高风速下离心力激振的压电能量收集装置研究

摘要

随着无线技术和微电子器件的发展，无线传感网络已经广泛应用在人们的日常生活中，但传感器的供电问题一直是其应用的瓶颈。我们可以利用大自然中的风能，结合压电材料设计出能量收集装置为传感器供电。目前现有的压电风能收集装置大多应用于低风速环境，无法收集高风速的风能。本论文从压电振子结构与能量转换机构这两方面入手，设计并优化了高风速下离心力激振压电能量收集装置。
　　本文基于压电能量收集理论基础，提出了采用刚性支撑作为压电振子的支撑方式，分析其振动特性为装置提供理论支持。为了解与优化固支梁压电振子的性能，用 Comsol软件对压电振子进行网格划分进行有限元分析，获得了压电振子材料、主体结构与压电片的尺寸参数对能量收集系统的输出电压以及谐振频率的影响规律。仿真结果表明，采用铜材料作为压电振子的材料可以获得更好的发电性能，而压电振子基底与陶瓷片的任一尺寸改变都会对输出电压产生一定的影响；当其他尺寸一定时，压电振子基底主体结构的开槽长度与压电片的厚度在一定范围内对输出电压有重要影响；压电振子基底主体结构开槽长度与间距在一定范围内也会对谐振频率有重要影响。
　　为了使装置可以更好的捕获风能，具有高机电转换效率，分析并设计了偏心涡轮。该偏心涡轮在转动时产生的离心力可作用于压电振子使其变形产生电荷。通过实验优化了偏心涡轮的结构参数以提高其性能。该装置可在高风速下正常工作，在风速55m/s时输出的开路电压峰值达到了47.2V；经过滤波整流后在负载为1MΩ时测得直流电压为27.5V；最大输出功率为3.69mW，输出的能量可以成功点亮发光二极管，输出电压和功率具备为小型电子器件供电的能力。
　　在能量收集电路中，为了改善经典能量收集电路负载匹配度不高的问题，将经典能量收集电路与Boost升压电路结合。通过仿真验证了该电路的可行性。在仿真的基础上搭建整体电路进行实验验证，发现该电路成功的提高了输入电压。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2常用能量环境源的比较

1.3振动能量的收集方式

1.4压电式能量收集器研究与应用

1.5压电能量收集电路的研究

1.6本论文的研究目的及主要内容

第二章 压电能量收集理论基础

2.1压电材料与压电效应

2.2压电材料的特性参数

2.3压电方程及边界条件

2.4压电振子的“31”型压电发电结构与支撑方式

2.5本章小结

第三章 固支梁压电振子能量收集的性能研究

3.1引言

3.2压电振子特性分析

3.3压电仿真模型的建立

3.4材料对压电振子的影响

3.5压电振子基底的尺寸优化

3.6压电振子优化尺寸的选择

3.7本章小结

第四章 压电能量收集装置的研制及实验研究

4.1引言

4.2压电式能量收集装置原理

4.3偏心涡轮的设计及优化

4.4压电振子制备以及装置装备

4.5实验结果与讨论

4.6本章小结

第五章 压电能量收集电路的研究

5.1引言

5.2压电能量存储电路介绍

5.3压电能量收集电路的设计

5.4电路仿真及实验分析

5.5本章总结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2本文创新点

6.3研究展望

参考文献

致谢

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