基于压电材料的风能转换装置理论研究与创新设计

【摘要】： 近年来,随着通信技术的发展,人类对电力需求日趋增强,同时增强了环保意识,对排放标准要求越来越严格,因此,电力能源及其环境问题受到学界广泛关注。由于电网供电不方便,在森林、道路、山川等边远地区的通讯技术应用场合主要使用电池为通信设备提供电源,但电池供电往往只能解决临时需要,不能作为长期供电电源,且电池中含有的有害物质会污染环境,由此,利用压电材料的正压电效应设置一种压电装置可以解决那些不能提供电源、电池不易更换地区的通讯问题。其原理为：压电材料在外力作用下振动可以产生电能,所以利用环境中的风能给压电材料提供振源使其振动产生电荷是可行的。与此同时,把风能转换为电能具有节能环保的作用,还为野外边远地区的小型或微型无线测量仪器提供一种替代常规电池的毫瓦级微型电源,是一种理想的可再生能源电池。据此,本文根据压电发电技术提出一种新型的基于压电效应的风能转换装置,并对其工作原理和特性作以理论阐释。 本论文主要研究内容如下： (1)压电振子的理论分析：以材料力学、振动力学及压电学为基础,根据压电发电和风力发电的基本知识,计算出风能转换装置的核心部分——压电装置内部的悬臂梁式压电振子振动特性和电压特性 (2)新型风能转换装置的结构设计：用solidworks软件设计了两种基于压电材料的新型风能转换装置。 (3)风能转换装置的工作原理：方案一是：风轮捕获到风能后,通过旋转轴传递给压电装置,与压电装置一起旋转。压电装置内部的钢球撞击悬臂梁自由端,使压电晶片与悬臂梁一起横向振动产生电荷,从而把风能转化成电能.方案二：利用圆柱凸轮原理通过风车给压电振子有一个强迫振幅使其振动产生电荷,把风能转换为电能。 (4)悬臂梁式压电振子的仿真与分析：用ansys对压电振子进行模态和静力分析,得到压电振子的频率和振动形态,以及压电振子产生的电压与自由端受力及尺寸参数之间的关系。 (5)风能转换装置的输出性能分析：分析了风能转换装置输出功率与风速的关系以及能产生电荷时风速的极限值。 【关键词】：压电振子 风能转换装置 风车装置 ANSYS软件
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 课题背景及意义8
• 1.2 压电发电的发展概况8-12
• 1.2.1 压电发电的国内外研究状况8-9
• 1.2.2 压电发电的应用9-12
• 1.3 本文研究的主要内容12-13
• 2 PVDF压电材料及压电振子概述13-25
• 2.1 聚偏二氟乙烯(PVDF)的发展及特性13-15
• 2.1.1 聚偏二氟乙烯(PVDF)的发展13-14
• 2.1.2 聚偏二氟乙烯(PVDF)的特性14-15
• 2.2 压电材料的特性15-18
• 2.2.1 压电效应15
• 2.2.2 压电材料的压电性能参数15-17
• 2.2.3 压电方程17-18
• 2.3 压电振子的外界条件18-21
• 2.3.1 压电振子的振动模式19
• 2.3.2 压电振子的支撑方式19-20
• 2.3.3 压电振子的激励方式20-21
• 2.4 压电振子的特性21-24
• 2.4.1 压电振子的等效电路21-22
• 2.4.2 压电振子的工作原理22-24
• 2.4.3 压电振子的电压输出24
• 2.5 本章研究的主要内容24-25
• 3 压电振子的理论分析25-32
• 3.1 悬臂梁压电振子的特性分析25-28
• 3.1.1 悬臂梁的机械振动分析25-27
• 3.1.2 压电晶片的最佳粘贴位置27-28
• 3.2 悬臂梁式压电振子输出特性28-31
• 3.2.1 悬臂梁式压电振子自由端受力的横向位移28-30
• 3.2.2 悬臂梁振子振动产生的电能30-31
• 3.3 本章研究的主要内容31-32
• 4 压电振子的ANSYS建模、仿真与分析32-50
• 4.1 ANSYS软件在压电分析中的应用32-34
• 4.1.1 关于ANSYS中的耦合问题32-33
• 4.1.2 ANSYS软件中模型来源与分析的简单步骤33-34
• 4.1.3 ANSYS软件的特点34
• 4.2 压电振子的有限元模型34-37
• 4.3 压电振子的模态分析37-44
• 4.3.1 悬臂梁式压电振子的模态分析37-42
• 4.3.2 简支梁式压电振子频率与尺寸参数的关系42-44
• 4.4 压电压电振子的静力分析44-46
• 4.4.1 不同边界条件下的压电振子静力学分析45-46
• 4.4.2 压电振子静力学计算结果分析46
• 4.5 压电振子发电性能的仿真分析46-48
• 4.5.1 悬臂梁压电振子的电压输出仿真46
• 4.5.2 外力对电压输出特性影响分析46-47
• 4.5.3 几何参数对电压输出特性影响的分析47-48
• 4.6 压电振子的谐响应分析48-49
• 4.7 本章研究的主要内49-50
• 5 风能转换装置的创新设计与理论分析50-63
• 5.1 钢球撞击式风能转换装置的设计50-52
• 5.1.1 风能转换装置的三维模型50-51
• 5.1.2 风能转换装置的机构设计51-52
• 5.2 风能转换装置的工作原理52-53
• 5.3 风能转换装置的理论分析53-58
• 5.3.1 风轮装置的分析53-54
• 5.3.2 压电振子自由端冲击力的计算54-57
• 5.3.3 悬臂梁式压电振子机构的约束条件57-58
• 5.4 风能转换装置的输出特性58-60
• 5.5 风能转换装置设计方案二60-61
• 5.6 风能转换装置的电能捕获61-62
• 5.7 本章研究的主要内容62-63
• 6 结论与展望63-65
• 6.1 创新点与结论63-64
• 6.2 后续研究工作展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-69
• 攻读硕士研究生期间发表的论文69
• 攻读硕士期间申请的发明专利69

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