基于冲击效应的轨道交通压电式多向风能俘获系统设计

摘要

随着轨道交通的跨越式发展，我国高速铁路规模和覆盖面积极速增长，现已成为世界高速铁路建设里程最多的国家。与此同时，高铁中的电子监控设备以及安全状态监测变得越来越重要，其中用于轨道交通状态监测的无线传感器存在着能量供给方面的诸多问题，对我国高速铁路的发展产生了不可小觑的负面影响。而风能作为自然界中储量丰富的环保能源，具有十分可观的利用潜力。随着能量俘获技术的逐渐成熟，利用压电能量收集技术俘获环境风能以实现轨道交通中无线传感器的自供电将能够有效地解决无线传感器的能量供给问题。因此，本文开展基于冲击效应的轨道交通压电式多向风能俘获系统设计，所提出的风能俘获系统收集轨道交通沿线的自然风和列车经过时所产生的列车风，利用冲击效应俘获压电能量并达到为无线传感器节点供电的目的，具有较高的工程实用意义和良好的环境效益，为推动我国轨道交通运营的安全可持续发展提供了技术方案。本文的主要研究工作如下：　　首先，压电式多向风能俘获系统的方案原理介绍和模块化设计。通过综述分析国内外现有能量俘获的研究成果，本文提出了一种基于冲击效应的轨道交通压电式多向风能俘获系统，并介绍了系统组成和工作原理。基于模块化设计的理念，对系统的多向风能俘获模块、冲击变形放大模块、压电转换发电模块和能量存储利用模块进行了设计，并在SolidWorks软件中建立了整个系统的三维模型。　　其次，压电式多向风能俘获系统的理论分析与性能仿真。基于对压电效应、压电悬臂梁等相关理论知识的了解学习，本文对多向风能俘获系统将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的过程进行了理论分析。对照轨道交通环境下的不同风况，在COMSOLMultiphysics5.3a有限元软件中进行了相应的流体输入设定，并对所提出三种不同工作模型的压电式多向风能俘获系统进行了多物理场耦合仿真分析。仿真结果表明本文所设计系统对于轨道交通中的风能俘获和压电转换有着较好的增益效果。　　最后，压电式多向风能俘获系统样机制作及其试验研究。本文制作了压电式多向风能俘获系统样机以验证其工作性能。利用西南交通大学?1.2m空气动力学试验系统平台，对系统在轨道交通环境中不同输入风速以及不同工作模型下的压电转换特性进行了测试分析，结果显示第三种工作模型在6.5m/s的最佳风速下，单个系统输出功率可达到4.35mW。最终试验结论与仿真结论一致，初步证明了压电式多向风能俘获系统可为轨道交通沿线低功率微型传感器和小型应急设备供电的可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究发展现状

1.2.1 传统风能收集的发展现状

1.2.2 电磁式能量收集的发展现状

1.2.3 压电式能量收集的发展现状

1.3能量俘获在自供电传感器上的应用研究进展

1.4主要内容及结构

1.5本章小结

第2章 轨道交通压电式多向风能俘获系统设计

2.1引言

2.2压电式多向风能俘获系统的模块化设计

2.2.1 压电式风能俘获系统的工作原理

2.2.2 多向风能俘获模块

2.2.3 冲击变形放大模块

2.2.4 压电转换发电模块

2.2.5 能量存储利用模块

2.3本章小结

第3章 压电式多向风能俘获系统的理论基础及仿真分析

3.1引言

3.2风能分析

3.2.1 S 型转子基本参数

3.2.2 S 型转子平均功率

3.2.3 风能利用系数

3.3PVDF压电转化理论分析

3.3.1 压电效应

3.3.2 压电模式

3.3.3 压电悬臂梁

3.3.4 理论建模分析

3.4基于PVDF压电转化模型的有限元仿真

3.4.1 有限元分析法的基础理论

3.4.2 基于 COMSOL Multiphysics 软件的仿真模拟

3.4.3 三种工作模型的静力学分析

3.5本章小结

第4章 压电式多向风能俘获系统的试验与结果讨论

4.1引言

4.2压电式多向风能俘获系统样机制作及试验

4.2.1 多向风能俘获系统样机制作

4.2.2 压电式多向风能俘获系统性能试验

4.3压电式多向风能俘获系统试验结果分析

4.3.1 第一种工作模型的结果分析

4.3.2 第二种工作模型的结果分析

4.3.3 第三种工作模型的结果分析

4.3.4 三种工作模型对比分析

4.4本章小结

第5章 压电式多向风能俘获系统的应用研究

5.1轨道交通风能分析

5.1.1 自然风

5.1.2 列车风

5.2轨道交通压电风能俘获系统

5.3模拟实地测试

5.4本章小结

第6章 全文总结

6.1主要研究工作和结论

6.2不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

索引