基于压电材料的能量采集研究

论文摘要

能量是发展科技的关键,历史上主要的技术发展都与新能源的利用或能源利用方法的改进相关。尤其是将自然环境中浪费掉的能量进行采集、存储并利用具有显著的环保意义,具有广阔的工程应用前景。本文首先分析了压电悬臂结构受简谐力激励下的能量输出,给出了一种压电陶瓷-金属复合结构压电发电器件的设计,并进行了制备;然后在此基础上进行了试验研究;最后研究了适合低频压电陶瓷-金属结构发电器件的能量采集电路。主要研究内容和结果包括:1.从压电方程入手,分析了压电发电元件在力作用下产生电荷,输出电压的原理,讨论了用于能量采集的压电元件等效电路模型。2.通过振动方程并结合力学边界条件,对悬臂压电梁能量采集进行了理论分析。结果表明:压电悬臂梁是一个高效率的能量采集结构,尤其适合应用在低频振动环境中。3.给出了压电陶瓷-金属层叠结构的悬臂式压电发电机设计方案并进行了工艺制备,构建了试验平台,进行了试件的试验研究,研究分析了激振力作用下产生的能量输出效果。4.给出了压电发电机功率转换与调整电路的设计并进行了实验评测。实验结果表明:悬臂式压电器件在振动稳定且持续的环境中具有较好的应用效果,电容储存的电能可提供微瓦功率量级负载使用,初步实现了电能的存储利用。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 能量采集的意义
• 1.1.2 压电能量采集
• 1.1.3 压电能量采集的研究内容
• 1.2 压电能量采集的国内外研究动态
• 1.3 本文研究内容及意义
• 第二章 采集振动能量的压电装置
• 2.1 压电效应与压电方程
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电方程
• 2.2 压电元件能量采集的基本原理
• 2.3 压电换能器的等效电路
• 2.4 本章小结
• 第三章 压电悬臂能量采集
• 3.1 压电双晶梁的振动分析
• 3.1.1 振动微分方程与自由振动
• 3.1.2 简谐力激励下的压电双晶梁的振动
• 3.2 压电悬臂的能量及电能的产生
• 3.3 本章小结
• 第四章 悬臂式压电发电机设计、制备与试验
• 4.1 设计与制备
• 4.1.1 结构设计
• 4.1.2 压电材料及金属层尺寸的确定原则
• 4.1.3 压电片材料选取
• 4.1.4 中间层材料的选择
• 4.1.5 工艺制备
• 4.2 试件电阻抗测试与分析
• 4.3 试验研究
• 4.3.1 试验原理
• 4.3.2 电能的存储分析
• 4.3.3 试验设备与方法
• 4.3.4 试验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 功率调整与转换电路设计与实现
• 5.1 功率调整电路设计
• 5.1.1 器件的选择
• 5.1.2 功率调整电路设计
• 5.2 实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文工作总结与展望
• 6.1 全文工作的总结
• 6.2 存在的问题与研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在硕士期间发表的主要论文