面向环境能量的压电-电磁复合俘能技术研究

发布时间：2020-07-13 20:07

【摘要】：随着低功耗器件的普及,无线传感器网络正悄然改变信息获取和处理的方式,但日趋减小的设备尺寸与待机时长之间的矛盾更为凸显,节点的工作寿命和电源的更换难度都对现有技术提出巨大挑战。近年来,能量采集技术的兴起为此提供一种合理可行的解决方案,用于环境能量采集的装置具有极高的发展潜力和应用前景。本文对已有的振动能量采集技术进行整理分析,提出一种新型压电-电磁复合能量采集装置用于收集流致振动产生的机械能。具体工作如下:(1)分析无线传感器网络的优势与缺陷,梳理能量采集技术发展现状,概述能量采集技术原理和流致振动理论,并对相关的数学模型和现有的能量采集装置进行介绍。(2)设计并制作了一种压电-电磁复合能量采集装置,用于采集流致振动产生的机械能,能量密度为98.88μW/cm~3,装置包括支撑结构、流固耦合结构、压电双晶片、线圈、磁铁和管理电路。支撑结构作为基础部分,为其他部件提供固定点;压电片自由端与耦合结构相连,磁铁安装在耦合结构上。耦合结构在流场中发生流致振动,将流体动能转换成电能,通过管理电路把俘获的能量存储在电容中。(3)使用COMSOL Multiphysics软件对能量采集装置工作中的物理过程进行仿真分析,包括三项内容:流固耦合仿真、压电振动仿真和电磁振动仿真,所得结论用于指导实物设计。(4)使用多种重量的质量块对PZT压电悬臂梁进行频率响应测试,研究合理的质量块范围;使用Altium Designer软件设计了一种可根据系统需求叠加片数的圆形平面线圈,有效增加电磁单元的采集效率;设计制作了一种磁极互斥装置并测试输出特性,验证其收集低频振动能的可行性,并提出其与压电悬臂梁复合进行能量采集的设计思路。(5)使用SolidWorks软件设计耦合结构并通过3D打印制作实物,包括圆形、多边形、翼形等多种截面形状的柱体,在风洞中对所设计的结构进行性能测试,分析不同耦合结构在流场中产生的振动响应。(6)为实现对俘获能量的存储与利用,针对压电单元的高压高阻特性和电磁单元的低压高电流特性,采用基于LTC3588-1和LTC3108-1芯片的能量管理电路,实现对储能元件的充放电,并通过风洞对其实际工作情况进行测试。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM619;TP212.9;TN929.5
【图文】：

电池寿命,电池容量,占空比

但基于现有技术仍无法充分发挥这些特性，主要障碍在于传统电池的有限容量和极短寿命（如图1.1 和表 1.1 所示）[4]。传感器节点运行需要稳定的功率源，目前多由化学电池提供，有限的能量密度使电池占据节点的大部分体积的同时又无法长期稳定工作。此外网络中节点数目众多，位置分散，所处环境复杂，更换维护成本昂贵，使节点的微型化和待机时长的矛盾更为凸显。为解决该问题，近年来人们将目光转向能量采集技术（Energy Harvesting Technology, EH），通过设计合理的能量采集装置，将环境中的能量转换为可用电能，为电子设备供能[4-7]。图 1. 1 电池容量与电池寿命及工作占空比之间的关系环境中存在多种可回收能源，风能是目前最具商业化前景的可再生清洁能源，大型风力发电机（Wind Power Generation, WPG）已在大功率发电领域广泛应用，全球年装机数量稳步提升，

卡门涡街,漩涡,流体流,分离点

但如果长时间处于抖振状态，会导致结构疲劳，减短结构寿命。在实际情况下，流体中的结构发生振动时通常是几类振动方式共存，并相互影响。当前流致振动的研究中，对涡激振动和颤振的研究最为深入，其应用也最广泛。2.2 涡激振动2.2.1 涡激振动现象15 世纪，达芬奇在处于流体中的钝体后画了一连串漩涡；1878 年，Strouhal 从琴弦振动现象中发现风鸣音调与风速和弦线粗细之商成正比；1879 年，Rayleigh 发现当小提琴的琴弦与风向正交时，就会发出乐音；1908 年，Bénard 将圆柱体后尾流与周期性联系起来；直到 1912 年，Von Karman 对理想化的涡街做了一系列理论研究和实验工作，提出“卡门涡街”（Karman VortexStreet），是涡激振动现象理论研究的一个里程碑[38]。在足够高的流速下作用下，钝体的尾流形成交错排列的涡流，这些涡流周期性地从钝体的顶部和底部交替脱落，这种现象称为卡门涡街，如图 2.1 所示[39,40]。这些交替脱落的漩涡导致钝体两侧产生于来流垂直方向上周期变化的流体作用力，如果钝体非完全刚性或处于弹性支撑，钝体就会产生振动，该现象称为涡激振动[33,41]。

漩涡,泄放,雷诺数,形式

南京航空航天大学硕士学位论文柱体为例，特征长度 Dc等于圆直径，其漩涡形成及泄放形式随 Re 值的变化如图 2.2 所示。图可见，当 Re 小于 5 时，流场中不会发生分离现象；当 Re 超过 40 时开始出现周期性交替放的层流漩涡；当 Re 超过 300 时流场中出现周期性的紊流漩涡；当 Re 超过 3×105时，漩涡放不具备周期性；当 Re 超过 3×106时，为超临界阶段，流场又恢复周期性紊流[33]。(a)Re<5 (b)(5-15)≤Re<40(c) 40≤Re<150 (d) 300≤Re<3×105

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