基于压电材料的振动发电装置的研究

摘要

由于人类环保意识的增强和对未来能源危机的担心，人们开始寻找新能源。在众多新能源中，压电材料以其结构简单、成本低、易于实现等优点在能量收集中的应用越来越受到人们的青睐。
　　 利用压电材料的正压电效应，采集环境振动能量和高压输电系统的磁场能，设计了一种可以把振动及磁场能转换成电能的振动发电装置。压电材料和高性能永磁材料的巧妙结合作为发电装置的核心器件，设计一种悬臂梁结构，当悬臂梁的固有频率等于环境振动或交变磁场的频率时形成共振，从而可吸收最大的外部能量，获得高的发电效率。具体地说，本文主要开展了如下研究：
　　 1.介绍了压电材料发电的基本理论，分析了压电材料性能参数对发电能力的影响；系统地阐述了压电振子振动模式、支撑形式、激励方式等对发电性能的影响，并对压电悬臂梁振动理论进行了分析。
　　 2.基于压电原理和热力学平衡方程，建立了双晶压电悬臂梁的数学模型，并运用有限元分析软件ANSYS对双晶压电悬臂梁的结构进行了模态分析和谐响应分析，对梁的尺寸参数以及激励方式对输出电压的影响进行了静力分析，分析结果与数学模型的预测结果是一致的。
　　 3.制作了单晶压电振子和双晶压电振子；并利用通电螺线管产生的磁场模拟高压电附近磁场，搭建了简谐振动平台，对单晶、双晶压电振子进行了实验研究，研究分析了在不同激励条件下，不同尺寸参数的压电振子的输出电压，并对结果进行了分析比较。利用转子振动试验台对双晶压电振子进行了实验研究。
　　 4.利用两倍压整流电路、超级电容设计制作了整流储能电路，实现了间歇的对外供能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2压电发电的国内外研究现状

1.2.1无需电池的无线发射开关

1.2.2压电发电鞋

1.2.3振动式压电微型发电机

1.2.4能为无线网络供电的压电式袖珍风车

1.2.5依靠肌肉运动提供动力的压电发电系统

1.2.6温湿度传感器供能装置

1.3本课题研究的主要内容

第二章压电材料发电的基本理论

2.1压电效应

2.1.1 正压电效应

2.1.2逆压电效应

2.2压电陶瓷

2.3压电材料的性能参数

2.4压电方程

2.5本章小结

第三章 压电振子的理论分析及仿真分析

3.1压电振子

3.1.1压电振子等效电路及谐振特性

3.1.2压电振子的振动模式

3.1.3压电振子的支撑形式

3.1.4压电振子的激励方式

3.2压电悬臂梁振动理论分析

3.2.1梁的弯曲振动动力学方程

3.2.2压电材料最佳粘贴位置分析

3.2.3悬臂梁式压电振子的基振频率

3.3 双晶压电悬臂梁发电的电压输出特性

3.4 双晶压电悬臂梁的有限元分析

3.4.1金属板和压电陶瓷常数

3.4.2模态分析及谐响应分析

3.4.3静力分析

3.5本章小结

第四章 压电悬臂梁发电装置的设计制作与性能测试

4.1压电振子的制作

4.1.1压电陶瓷材料和基板的选择

4.1.2压电振子外形尺寸设计步骤

4.1.3压电振子的制作工艺

4.2振动平台

4.2.1简谐振动平台

4.2.2转子振动实验台

4.3压电悬臂梁发电装置发电能力测试系统

4.4压电振子实验分析

4.4.1单晶压电悬臂梁分析

4.4.2双晶压电悬臂梁分析

4.4.3双晶压电悬臂梁在随机振动下测试分析

4.5本章小结

第五章 整流储能电路设计

5.1整流电路

5.1.1全桥整流电路

5.1.2倍压整流电路

5.2存储元件的选择

5.3超级电容储能实验

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文及参与的科研项目