本文選題：波浪能轉(zhuǎn)換　切入點(diǎn)：壓電俘能　出處：《清華大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：波浪壓電發(fā)電為海上遠(yuǎn)離陸地傳感監(jiān)測(cè)儀器的持續(xù)供電用電需求提供了新的解決方案。因此,波浪壓電發(fā)電裝置的研發(fā)具有十分良好的應(yīng)用前景,將成為未來(lái)海上監(jiān)測(cè)儀器持續(xù)供電的發(fā)展方向之一。本文研究一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型壓電式波浪能利用裝置。該裝置采用增頻傳動(dòng)將低頻不規(guī)則的波浪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)電所需的高頻穩(wěn)定機(jī)械振動(dòng),利用壓電發(fā)電實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化。本文采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,圍繞波浪、浮體、壓電振子和負(fù)載間的耦合及相互作用,對(duì)裝置實(shí)現(xiàn)波能到電能的轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了機(jī)理性研究。本文首先基于勢(shì)波理論和歐拉-伯努利梁理論,建立了時(shí)域三維波浪-浮體-振子耦合的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。采用驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型,探索了振子的楊氏模量、振子數(shù)以及波要素對(duì)波浪-浮體-振子傳動(dòng)特性的影響規(guī)律;發(fā)現(xiàn)了振子的振動(dòng)頻率幾乎不隨入射波波周期的變化而變化,而隨振子的材料和結(jié)構(gòu)特性(楊氏模量)的變化而顯著變化。隨著振子楊氏模量和振子數(shù)的增加,表征波浪-浮體-振子耦合作用狀態(tài)的反彈比增加。當(dāng)振子楊氏模量和振子數(shù)各自超過(guò)一定閾值后,“傳動(dòng)+釋放”的增頻傳動(dòng)機(jī)制將失效,浮體與振子進(jìn)入“緩沖+反彈”的相互作用狀態(tài)。隨著浮體發(fā)生反彈的頻率增加,傳遞的振子應(yīng)變能功率下降。壓電振子(在上述振子上下表面粘貼壓電薄膜)是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)單元。壓電振子和負(fù)載的耦合特性對(duì)壓電振子的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率有重要影響。無(wú)量綱化的機(jī)電耦合系數(shù)是表征壓電振子所受電致阻尼的重要參數(shù),決定了壓電振子的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。本文系統(tǒng)地研究了壓電薄膜和基板的物理和幾何參數(shù)對(duì)壓電振子機(jī)電轉(zhuǎn)換特性的影響規(guī)律;發(fā)現(xiàn)了壓電薄膜與振子不等長(zhǎng)時(shí)能夠取得更好的機(jī)電耦合特性。在大多數(shù)條件下,兩者的最適長(zhǎng)度比介于0.55和0.75之間。開(kāi)展了機(jī)械增頻式波浪壓電發(fā)電裝置性能的物理試驗(yàn)研究,并記錄了不同波周期條件下浮體振動(dòng)和輸出電壓的歷時(shí)曲線。考慮了波浪、浮體、振子、壓電、負(fù)載的相互作用,建立了波浪-浮體-振子-壓電-負(fù)載的耦合模型。系統(tǒng)地研究了外接電路電阻、壓電振子數(shù)、壓電體長(zhǎng)度、壓電振子和撥片的初始交疊長(zhǎng)度以及波要素變化與系統(tǒng)輸出功率的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)卦黾訅弘娬褡訑?shù)不僅能夠增加系統(tǒng)的輸出功率,同時(shí)還能提高裝置輸出功率的帶寬。
[Abstract]:Wave piezoelectric power generation provides a new solution for the continuous power demand of offshore remote land sensor monitoring instruments.Therefore, the research and development of wave piezoelectric power generation equipment has a very good application prospect, which will become one of the development directions of continuous power supply for offshore monitoring instruments in the future.In this paper, a new piezoelectric wave energy utilization device with independent intellectual property rights is studied.In this device, the frequency increasing drive is used to convert the irregular wave motion of low frequency into the high frequency stable mechanical vibration needed for power generation, and the piezoelectric power generation is used to realize the electric energy conversion.In this paper, the coupling and interaction between wave, floating body, piezoelectric oscillator and load are combined with physical model test and numerical simulation. The mechanism of the conversion from wave energy to electric energy is studied.Based on the theory of potential wave and Euler-Bernoulli beam theory, a three-dimensional wave-floating-oscillator coupling mathematical model in time domain is established in this paper, and the validity of the model is verified by experiments.However, the material and structural characteristics (Young's modulus) of the oscillator vary significantly.With the increase of the Young's modulus and the number of oscillators, the rebound ratio of the wave-floating-oscillator coupling state increases.When the Young's modulus and the number of oscillators each exceed a certain threshold, the frequency-increasing transmission mechanism of "transmission release" will fail, and the floating body and the oscillator will enter the interaction state of "buffer rebound".With the increase of the frequency of the floating body rebound, the transmitted oscillator strain energy power decreases.Piezoelectric vibrator (sticking piezoelectric film on the upper and lower surface of the vibrator) is the system unit to realize electric energy conversion.The coupling characteristics of piezoelectric oscillator and load have an important effect on the output power and conversion efficiency of piezoelectric oscillator.The dimensionless electromechanical coupling coefficient is an important parameter to characterize the electrically induced damping of piezoelectric oscillators, which determines the electromechanical conversion efficiency of piezoelectric oscillators.The effect of physical and geometric parameters of piezoelectric film and substrate on the electromechanical conversion characteristics of piezoelectric oscillator is systematically studied, and a better electromechanical coupling property can be obtained when the piezoelectric film and oscillator are unequal in length.In most cases, the optimum length ratio of the two is between 0.55 and 0.75.The physical experiments on the performance of mechanical frequency increasing wave piezoelectric generator are carried out, and the diachronic curves of the vibration and output voltage of the floating body under different wave periods are recorded.The interaction of wave, floating body, oscillator, piezoelectric and load is considered, and a coupling model of wave, floating body, oscillator, piezoelectric and load is established.The dependence of the external circuit resistance, the number of piezoelectric oscillators, the piezoelectric body length, the initial overlap length of the piezoelectric oscillator and the patch, and the variation of the wave elements on the output power of the system are systematically studied.It is found that properly increasing the number of piezoelectric oscillators can not only increase the output power of the system, but also increase the bandwidth of the output power of the device.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM61

