【摘要】：隨著環(huán)境污染的加重,發(fā)展新能源已經(jīng)成為我國(guó)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需求;另一方面,隨著減速帶的廣泛使用,汽車通過(guò)減速帶時(shí)所產(chǎn)生的大量振動(dòng)能未被合理利用。減速帶振動(dòng)能量捕獲器能將這部分振動(dòng)能進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)化成電能,代替?zhèn)鹘y(tǒng)供電方式為小型用電設(shè)備提供可持續(xù)電源,能夠帶來(lái)良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。目前減速帶振動(dòng)能量捕獲器多采用線性系統(tǒng)進(jìn)行能量捕獲,工作帶寬很窄,發(fā)電效率較低。本文以提高減速帶振動(dòng)能量捕獲器的發(fā)電效率為目標(biāo),提出了一種新型的雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動(dòng)能量捕獲器,采用理論建模和數(shù)值仿真的方法,深入研究了不同激勵(lì)條件下雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動(dòng)能量捕獲器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。主要研究工作如下:根據(jù)車輛振動(dòng)的簡(jiǎn)化模型,建立了車輛一減速帶系統(tǒng)和雙穩(wěn)態(tài)發(fā)電系統(tǒng)的力學(xué)模型。在1/4和1/2車輛模型下,研究了減速帶形狀對(duì)系統(tǒng)的平均輸出功率及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響,得到了最優(yōu)減速帶形狀;研究了車型對(duì)系統(tǒng)輸出功率及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響,得出雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動(dòng)能量捕獲器系統(tǒng)的發(fā)電量隨著車重的增加而增大。同時(shí)研究了負(fù)載電阻對(duì)系統(tǒng)輸出功率的影響,得到了最優(yōu)負(fù)載電阻。研究了車型和車速分別符合正態(tài)隨機(jī)分布時(shí),均值和方差對(duì)雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動(dòng)能量捕獲器系統(tǒng)均方根功率的影響。在車輛類型呈正態(tài)分布時(shí),研究了質(zhì)量均值對(duì)系統(tǒng)均方根功率的影響,得出激勵(lì)頻率不變,激勵(lì)幅值越大,發(fā)電性能越好;通過(guò)分析質(zhì)量方差對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能的影響,得出質(zhì)量方差越大,激勵(lì)幅值變化越大,大型車輛增多,發(fā)電量增大。在車速服從正態(tài)分布時(shí),研究了車速均值和方差對(duì)系統(tǒng)均方根功率的影響,得到了系統(tǒng)具有較好發(fā)電效果的車速范圍。在車型和車速同時(shí)符合正態(tài)分布的基礎(chǔ)上,研究均值和方差對(duì)雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動(dòng)能量捕獲器系統(tǒng)發(fā)電性能的影響。研究了不同速度方差下質(zhì)量均值對(duì)發(fā)電性能的影響,得出系統(tǒng)的均方根功率隨著質(zhì)量均值的增大而逐漸增大,最后趨于穩(wěn)定;通過(guò)分析不同質(zhì)量均值下質(zhì)量方差對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能的影響,得出當(dāng)通過(guò)減速帶的汽車質(zhì)量較小時(shí),系統(tǒng)的均方根功率值會(huì)隨著質(zhì)量方差的增大而緩慢變大,但當(dāng)汽車質(zhì)量增大到一定值時(shí),系統(tǒng)的輸出功率又隨著質(zhì)量方差的增大而減小。研究了不同條件下速度均值和方差對(duì)發(fā)電性能的影響,得到了雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動(dòng)能量捕獲器系統(tǒng)最大均方根功率時(shí)的最佳車速均值。通過(guò)以上研究工作,得出了不同車速和車重對(duì)雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動(dòng)能量捕獲器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律,為雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動(dòng)能量捕獲器設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ),有利于實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展。
【圖文】：

1 緒論 緒論.1 研究背景和意義能源是社會(huì)繁榮昌盛和人類賴以生存的保障。中國(guó)飛速發(fā)展，各項(xiàng)能源需求不斷增大別是電能的需求無(wú)處不在[1-4]，目前的發(fā)電方式可分為兩大類，第一類傳統(tǒng)形式的發(fā)電如火力發(fā)電；第二類新能源發(fā)電，，比如海洋能發(fā)電[5-6]、太陽(yáng)能發(fā)電[7-8]、風(fēng)能發(fā)電[9-1；而在各種發(fā)電方式中，80%以上是火力發(fā)電[11-12]，且由于煤炭資源具有不可再生性致能源缺乏問(wèn)題越來(lái)越突出。相較于傳統(tǒng)能源，新能源的可再生性、污染少等優(yōu)點(diǎn)使對(duì)新能源越來(lái)越青睞，但是新能源發(fā)電受到一些條件限制會(huì)制約其廣泛應(yīng)用[13]，比如理?xiàng)l件不同會(huì)制約風(fēng)能發(fā)電，天氣情況會(huì)影響太陽(yáng)能發(fā)電，所以設(shè)計(jì)一種不受傳統(tǒng)能制、不受環(huán)境影響的新型發(fā)電方式迫在眉睫。

圖 1-2 機(jī)械式能量捕獲裝置Fig.1-2 Mechanical energy harvesterHayder Aqeel[18]等人提出了一種機(jī)械式振動(dòng)能量捕獲裝置，當(dāng)汽車從減速帶上減速帶受力垂直向下運(yùn)動(dòng)，把齒條的垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電生電能，最后通過(guò)儲(chǔ)存裝置把電壓存儲(chǔ)到電池中。研究表明該能量捕獲器可給路號(hào)燈供電。梅瀟[19]也設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式的減速帶能量捕獲裝置，主要通過(guò)純機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，但是汽車經(jīng)過(guò)減速帶的不連續(xù)以及不確定性使該裝置的使用壽降。李珂[20]設(shè)計(jì)了一種利用齒輪組來(lái)增大位移的減速帶能量捕獲裝置，如圖 1-3 所從減速帶上方經(jīng)過(guò)時(shí)，減速帶下方的彈簧 2 將被壓縮，彈簧產(chǎn)生形變并且儲(chǔ)存滑塊機(jī)構(gòu) 3 帶動(dòng)齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，用齒輪放大機(jī)構(gòu)來(lái)放大電機(jī) 7 的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而快感線進(jìn)行發(fā)電。最后通過(guò)計(jì)算得出每一次的發(fā)電量為 0.0175 度，但未進(jìn)行試驗(yàn)正確性有待考證。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM61

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