基于壓電材料的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置理論研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

【摘要】： 近年來,隨著通信技術(shù)的發(fā)展,人類對電力需求日趨增強(qiáng),同時增強(qiáng)了環(huán)保意識,對排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格,因此,電力能源及其環(huán)境問題受到學(xué)界廣泛關(guān)注。由于電網(wǎng)供電不方便,在森林、道路、山川等邊遠(yuǎn)地區(qū)的通訊技術(shù)應(yīng)用場合主要使用電池為通信設(shè)備提供電源,但電池供電往往只能解決臨時需要,不能作為長期供電電源,且電池中含有的有害物質(zhì)會污染環(huán)境,由此,利用壓電材料的正壓電效應(yīng)設(shè)置一種壓電裝置可以解決那些不能提供電源、電池不易更換地區(qū)的通訊問題。其原理為：壓電材料在外力作用下振動可以產(chǎn)生電能,所以利用環(huán)境中的風(fēng)能給壓電材料提供振源使其振動產(chǎn)生電荷是可行的。與此同時,把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能具有節(jié)能環(huán)保的作用,還為野外邊遠(yuǎn)地區(qū)的小型或微型無線測量儀器提供一種替代常規(guī)電池的毫瓦級微型電源,是一種理想的可再生能源電池。據(jù)此,本文根據(jù)壓電發(fā)電技術(shù)提出一種新型的基于壓電效應(yīng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置,并對其工作原理和特性作以理論闡釋。 本論文主要研究內(nèi)容如下： (1)壓電振子的理論分析：以材料力學(xué)、振動力學(xué)及壓電學(xué)為基礎(chǔ),根據(jù)壓電發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的基本知識,計(jì)算出風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的核心部分——壓電裝置內(nèi)部的懸臂梁式壓電振子振動特性和電壓特性 (2)新型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：用solidworks軟件設(shè)計(jì)了兩種基于壓電材料的新型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置。 (3)風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的工作原理：方案一是：風(fēng)輪捕獲到風(fēng)能后,通過旋轉(zhuǎn)軸傳遞給壓電裝置,與壓電裝置一起旋轉(zhuǎn)。壓電裝置內(nèi)部的鋼球撞擊懸臂梁自由端,使壓電晶片與懸臂梁一起橫向振動產(chǎn)生電荷,從而把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能.方案二：利用圓柱凸輪原理通過風(fēng)車給壓電振子有一個強(qiáng)迫振幅使其振動產(chǎn)生電荷,把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。 (4)懸臂梁式壓電振子的仿真與分析：用ansys對壓電振子進(jìn)行模態(tài)和靜力分析,得到壓電振子的頻率和振動形態(tài),以及壓電振子產(chǎn)生的電壓與自由端受力及尺寸參數(shù)之間的關(guān)系。 (5)風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的輸出性能分析：分析了風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系以及能產(chǎn)生電荷時風(fēng)速的極限值。 【關(guān)鍵詞】：壓電振子 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置 風(fēng)車裝置 ANSYS軟件
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TM614
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 緒論8-13
• 1.1 課題背景及意義8
• 1.2 壓電發(fā)電的發(fā)展概況8-12
• 1.2.1 壓電發(fā)電的國內(nèi)外研究狀況8-9
• 1.2.2 壓電發(fā)電的應(yīng)用9-12
• 1.3 本文研究的主要內(nèi)容12-13
• 2 PVDF壓電材料及壓電振子概述13-25
• 2.1 聚偏二氟乙烯(PVDF)的發(fā)展及特性13-15
• 2.1.1 聚偏二氟乙烯(PVDF)的發(fā)展13-14
• 2.1.2 聚偏二氟乙烯(PVDF)的特性14-15
• 2.2 壓電材料的特性15-18
• 2.2.1 壓電效應(yīng)15
• 2.2.2 壓電材料的壓電性能參數(shù)15-17
• 2.2.3 壓電方程17-18
• 2.3 壓電振子的外界條件18-21
• 2.3.1 壓電振子的振動模式19
• 2.3.2 壓電振子的支撐方式19-20
• 2.3.3 壓電振子的激勵方式20-21
• 2.4 壓電振子的特性21-24
• 2.4.1 壓電振子的等效電路21-22
• 2.4.2 壓電振子的工作原理22-24
• 2.4.3 壓電振子的電壓輸出24
• 2.5 本章研究的主要內(nèi)容24-25
• 3 壓電振子的理論分析25-32
• 3.1 懸臂梁壓電振子的特性分析25-28
• 3.1.1 懸臂梁的機(jī)械振動分析25-27
• 3.1.2 壓電晶片的最佳粘貼位置27-28
• 3.2 懸臂梁式壓電振子輸出特性28-31
• 3.2.1 懸臂梁式壓電振子自由端受力的橫向位移28-30
• 3.2.2 懸臂梁振子振動產(chǎn)生的電能30-31
• 3.3 本章研究的主要內(nèi)容31-32
• 4 壓電振子的ANSYS建模、仿真與分析32-50
• 4.1 ANSYS軟件在壓電分析中的應(yīng)用32-34
• 4.1.1 關(guān)于ANSYS中的耦合問題32-33
• 4.1.2 ANSYS軟件中模型來源與分析的簡單步驟33-34
• 4.1.3 ANSYS軟件的特點(diǎn)34
• 4.2 壓電振子的有限元模型34-37
• 4.3 壓電振子的模態(tài)分析37-44
• 4.3.1 懸臂梁式壓電振子的模態(tài)分析37-42
• 4.3.2 簡支梁式壓電振子頻率與尺寸參數(shù)的關(guān)系42-44
• 4.4 壓電壓電振子的靜力分析44-46
• 4.4.1 不同邊界條件下的壓電振子靜力學(xué)分析45-46
• 4.4.2 壓電振子靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析46
• 4.5 壓電振子發(fā)電性能的仿真分析46-48
• 4.5.1 懸臂梁壓電振子的電壓輸出仿真46
• 4.5.2 外力對電壓輸出特性影響分析46-47
• 4.5.3 幾何參數(shù)對電壓輸出特性影響的分析47-48
• 4.6 壓電振子的諧響應(yīng)分析48-49
• 4.7 本章研究的主要內(nèi)49-50
• 5 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與理論分析50-63
• 5.1 鋼球撞擊式風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)50-52
• 5.1.1 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的三維模型50-51
• 5.1.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)51-52
• 5.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的工作原理52-53
• 5.3 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的理論分析53-58
• 5.3.1 風(fēng)輪裝置的分析53-54
• 5.3.2 壓電振子自由端沖擊力的計(jì)算54-57
• 5.3.3 懸臂梁式壓電振子機(jī)構(gòu)的約束條件57-58
• 5.4 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的輸出特性58-60
• 5.5 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)方案二60-61
• 5.6 風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的電能捕獲61-62
• 5.7 本章研究的主要內(nèi)容62-63
• 6 結(jié)論與展望63-65
• 6.1 創(chuàng)新點(diǎn)與結(jié)論63-64
• 6.2 后續(xù)研究工作展望64-65
• 致謝65-66
• 參考文獻(xiàn)66-69
• 攻讀碩士研究生期間發(fā)表的論文69
• 攻讀碩士期間申請的發(fā)明專利69

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