形结构。利用有限元仿真的方法分析了几何参数对能量收集器输出电压及结构固有频率的影响规律及在动态荷载作用下输出电压、电流及功率与负载阻抗和振动频率的关系。结合有限元分析的结果确定了最优的拱形能量收集器结构参数。为将压电能量收集器产生的交流电转化为直流电,设计了具有升降压功能的能量收集电路,并分析了其工作过程,对其输出电压、电感电流及输入电阻进行了理论推导并利用Matlab中Simulink模块对能量收集电路进行了仿真分析。得到占空比、开关频率及电感值对输出电压的影响规律。设计并制作了能量收集电路。根据仿真结果及路面荷载特点,研制了不同结构的拱形压电能量收集器样机,用实验研究的方法分析了环境荷载、外加负载阻抗及几何参数对输出电压的影响规律。当环境荷载大小为10 N,频率为15 Hz,最佳负载阻抗匹配为100k?时,单个拱形压电能量收集器产生的最大电功率达到了61 m W。
【关键词】：压电效应 拱形压电能量收集器 高承载能力 低频 输出电压
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 压电能量收集技术的发展概况10-16
• 1.2.1 压电材料的研究现状10-11
• 1.2.2 压电能量收集器结构研究现状11-13
• 1.2.3 压电能量收集电路的研究现状13-14
• 1.2.4 压电能量收集技术的应用现状14-16
• 1.3 当前研究存在的不足16
• 1.4 本文主要研究内容16-18
• 第2章 压电基本理论及压电能量收集器的结构设计18-33
• 2.1 引言18
• 2.2 压电能量收集技术相关理论的分析18-22
• 2.2.1 压电方程的选择18-20
• 2.2.2 压电能量收集器等效物理模型的建立20-21
• 2.2.3 动态荷载作用下沥青路面响应特征的分析21-22
• 2.3 压电能量收集器的结构设计22-30
• 2.3.1 常用压电能量收集器的结构特性比较22-24
• 2.3.2 Cymbal压电能量收集器的结构特性分析24-28
• 2.3.3 拱形压电能量收集器电学模型的建立28-30
• 2.4 压电能量收集效率理论计算模型的建立30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 拱形压电能量收集器发电性能的有限元分析33-47
• 3.1 引言33
• 3.2 压电能量收集器有限元分析的理论模型33-36
• 3.3 有限元分析的模型与参数36-38
• 3.3.1 有限元分析单元的选择36
• 3.3.2 压电材料与端帽材料的选择36-38
• 3.4 有限元仿真结果与分析38-46
• 3.4.1 压电能量收集器的静力学分析38
• 3.4.2 外界荷载对发电性能的影响38-39
• 3.4.3 负载阻抗对发电性能的影响39-40
• 3.4.4 结构参数对发电性能的影响40-43
• 3.4.5 压电能量收集器谐响应分析43-44
• 3.4.6 压电能量收集器机电耦合作用的分析44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 压电能量收集电路的设计47-57
• 4.1 引言47
• 4.2 压电能量收集电路模型的建立47-49
• 4.3 压电能量收集电路工作过程的理论分析49-51
• 4.3.1 电路工作过程49-50
• 4.3.2 电路工作过程的理论推导50-51
• 4.4 压电能量收集电路的仿真分析51-55
• 4.4.1 电路仿真模型的建立52
• 4.4.2 占空比对输出电压的影响52-53
• 4.4.3 开关频率对输出电压的影响53-54
• 4.4.4 电感值对输出电压的影响54-55
• 4.5 整流滤波电路的硬件实现55-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第5章 压电能量收集器的实验研究57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 拱形压电能量收集器的制备57-59
• 5.2.1 材料的选择57-58
• 5.2.2 金属端帽的制作58
• 5.2.3 拱形压电能量收集器的粘结58-59
• 5.3 实验条件的确定59-60
• 5.4 实验设备的组成60-61
• 5.5 实验方案61-62
• 5.6 实验结果与分析62-65
• 5.6.1 荷载大小及频率对发电性能的影响62
• 5.6.2 外界负载阻抗对发电性能的影响62-63
• 5.6.3 结构参数对发电性能的影响63-65
• 5.7 本章小结65-67
• 结论67-68
• 参考文献68-72
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文72-74
• 致谢74

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