微小型壓電式風(fēng)能收集器的設(shè)計(jì)與研究

【摘要】：微小型壓電式風(fēng)能收集技術(shù)是微能源領(lǐng)域中新的研究方向,為微小型低功耗器件的供電提供了一種新的思路和方法,具有巨大的應(yīng)用潛力和研究?jī)r(jià)值。但是現(xiàn)有的微小型壓電式風(fēng)能收集器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸出電壓低、功率密度小、能量收集效率低。為了克服現(xiàn)有的壓電式風(fēng)能收集器存在的問(wèn)題,基于壓電原理和風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理,在尾跡振動(dòng)、渦激振動(dòng)、馳振三種單自由度風(fēng)能收集器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文提出了兩種新型的兩自由度微小型壓電式風(fēng)能收集器,即馳振-尾跡風(fēng)能收集器和馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合風(fēng)能收集器,它們均可應(yīng)用于低風(fēng)速環(huán)境中,能夠充分利用尾流中的卡門渦街,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。并對(duì)兩種新型的兩自由度收集器建立了理論模型,進(jìn)行了模擬仿真和理論分析。搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),加工制作了尾跡振動(dòng)、渦激振動(dòng)、馳振、馳振-尾跡、馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合這五種結(jié)構(gòu)的收集器樣機(jī),并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。最后主要從風(fēng)速、質(zhì)量塊面積、內(nèi)梁長(zhǎng)度三個(gè)方面對(duì)這五種結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集器輸出電壓的影響進(jìn)行了對(duì)比研究。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和綜合分析表明:在單自由度風(fēng)能收集器中,渦激振動(dòng)風(fēng)能收集器的輸出電壓高于尾跡振動(dòng)風(fēng)能收集器;新提出的兩種兩自由度風(fēng)能收集器(馳振-尾跡收集器和馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合收集器)與三種單自由度風(fēng)能收集器(尾跡振動(dòng)收集器、渦激振動(dòng)收集器、馳振收集器)相比較,明顯提高了輸出電壓;在兩種新型的兩自由度收集器中,馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合收集器的輸出電壓又高于馳振-尾跡收集器,因而是這五種風(fēng)能收集器中性能最好的。此外,研究結(jié)果也表明當(dāng)外梁長(zhǎng)度一定時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)梁長(zhǎng)度及其末端質(zhì)量塊的面積可以更進(jìn)一步提高兩種兩自由度收集器結(jié)構(gòu)整體的輸出電壓。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)能收集 壓電 風(fēng)致振動(dòng) 兩自由度
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM614
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 符號(hào)對(duì)照表12-17
• 第一章 緒論17-25
• 1.1 研究背景及意義17-18
• 1.2 微小型風(fēng)能收集器的研究現(xiàn)狀18-23
• 1.2.1 渦輪式微小型風(fēng)能收集器18-20
• 1.2.2 風(fēng)致振動(dòng)式微小型風(fēng)能收集器20-23
• 1.3 本文研究目的和內(nèi)容23-24
• 1.4 本章小結(jié)24-25
• 第二章 壓電式風(fēng)能收集器的基本理論25-35
• 2.1 壓電材料25-29
• 2.1.1 壓電效應(yīng)25-27
• 2.1.2 壓電參數(shù)27-29
• 2.1.3 壓電方程29
• 2.2 壓電懸臂梁29-33
• 2.2.1.壓電懸臂梁的工作模式30-31
• 2.2.2 壓電懸臂梁的連接方式31-32
• 2.2.3 壓電懸臂梁的等效電路32-33
