基于PVDF能量收集器的仿真及制备

发布时间：2016-12-04 15:05

  本文关键词：基于PVDF能量收集器的仿真及制备，，由笔耕文化传播整理发布。

《清华大学》 2015年

基于PVDF能量收集器的仿真及制备

赵冠兴  

【摘要】：随着物联网和可穿戴设备的发展,人们开始从周围环境中提取能源,为其提供电能。在各种形式的能量收集器中,振动能量由于其存在广泛,能量密度高并且易于收集而受到广泛关注,本文关注的是压电能量收集器,采用压电材料把机械形变直接转化为电能。传统的压电能量收集器往往采用压电陶瓷作为功能材料,并且制备了性能优良的器件,然而陶瓷材料存在一些固有的缺点,如韧性差,弹性模量大,环境污染等。理论计算显示聚偏二氟乙烯(PVDF)如果应用在压电能量收集器中,在共振模式下和压电陶瓷处于同一水平,而非共振模式下将超过压电陶瓷,同压电单晶处于同一水平。然而目前的实验测试结果至少比理论值低两个数量级,本文致力于应用PVDF制备高输出功率的悬臂梁压电能量收集器。基于前人的模拟方法,本文首先采用部分耦合分析解模型对PVDF能量收集器进行建模,从压电方程开始入手,最终把器件的平均输出功率表征为振动源振幅、频率和负载的函数。之后采用了一个更加精确的模型—有限元耦合电路计算模型(CPC-FEM),通过对有限元软件和电路计算软件联用,对PVDF悬臂梁能量收集器进行完全耦合分析,着重关注了器件形状参数,外界振动源以及负载对器件性能和PVDF内部最大应力的影响,对这些影响趋势进行归类和分析后,发现限制器件输出功率的源于外界振动的频率和PVDF的最大许用应力,与振动加速度和外形参数无关,因此在给定振动激励和材料最大应力限制下,存在一系列最优的T/L2,可以通过器件优化提高功率输出水平,并且这个优化过程本质上是在提高PVDF悬臂梁的最大内应力。基于这一分析思路,我们对比了两个PVDF器件,原型器件的尺寸为5.2mm×20mm×3.1mm,优化后的器件尺寸为7.3mm×20mm×6.1mm,器件共振频率分别为82.7Hz和34.4Hz,二者分别在共振频率和对应的最佳负载下进行测试,保证振动加速度激励均为5m/s2,如果将振动激励增加到10m/s2,器件输出功率可达259.9μW。测试可得二者输出功率分别为6.0μW和112.8μW,优化后的器件性能明显提升,对比文献中[45-52]的PVDF能量收集器,器件输出功率同样远远领先。本文分别对这个器件采用分析解模型和CPC-FEM模型建模,并对比模拟结果和实验测试结果,发现CPC-FEM模拟结果最为精确,但二者均与实际结果相差不大,这也从另一个方面证明了模型的有效性。最后对全文工作进行了总结,并对下一步的工作进行展望。

【关键词】：
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK019;TB34
【目录】：

摘要3-4

Abstract4-8

主要符号对照表8-9

第1章 绪论9-16

1.1 研究背景9-10

1.2 研究现状10-14

1.2.1 压电材料10-12

1.2.2 器件工作模式12-13

1.2.3 器件结构13-14

1.3 本文主要研究内容14-16

第2章 压电能量收集器的理论研究16-25

2.1 基础理论16-18

2.2 压电悬臂梁的振动模型18-25

第3章 压电悬臂梁的有限元仿真分析25-44

3.1 引言25-26

3.2 有限元建模26-30

3.2.1 器件构型和外电路连接方式27-28

3.2.2 网格划分和边界条件设定28-29

3.2.3 材料阻尼设置29-30

3.3 模拟结果分析30-40

3.3.1 力学分析30-31

3.3.2 模态分析31

3.3.3 频率响应分析31-33

3.3.4 电信号和机械振动相位差33

3.3.5 悬臂梁尺寸对器件性能的影响33-37

3.3.6 质量块对器件性能的影响37-38

3.3.7 振动加速度激励对器件性能的影响38-39

3.3.8 附加电容对器件性能的影响39-40

3.3.9 多层结构对性能的改善40

3.4 器件优化设计40-43

3.5 本章小结43-44

第4章 压电振动能量收集器的测试44-56

4.1 概述44-45

4.2 器件制备工艺45-46

4.3 测试设备和测试方法46-48

4.4 测试结果48-54

4.5 小结54-56

第5章 总结与展望56-58

5.1 总结56-57

5.2 展望57-58

参考文献58-62

致谢62-64

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果64

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