带铰接分流板的碰撞式压电风能采集器

【摘要】：无线传感网络的节点数目庞大、分布区域广、工作环境恶劣和工作周期长特点使得传统电池难以满足其需求，将环境能转换为电能的微能源成为其理想的电源。风能是自然界中广泛存在的绿色可再生能源，针对无线传感网络等的需求，开展工作于中低风速下的微型风能采集器研究具有重要意义。 论文在压电式振动能采集器理论模型基础上，采用集总参数模型对基于碰撞的压电式能量采集器的建模方法进行了研究，提出了带铰接分流板的碰撞式压电风能采集器新结构，制作了带铰接分流板的碰撞式风能采集器原理样机，并在小型风洞内进行了测试。本文主要开展了以下研究： (1)在阅读文献基础上，对微型振动能采集器和微型风能采集器的研究现状和发展趋势进行了总结分析； (2)利用集总参数建模方法得到了压电悬臂梁受到球体横向碰撞时的运动微分方程和耦合电路方程，并将模拟结果与实验结果进行了对比； (3)受国内外利用分流板抑制钝体振动研究的启发，提出了两种带铰接分流板的碰撞式风能采集器新结构，并对其工作原理进行了分析； (4)制作了碰撞式微型压电风能采集器原理样机，并在小型风洞内进行了测试，实验结果表明，分流板和压电悬臂梁的间距越小，临界风速越低，在分流板自由端或压电悬臂梁自由端安装质量块可以提高低风速段的输出； (5)分流板与压电片碰撞的原理样机在15m/s风作用下的最大输出功率为64μW，分流板与MEMS压电能量采集单元碰撞的原理样机在13m/s风作用下的最大输出功率为227.5nW，带MEMS压电能量采集单元的分流板与挡块碰撞的原理样机在15m/s风作用下的最大输出功率为65.5nW。 【关键词】：风能采集器 压电 碰撞 铰接分流板
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM919
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-19
• 1.1 引言8
• 1.2 微型振动能采集器和风能采集器国内外研究现状8-17
• 1.2.1 微型振动能采集器国内外研究现状8-14
• 1.2.2 微型风能采集器国内外研究现状14-17
• 1.3 论文的研究意义及主要内容17
• 1.3.1 论文的研究意义17
• 1.3.2 论文主要研究内容17
• 1.4 本章小结17-19
• 2 基于碰撞的压电式能量采集器原理及建模19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 悬臂梁的横向碰撞响应19-24
• 2.3 压电悬臂梁与球体碰撞耦合电路方程24-28
• 2.4 不同参数对采集器输出功率的影响28-30
• 2.4.1 外接负载电阻对采集器功率的影响28-29
• 2.4.2 碰撞速度对采集器输出功率的影响29-30
• 2.4.3 球体质量对采集器输出功率的影响30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 带铰接分流板的碰撞式压电风能采集器结构设计31-38
• 3.1 引言31
• 3.2 风能和风致振动31-34
• 3.2.1 风能理论计算31
• 3.2.2 风致振动31-33
• 3.2.3 铰接分流板抑制风致振动相关研究33-34
• 3.3 风能采集器结构设计34-37
• 3.3.1 分流板与振动能采集器单元碰撞34-36
• 3.3.2 分流板与挡块碰撞36-37
• 3.4 本章小结37-38
• 4 带铰接分流板的碰撞式压电风能采集器加工及实验研究38-57
• 4.1 引言38
• 4.2 MEMS 振动能采集器加工及测试38-44
• 4.2.1 MEMS 压电式振动能采集器工艺设计38-40
• 4.2.2 振动测试平台40-42
• 4.2.3 MEMS 压电式振动能采集器性能测试42-44
• 4.3 风能采集器原理样机加工组装44-45
• 4.3.1 分流板与振动能采集器单元碰撞原理样机组装44-45
• 4.3.2 分流板与挡块碰撞原理样机组装45
• 4.4 小型风洞实验平台45-46
• 4.5 分流板与振动能采集器单元碰撞原理样机实验研究46-53
• 4.5.1 碰撞对采集器性能的影响46-48
• 4.5.2 分流板与压电片的预留初始间距的影响48
• 4.5.3 引入质量块对采集器输出性能的影响48-50
• 4.5.4 输出功率50
• 4.5.5 采用 MEMS 振动能采集器的微型风能采集器实验研究50-53
• 4.6 分流板与挡块碰撞原理样机实验研究53-55
• 4.7 本章小结55-57
• 5 总结与展望57-59
• 5.1 总结57
• 5.2 展望57-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63
• 附录63
• A 硕士期间发表论文63
• B 硕士期间申请专利63

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