基于颤振机理的微型压电风致振动能量收集器基础理论与关键技术

发布时间：2020-06-28 10:39

【摘要】：微能源具有体积小、功率密度高、寿命长、绿色环保等优点，是解决微型器件与系统的电源问题的有效途径，受到了国内外研究者的广泛关注。目前微能源的研究主要针对环境中的动能、热能、太阳能等方面的收集与转化，而对于风能收集的微能源研究较少。基于风致振动机理的微型风能收集器具有体积小、结构简单等优点，是微型风能收集器的主要研究方向。论文针对环境中广泛存在的风能，提出了一种基于颤振机理的微型压电风致振动能量收集器。基于压电效应，建立了微型压电风致振动能量收集器的单向耦合集总参数模型、单向耦合分布参数模型和双向耦合分布参数模型，完成了模型的修正；提出了压电梁与柔性梁复合的颤振新结构，建立了微型风致振动能量收集器在轴向风中的线性颤振模型和非线性颤振模型；研究了微型压电风致振动能量收集器的设计方法，提出了T型柔性梁结构、非流线体结构、逆风颤振结构等优化结构；完成了微型压电风致振动能量收集器可靠性封装设计和器件的加工，研制出了原理验证样机；搭建了测试分析平台，完成了原理样机的性能测试与分析。研制出的原理样机体积0.1cm3，在风速12.2m/s时，开路电压有效值为16.4V、输出功率为3.1mW。论文主要工作是： ①研究分析了微型风能收集器的国内外研究现状以及存在的科学与技术问题，提出了基于颤振机理的微型压电风致振动能量收集器研究方案； ②基于Euler悬臂梁理论，建立了微型压电风致振动能量收集器单向耦合的集总参数模型与分布参数模型，研究了不同激励下的输出性能；基于双向压电耦合效应，建立了双向耦合分布参数模型，修正了单向耦合模型；采用有限元分析方法对理论模型进行了验证； ③提出基于颤振机理的压电梁与柔性梁复合的新结构，基于非定常流气动理论方程、Euler悬臂梁理论建立了颤振机理的线性理论模型，采用切比雪夫配点法完成了数值求解；基于Lighthill气动力学模型、悬臂梁的不可拉伸条件建立了非线性颤振理论模型，采用Galerkin模态叠加方法和Houbolt方法完成了非线性颤振模型的数值化求解； ④确定了微型风致振动能量收集器工作风速范围的设计要求；采用颤振理论模型分析了柔性梁尺寸等因素对颤振临界风速等性能的影响，确定了柔性梁尺寸范围；研究了降低临界风速的方法，提出了T型柔性梁、非流线体和逆风颤振结构等三个优化设计方案；开展了微型风致振动能量收集器可靠性封装设计； ⑤完成了微型风致振动能量收集器的加工与组装，研制出了原理样机；搭建了小型风洞测试平台和振动测试平台；分析了微型风致振动能量收集器的颤振过程，完成了顺风结构、T型柔性梁结构、非流线体结构和逆风结构等器件的性能测试与分析；研究了环境风的变化对微型风致振动能量收集器性能的影响，完成了器件的过载保护与封装。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK82
【图文】：

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主要从微型转动风能收集器、理的微型风能收集器、谐振腔结构的微器的研究现状。能收集器器是大型的风力发电机，主要由风扇、收集风能发生旋转，通过转动机构带动如下几个问题：① 结构复杂，微型结构力和材料疲劳在微尺度下更加显著，可靠器的研究主要集中在早期。国理工学院采用激光加工技术制备了 SU了平面铜线圈，组装成电磁式微型转动风 35L/min 流量（约 20-30m/s 的风速）下的涡轮风能收集器还存在线圈匝数少、

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[29-30]，风扇的输出轴带动一个凸轴系统转动。12 个一个圆环上，另一端与凸轴咬合，旋转的凸轴拨动摆动。在 6Hz 的摆动频率下，负载 4.6 k ，输出速成线性关系，但是在 19.3km/h 的风速下压电片 Chang 等人[31]利用扇叶的转动，将稳定流转化为风F 压电膜发生交替的振动，由 PVDF 将风能转化为出电压 4.05V。2012 年南京理工大学孙加存等人[板，每转一周就拨动 PZT 压电片 4 次，实现了风能，输出功率最大 1.16mW。压电悬臂梁的微型转动风能收集器首先将风能转化压电梁的振动，最后由压电效应转化为电能，发生失较大，器件的效率低。

【参考文献】