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 方光耀;;二熱源機(jī)的輸出功率與熱效率[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);1985年03期

2 嚴(yán)子浚;二熱源機(jī)的輸出功率與熱效率間的關(guān)系[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);1987年01期

3 ;可控硅中頻熱處理機(jī)[J];電力技術(shù)通訊;1975年07期

4 李則純;;測(cè)量排溫和轉(zhuǎn)速以確定柴油機(jī)輸出功率的可行性分析[J];建筑機(jī)械化;1989年01期

5 鮑茂春;;風(fēng)力機(jī)安裝地點(diǎn)的選擇及輸出功率的估算[J];太陽(yáng)能;1990年01期

6 劉云嬌;;日本利用銅蒸氣激光技術(shù)進(jìn)行鈾濃縮達(dá)到了輸出功率210瓦[J];國(guó)外核新聞;1992年06期

7 馬仁斌;;氦氖激光治療儀輸出功率低故障檢修[J];家電檢修技術(shù);1998年04期

8 蘇忠賢;周建軍;潘玉良;;固定式太陽(yáng)能光伏板輸出功率的若干問(wèn)題[J];機(jī)電工程;2008年12期

9 王岐東,趙華,張學(xué)義,康惠寶;單級(jí)和兩級(jí)相變復(fù)合材料體系隔熱有效性分析[J];北京輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào);1998年02期

10 劉耿;;電源一定向外輸出功率嗎[J];陜西教育(高教版);2009年06期

相關(guān)會(huì)議論文 前7條

1 王立軍;彭航宇;劉云;;大功率垂直腔表面發(fā)射激光器的新進(jìn)展[A];2007年先進(jìn)激光技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研討會(huì)論文集[C];2007年

