基于類風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和PVDF懸臂梁收集風(fēng)能的研究

【摘要】：風(fēng)能廣泛存在于自然界,清潔并且可再生,是環(huán)境能量中非常有潛力的一種能源。壓電能量收集技術(shù)由于其高的機電轉(zhuǎn)換系數(shù)、清潔、易于小型化的優(yōu)點,成為能源采集的重點研究對象之一。利用壓電能量收集技術(shù)收集森林、大漠戈壁、空曠田野等自然風(fēng)能為無線傳感網(wǎng)和通訊設(shè)備等低功耗電子產(chǎn)品供電具有較大的研究價值和應(yīng)用前景。 本文設(shè)計了一種類似風(fēng)扇的風(fēng)能收集裝置,并采用PVDF薄膜作為換能材料,實現(xiàn)風(fēng)能-機械能-電能的轉(zhuǎn)換,最終完成風(fēng)能的收集。首先,通過ANSYS仿真分析了矩形、梯形、三角形PVDF懸臂梁的靜態(tài)特性,指出了三角形壓電懸臂梁具有最優(yōu)的輸出電壓特性。其次,針對三角形壓電懸臂梁,仿真分析了不同尺寸參數(shù)及材料參數(shù)對輸出電壓的影響,確定了三角形壓電懸臂梁的底邊長為20mmm,高為60mm；基板材料采用磷青銅,其厚度為0.1mm；壓電薄膜PVDF的厚度為0.05μm。再次,仿真分析了三角形壓電懸臂梁的輸出功率與負(fù)載的關(guān)系特性,得到最大輸出功率為94.7μW,對應(yīng)的匹配電阻為300kΩ。最后,通過實驗研究了風(fēng)扇扇葉數(shù)、風(fēng)扇扇葉與懸臂梁間重疊距離L、風(fēng)速及外接負(fù)載對該風(fēng)能收集裝置輸出電壓、功率的影響,結(jié)果表明,所采用的三角形壓電懸臂梁,當(dāng)風(fēng)扇直徑為12cm時,其最佳的扇葉數(shù)為7片、重疊距離L為3-8mm,在最佳風(fēng)速5-10m/s時,其最大輸出電壓為23.7V,當(dāng)匹配負(fù)載為430kQ時,最大輸出功率為41μW,其最大輸出功率密度接近2mW/cm3。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)能 壓電能量收集 PVDF 壓電懸臂梁 功率密度
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM614
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-19
• 1.1 課題背景及其研究意義8-9
• 1.2 壓電發(fā)電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-18
• 1.2.1 壓電材料9-12
• 1.2.2 壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)12-18
• 1.3 本課題的主要工作18-19
• 2 基于壓電效應(yīng)的風(fēng)能收集19-32
• 2.1 壓電效應(yīng)及壓電材料19-20
• 2.2 壓電振子20-22
• 2.3 不同形狀懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變和電壓靈敏度分析22-29
• 2.3.1 懸臂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析22-25
• 2.3.2 懸臂梁電壓靈敏度分析25-29
• 2.4 基于壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)能收集29-31
• 2.4.1 類風(fēng)扇結(jié)構(gòu)-實現(xiàn)風(fēng)能到機械能的轉(zhuǎn)換29-30
• 2.4.2 壓電懸臂梁-實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換30-31
• 2.5 本章小結(jié)31-32
• 3 壓電懸臂梁收集風(fēng)能的仿真分析32-47
• 3.1 壓電懸臂梁有限元建?？傮w概述32-33
• 3.2 壓電懸臂梁的靜力學(xué)分析33-42
• 3.2.1 壓電懸臂梁材料及壓電參數(shù)33-34
• 3.2.2 不同形狀壓電懸臂梁的靜力學(xué)分析34-38
• 3.2.3 不同參數(shù)對三角形壓電懸臂梁性能的影響38-42
• 3.3 壓電懸臂梁的阻抗分析42-46
• 3.3.1 矩形壓電懸臂梁阻抗分析42-43
• 3.3.2 梯形壓電懸臂梁阻抗分析43-44
• 3.3.3 三角形壓電懸臂梁阻抗分析44-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 4 風(fēng)能收集裝置及實驗研究47-55
• 4.1 風(fēng)能收集系統(tǒng)設(shè)計47-48
• 4.2 風(fēng)能收集系統(tǒng)實驗研究48-54
• 4.2.1 壓電懸臂梁的制作49
• 4.2.2 扇葉個數(shù)對輸出電壓的影響49-50
• 4.2.3 壓電懸臂梁與風(fēng)扇扇葉間重疊距離L對輸出電壓的影響50-51
• 4.2.4 風(fēng)速對輸出電壓與輸出功率的影響51-53
• 4.2.5 負(fù)載阻抗對輸出電壓的影響53-54
• 4.3 本章小結(jié)54-55
• 結(jié)論55-56
• 參考文獻56-59
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況59-60
• 致謝60-61

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