• 2.3 風(fēng)致振動(dòng)的分類33-34
• 2.4 本章小結(jié)34-35
• 第三章 三種單自由度壓電式風(fēng)能收集器35-49
• 3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹35-36
• 3.2 尾跡振動(dòng)壓電式風(fēng)能收集器36-39
• 3.2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理介紹36-37
• 3.2.2 風(fēng)速對(duì)輸出電壓的影響37-38
• 3.2.3 質(zhì)量塊的面積對(duì)輸出電壓的影響38-39
• 3.3 渦激振動(dòng)壓電式風(fēng)能收集器39-42
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)與工作原理介紹39-40
• 3.3.2 風(fēng)速對(duì)輸出電壓的影響40-41
• 3.3.3 質(zhì)量塊的面積對(duì)輸出電壓的影響41-42
• 3.4 馳振壓電式風(fēng)能收集器42-48
• 3.4.1 結(jié)構(gòu)與工作原理介紹42-43
• 3.4.2 理論建模43-44
• 3.4.3 風(fēng)速對(duì)輸出電壓的影響44-47
• 3.4.4 阻流體的特征面積對(duì)輸出電壓的影響47-48
• 3.5 本章小結(jié)48-49
• 第四章 馳振-尾跡兩自由度壓電式風(fēng)能收集器49-59
• 4.1 結(jié)構(gòu)與工作原理介紹49-50
• 4.2 理論建模50-51
• 4.3 風(fēng)速對(duì)輸出電壓的影響51-53
• 4.4 質(zhì)量塊的面積對(duì)輸出電壓的影響53-56
• 4.5 內(nèi)梁的長(zhǎng)度對(duì)輸出電壓的影響56-58
• 4.6 本章小結(jié)58-59
• 第五章 馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合兩自由度壓電式風(fēng)能收集器59-71
• 5.1 結(jié)構(gòu)與工作原理介紹59-60
• 5.2 理論建模60-62
• 5.3 風(fēng)速對(duì)輸出電壓的影響62-64
• 5.4 質(zhì)量塊的面積對(duì)輸出電壓的影響64-67
• 5.5 內(nèi)梁的長(zhǎng)度對(duì)輸出電壓的影響67-69
• 5.6 本章小結(jié)69-71
• 第六章 幾種壓電式風(fēng)能收集器性能的比較研究71-81
• 6.1 風(fēng)速對(duì)輸出電壓的影響對(duì)比研究71-75
• 6.1.1 尾跡振動(dòng)與渦激振動(dòng)風(fēng)能收集器的電壓對(duì)比71-72
• 6.1.2 尾跡振動(dòng)與馳振-尾跡風(fēng)能收集器的內(nèi)梁電壓對(duì)比72-73
• 6.1.3 渦激振動(dòng)與馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合風(fēng)能收集器內(nèi)梁電壓對(duì)比73
• 6.1.4 兩種兩自由度風(fēng)能收集器的內(nèi)梁電壓對(duì)比73-74
• 6.1.5 馳振結(jié)構(gòu)與兩種兩自由度風(fēng)能收集器的外梁電壓對(duì)比74-75
• 6.2 質(zhì)量塊的面積對(duì)輸出電壓的影響對(duì)比研究75-79
• 6.2.1 尾跡振動(dòng)與渦激振動(dòng)風(fēng)能收集器的電壓對(duì)比75-76
• 6.2.2 尾跡振動(dòng)與馳振-尾跡風(fēng)能收集器的內(nèi)梁電壓對(duì)比76-77
• 6.2.3 渦激振動(dòng)與馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合風(fēng)能收集器內(nèi)梁電壓對(duì)比77
• 6.2.4 兩種兩自由度風(fēng)能收集器的內(nèi)梁電壓對(duì)比77-78
• 6.2.5 兩種兩自由度風(fēng)能收集器的外梁電壓對(duì)比78-79
• 6.3 內(nèi)梁的長(zhǎng)度對(duì)輸出電壓的影響對(duì)比研究79-80
• 6.3.1 兩種兩自由度風(fēng)能收集器的內(nèi)梁電壓對(duì)比79
• 6.3.2 兩種兩自由度風(fēng)能收集器的外梁電壓對(duì)比79-80
• 6.4 本章小結(jié)80-81
• 第七章 總結(jié)與展望81-83
• 7.1 工作總結(jié)81-82
• 7.2 工作展望82-83
• 參考文獻(xiàn)83-89
• 致謝89-91
• 作者簡(jiǎn)介91-92

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