2 徐麗芬;王明江;劉昌吉;;混勻帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的改進(jìn)[A];2012年全國(guó)地方機(jī)械工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（《機(jī)械》2012增刊）[C];2012年

3 孫哲;李強(qiáng);姜夢(mèng)華;雷訇;惠勇凌;;采用[100]方向的Nd:YAG增大激光器線偏振輸出功率研究[A];中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)大會(huì)摘要集[C];2011年

4 吳川;;關(guān)于UPS的“輸出功率因數(shù)”的討論[A];通信電源新技術(shù)論壇——2010通信電源學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2010年

5 劉宇飛;王琳琳;曹英志;;機(jī)床電機(jī)輸出功率的測(cè)算法[A];第三屆十省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會(huì)科技論壇暨黑龍江省機(jī)械工程學(xué)會(huì)2007年年會(huì)論文（摘要）集[C];2007年

6 黃劍峰;施翔春;;環(huán)形非穩(wěn)腔倒向波抑制的計(jì)算分析[A];2006年全國(guó)光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)會(huì)議文集（C 激光技術(shù)與應(yīng)用專(zhuān)題）[C];2006年

7 鄭延秋;;微波半導(dǎo)體器件研制與生產(chǎn)中需要的一些特殊測(cè)量技術(shù)[A];21世紀(jì)中國(guó)電子儀器發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)文集[C];2004年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 ;電源額定功率和輸出功率的計(jì)算[N];電腦報(bào);2003年

2 成都 鄭國(guó)川;整機(jī)輸出功率的基本保證[N];電子報(bào);2011年

3 杜賽紅;WLAN需要規(guī)劃[N];中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào);2004年

4 張煜林;氙燈，讓汽車(chē)的眼睛更亮[N];中國(guó)汽車(chē)報(bào);2002年

5 山西 張樹(shù)弼;美的EY181型電磁灶檢修三例[N];電子報(bào);2006年

6 廣西 伍如云;高保真雙聲道功放HSH8927[N];電子報(bào);2001年

7 天津 王竹青;看清電腦音箱的輸出功率[N];電腦報(bào);2002年

8 王握文　楊彥青 記者 唐先武;我在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)光纖激光千瓦級(jí)相干合成輸出[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

9 唐先武　王握文 楊彥青;高質(zhì)量激光,我國(guó)實(shí)現(xiàn)大功率輸出[N];中國(guó)技術(shù)市場(chǎng)報(bào);2011年

10 熊朝明;七一六所風(fēng)電項(xiàng)目再獲430萬(wàn)元資金支持[N];中國(guó)船舶報(bào);2009年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 林政;機(jī)械增頻式波浪壓電發(fā)電裝置特性的研究[D];清華大學(xué);2015年

2 劉興杰;風(fēng)電輸出功率預(yù)測(cè)方法與系統(tǒng)[D];華北電力大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 汪X;基于GaAs工藝的2W寬帶功率放大器的研究與設(shè)計(jì)[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

2 柯亭婧;風(fēng)電場(chǎng)輸出功率短期動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)及其應(yīng)用研究[D];重慶大學(xué);2015年

3 劉志;光伏電站輸出功率預(yù)測(cè)研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2016年

4 任麗娜;風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)輪輸出功率的影響及控制[D];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué);2009年

5 郭華旺;兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組輸出功率預(yù)測(cè)研究[D];蘭州交通大學(xué);2012年

6 朱思萌;風(fēng)電場(chǎng)輸出功率概率預(yù)測(cè)理論與方法[D];山東大學(xué);2014年

7 楊曉亮;風(fēng)電場(chǎng)輸出功率預(yù)測(cè)方法的研究[D];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué);2011年

8 周星光;監(jiān)測(cè)微波熱療機(jī)輸出功率衰減的方法和裝置的研究[D];湖南大學(xué);2012年

9 孫涌;大型風(fēng)電場(chǎng)輸出功率協(xié)同預(yù)測(cè)方法研究[D];東北電力大學(xué);2015年

10 陳前程;風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的短期預(yù)測(cè)研究[D];蘭州理工大學(xué);2012年

，

本文編號(hào)：1699840