非接触式压电风能收集系统的研究

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压电式的振动能量收集具有结构简单、易于集成、不发热、机电转换效率高等优点，成为振动能量采集领域研究的重点之一，而风能随处可见，并为绿色能源。采用压电风能收集装置将风能转化为电能并为功耗较低的电子设备或无线传感器节点供电成为可能。本文使用质地柔软、轻薄的PVDF压电薄膜，应变均匀、变形更大的三角形梁和磁性能最好的钕硼铁永磁体，利用环形基架和集约风道配置成非接触式压电风能收集系统，并研究了其风能收集特性。首先，通过比较磁力计算的不同方法，简化了计算精确但形式复杂的四重积分磁力计算公式，得到形式简捷，使用方便的磁力计算公式，并将简化的磁力计算公式用于非接触式压电风能收集系统的建模，得到系统的激励波形为全周期三角波。其次，使用ANSYS有限元仿真分析了单个拥磁梁工作系统的静力学特性、频率特性、阻抗特性及风速对系统输出的影响，并进行了相应的实验验证。结果表明，单个拥磁梁工作系统在激励频率等于梁的一阶固有频率处获得功率极大值12.4μW，对应的匹配阻抗为8MΩ。再次，在不改变磁间距的条件下，采用由多个不同质量块或夹持长度的拥磁梁组成的阵列来拓宽系统的工作风速范围。拥磁梁的固有频率随着质量块的增大而减小；而随着夹持长度的增大而增大。本文将三个不同质量块的拥磁梁进行阵列连接实现了有效拓宽工作风速范围至1.5～2.9m/s；将四个夹持长度不同的拥磁梁进行阵列连接时，实现了有效拓宽工作风速范围至2.8～5.1m/s。另外，实验分析了磁间距对系统输出特性的影响，研究表明开启风速随着磁间距的增大而减小。理论建模分析了风扇的外径、厚度、内外径比和叶片数对系统开启风速的影响，进而确定了最优化数值，最后给出了可以实现较低开启风速的双形态多功能的压电风能收集系统模型。最后，比较了冲击式和非接触式激励的单拥磁梁压电风能收集系统的输出特性。对比结果显示，当风速大于6m/s时冲击式系统的输出功率较高；而当风速小于5m/s时非接触式系统的输出功率较高。并由两个拥磁梁压电风能收集系统实验证明了混合激励式系统同时具有冲击式和非接触式系统的优点，具有较宽的工作风速范围。

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作者
马军红;
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作者单位

大连理工大学;

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授予单位大连理工大学;
学科电子科学与技术
授予学位硕士
导师姓名白凤仙;
年度 2018
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类
关键词
非接触式; 风能;

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