新型压电风能收集器的设计与研究

发布时间：2024-06-12 03:24

　　在中国,大大小小的森林数目众多,森林的各项环境指标(如温度、湿度、雨量等等)需要使用无线传感网络对其进行实时监控,然而一个监测系统上布局的传感器数目繁多,对其更换电池相当不易。考虑到森林中风能资源无处不在且风向多变,针对森林中风能的这些特点,本文设计出一款风速杯式压电风能收集器,把环境周边的风能转换成电能,为监测森林环境的传感器系统提供持续不断的电能。希望可以为森林中传感器节点更换电池难的问题,提供一个可行的解决方案。本文查阅了大量有关风能收集的国内外文献,分析和总结了各种风能收集器的工作原理和优缺点,针对森林中风能方向多变的特点,设计出一种风速杯式压电风能收集装置。首先,回顾了压电材料的发电机理,对压电悬臂梁的组成及固定方式做出了总结,演算和推导出三种形状的压电悬臂梁的应变表达式,给出了压电风能收集装置的三维模型并介绍了其工作的基本原理;然后,使用ANSYS Workbench仿真软件对三种形状的压电悬臂梁进行了静力学仿真分析,验证了应变表达式的合理性,研究了尺寸参数和材料参数对压电悬臂梁产生电压的影响规律,此外对压电悬臂梁的动态特性进行了仿真分析,为后续的实验测试部分选取合适尺寸的...

【文章页数】：64 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 振动能量捕获的分类与特点
    1.3 微型风能收集器国内外的研究现状
    1.4 本文主要研究内容
第2章 压电风能收集器的工作原理
    2.1 压电理论基础
        2.1.1 压电效应
        2.1.2 四类压电方程
        2.1.3 压电基本参数
    2.2 压电振子
        2.2.1 压电振子的支撑方式
        2.2.2 压电振子的工作模式
        2.2.3 压电振子的连接方式
    2.3 压电振子的俘能机理
    2.4 不同形状的压电悬臂梁发电能力分析
    2.5 风能收集器的结构设计
        2.5.1 结构的设计及工作原理
        2.5.2 材料的选择
    2.6 本章小结
第3章 压电风能收集器主要部件的参数优化及仿真分析
    3.1 有限元法简要介绍
    3.2 三种形状的压电悬臂梁有限元仿真分析
        3.2.1 压电悬臂梁的材料及压电参数
        3.2.2 压电悬臂梁外观尺寸及边界条件施加
        3.2.3 压电悬臂梁静力分析结果
    3.3 压电悬臂梁结构参数优化
        3.3.1 悬臂梁长度、宽度对产生电压的影响
        3.3.2 金属基片厚度与压电陶瓷片厚度对产生电压的影响
        3.3.3 压电陶瓷片与金属基片长度比对产生电压的影响
        3.3.4 基板材料对悬臂梁产生电压的影响
    3.4 压电悬臂梁的模态分析
        3.4.1 压电悬臂梁的长度对其固有频率的影响
        3.4.2 压电悬臂梁的宽度对自身固有频率的影响
    3.5 压电悬臂梁的谐响应分析
    3.6 本章小结
第4章 压电风能收集器的样机制作与实验研究
    4.1 风能收集器的样机制作
        4.1.1 收集器的主体部分制作
        4.1.2 压电悬臂梁的制作
    4.2 能量收集模块的设计与制作
        4.2.1 能量收集基本原理
        4.2.2 能量收集电路的设计
    4.3 实验平台搭建
        4.3.1 系统原理设计
        4.3.2 实验平台的搭建
    4.4 风能收集器的实验特性分析
        4.4.1 风速对压电悬臂梁输出电压和功率的影响
        4.4.2 外接负载对压电悬臂梁输出电压和输出功率的影响
    4.5 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 回顾与总结
    5.2 工作展望
致谢
参考文献
附录



本文编号：3993152