基于压电材料的振动发电装置的研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 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