【摘要】：對于能源短缺問題,人們一直以來都在尋求解決的方法,其中利用環(huán)境振動進行自供電的微型電子設備倍受很多研究學者的青睞,尤其是對于壓電式結構俘能器更加喜歡,這其中的原因在于壓電結構簡單且容易實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)及多穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象,這樣便更有利于提高發(fā)電的效率。生活中,基于環(huán)境振動的形式有很多,而將雨滴的動能通過裝置轉換為電能已經(jīng)被證明是可行的。目前對于雨滴動能能量俘獲的研究,基本上是直接利用雨滴沖擊壓電材料而達到發(fā)電效果,這樣不僅需要大面積的壓電材料,而且也會大大降低其動能能量收集效率,從而達不到經(jīng)濟要求。因而,將壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)用于雨滴動能能量的收集,已經(jīng)成為了一種新型的研究方向。本文以壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象,利用數(shù)值模擬和實驗測試研究了雨滴參數(shù)以及結構參數(shù)對發(fā)電系統(tǒng)動力學特性的影響,這一項研究將對于在雨滴沖擊的實際情況下,壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)的設計及其應用都會有指導意義。本文主要研究工作包括以下幾個方面:1.全面地總結了壓電發(fā)電的情況,主要是壓電發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、研究進展和研究成果,其中對產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)結構的非線性特性有很詳細的講解。另外,著重介紹了國內(nèi)外研究學者對于雨滴動能能量收集的現(xiàn)階段研究情況。2.建立了一種壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)模型,利用牛頓第二定律建立了系統(tǒng)的動力學方程。由于磁力是系統(tǒng)產(chǎn)生非線性特性的重要因素,所以在建立系統(tǒng)模型的過程中,也建立了兩個永磁鐵之間的磁力模型。除此之外,將雨滴沖擊過程壓電梁的過程,建立成為一種矩形脈沖激勵模型,這樣就方便接下來的研究。3.利用MATLAB軟件對系統(tǒng)的動力學方程進行數(shù)值求解,得到了不同雨滴直徑下系統(tǒng)輸出電壓曲線,系統(tǒng)運動位移時域圖和系統(tǒng)運動相圖,結果表明雨滴直徑越大,系統(tǒng)具有一定的能量,越容易可以突破響應閾值,進而做大幅運動。另外,在連續(xù)雨滴沖擊下,系統(tǒng)輸出功率隨雨滴直徑增加會有一個明顯的提高。同時,研究了不同磁鐵間距對系統(tǒng)輸出功率的影響,研究表明磁鐵間距只要在一個合適的范圍內(nèi),系統(tǒng)的輸出才會呈現(xiàn)出最佳狀態(tài)。4.通過數(shù)值仿真,研究了不同降雨強度下,系統(tǒng)的動力學特性,根據(jù)不同降雨強度下系統(tǒng)的仿真曲線顯示:環(huán)境降雨強度越大,系統(tǒng)越容易做大幅運動,壓電梁的變形就越大,其發(fā)電功率就越好。5.設計了一種壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)結構,搭建試驗平臺,通過比較實驗結果和理論結果,分析了雨滴直徑、磁體間距和懸臂梁厚度對雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)輸出響應的影響,理論結果和實驗結果。通過以上研究工作,驗證了使用雙穩(wěn)態(tài)壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)對雨滴動能能量進行收集的可行性。較為全面地獲得了系統(tǒng)的動力學特性以及主要參數(shù)影響系統(tǒng)產(chǎn)生大幅運動的規(guī)律,為該能量俘獲方法提供了理論和實驗基礎,為其結構設計提供了指導依據(jù)。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM619
【圖文】：

能量俘能器能夠從諸如機械振動、地熱、潮汐、聲音和太陽能等來源進行發(fā)電[6前，對于環(huán)境能量的捕獲，人們已經(jīng)研究了很多方面，其中最常用的能量轉換裝置可以收集太陽能的電池，這個裝置的原理其實很簡單，就是使太陽照射在裝置上，內(nèi)部會發(fā)生光生伏特現(xiàn)象，進而將太陽輻射的能量直接轉化為人們可以利用的電能年美國貝爾實驗室首先研發(fā)了一種硅基太陽能電池，其原理[7]如圖 1-1 所示，實驗表池的轉化率可以達到 6％。另外，人們研發(fā)了風能發(fā)電，2009 年西北工業(yè)大學和美ll 大學聯(lián)合研制了一種以葉片為主要結構的風能收集器，如圖 1-2 所示，這種風能收速為 8 m/s時，可以產(chǎn)生的輸出功率可以達到 296μW[8]。此外，基于聲能收集技術們研究的對象，2017 年秦衛(wèi)陽等人設計了一種諧振增強型聲能采集器，如圖 1-3 所壓為 110dB 的聲波激勵下，產(chǎn)生 409μW 的最大輸出功率[9]。此外，人們對于熱能也有所研究，2011 年 Francioso 等人研制出一種柔軟型熱能收集裝置，可以在溫度，產(chǎn)生的輸出功率可以達到 32nW[10]，這也是其最大的發(fā)電功率，如圖 1-4 所示，基于熱電效應，具體來說就是受熱物體隨著溫度升高便在內(nèi)部形成了溫度差，這樣子就會從溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域移動，在這個移動的過程中，這樣內(nèi)部就會，進而將物體的熱能轉換為可用的電能。

能量俘能器能夠從諸如機械振動、地熱、潮汐、聲音和太陽能等來源進行發(fā)電[6前，對于環(huán)境能量的捕獲，人們已經(jīng)研究了很多方面，其中最常用的能量轉換裝置可以收集太陽能的電池，這個裝置的原理其實很簡單，就是使太陽照射在裝置上，內(nèi)部會發(fā)生光生伏特現(xiàn)象，進而將太陽輻射的能量直接轉化為人們可以利用的電能年美國貝爾實驗室首先研發(fā)了一種硅基太陽能電池，其原理[7]如圖 1-1 所示，實驗表池的轉化率可以達到 6％。另外，人們研發(fā)了風能發(fā)電，2009 年西北工業(yè)大學和美ll 大學聯(lián)合研制了一種以葉片為主要結構的風能收集器，如圖 1-2 所示，這種風能收速為 8 m/s時，可以產(chǎn)生的輸出功率可以達到 296μW[8]。此外，基于聲能收集技術們研究的對象，2017 年秦衛(wèi)陽等人設計了一種諧振增強型聲能采集器，如圖 1-3 所壓為 110dB 的聲波激勵下，產(chǎn)生 409μW 的最大輸出功率[9]。此外，人們對于熱能也有所研究，2011 年 Francioso 等人研制出一種柔軟型熱能收集裝置，可以在溫度，產(chǎn)生的輸出功率可以達到 32nW[10]，這也是其最大的發(fā)電功率，如圖 1-4 所示，基于熱電效應，具體來說就是受熱物體隨著溫度升高便在內(nèi)部形成了溫度差，這樣子就會從溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域移動，在這個移動的過程中，這樣內(nèi)部就會，進而將物體的熱能轉換為可用的電能。

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本文編號：2713767