【摘要】：微小型壓電式風能收集技術(shù)是微能源領域中新的研究方向,為微小型低功耗器件的供電提供了一種新的思路和方法,具有巨大的應用潛力和研究價值。但是現(xiàn)有的微小型壓電式風能收集器結(jié)構(gòu)復雜、輸出電壓低、功率密度小、能量收集效率低。為了克服現(xiàn)有的壓電式風能收集器存在的問題,基于壓電原理和風致振動機理,在尾跡振動、渦激振動、馳振三種單自由度風能收集器結(jié)構(gòu)的基礎上,本文提出了兩種新型的兩自由度微小型壓電式風能收集器,即馳振-尾跡風能收集器和馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合風能收集器,它們均可應用于低風速環(huán)境中,能夠充分利用尾流中的卡門渦街,具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,易于實現(xiàn)等優(yōu)點。并對兩種新型的兩自由度收集器建立了理論模型,進行了模擬仿真和理論分析。搭建了實驗平臺,加工制作了尾跡振動、渦激振動、馳振、馳振-尾跡、馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合這五種結(jié)構(gòu)的收集器樣機,并對樣機進行了實驗測試。最后主要從風速、質(zhì)量塊面積、內(nèi)梁長度三個方面對這五種結(jié)構(gòu)的風能收集器輸出電壓的影響進行了對比研究。系統(tǒng)的實驗結(jié)果和綜合分析表明:在單自由度風能收集器中,渦激振動風能收集器的輸出電壓高于尾跡振動風能收集器;新提出的兩種兩自由度風能收集器(馳振-尾跡收集器和馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合收集器)與三種單自由度風能收集器(尾跡振動收集器、渦激振動收集器、馳振收集器)相比較,明顯提高了輸出電壓;在兩種新型的兩自由度收集器中,馳振-渦激結(jié)構(gòu)耦合收集器的輸出電壓又高于馳振-尾跡收集器,因而是這五種風能收集器中性能最好的。此外,研究結(jié)果也表明當外梁長度一定時,通過調(diào)節(jié)內(nèi)梁長度及其末端質(zhì)量塊的面積可以更進一步提高兩種兩自由度收集器結(jié)構(gòu)整體的輸出電壓。
[Abstract]:Micro-piezoelectric wind energy collection technology is a new research direction in the field of micro-energy, which provides a new idea and method for the power supply of micro-and low-power devices, and has great application potential and research value. However, the existing micro-piezoelectric wind energy collector has complex structure, low output voltage, low power density and low energy collection efficiency. In order to overcome the problems existing in the existing piezoelectric wind energy collector, based on the piezoelectric principle and wind-induced vibration mechanism, based on the wake vibration, vortex-induced vibration and galloping vibration, the structure of three single-degree-of-freedom wind energy collectors is presented. In this paper, two new types of two-degree-of-freedom micro-piezoelectric wind energy collectors, namely galloping-wake wind energy collector and galloping-vortex coupled wind energy collector, are proposed. They can be used in low wind speed environment. It can make full use of the Karman vortex street in the wake, and has the advantages of simple structure, compact structure and easy realization. The theoretical models of two new two-degree-of-freedom collectors are established, and the simulation and theoretical analysis are carried out. The experimental platform is set up and the collector prototype of five kinds of structures, including wake vibration, vortex-induced vibration, flutter-wake, galloping-vortex-excited structure coupling, is fabricated, and the prototype is tested experimentally. Finally, the effects of wind speed, mass block area and the length of inner beam on the output voltage of the wind energy collector with these five structures are compared. The experimental results and comprehensive analysis show that the output voltage of vortex-induced vibration wind energy collector is higher than that of wake vibration wind energy collector in single-degree-of-freedom wind energy collector. Two new two-degree-of-freedom wind energy collectors (galloping-wake collector and flashover-vortex coupled collector) are compared with three kinds of single-degree-of-freedom wind energy collectors (wake collector, vortex-induced vibration collector, galloping collector), and two new wind energy collectors with two degrees of freedom (galloping-wake collector and flashover-vortex-excited structure coupling collector) are proposed. The output voltage is obviously increased; In two new two-degree-of-freedom collectors, the output voltage of the coupled flashover-vortex-excited collector is higher than that of the flashover-wake collector, so the performance of the five wind energy collectors is the best. In addition, the results show that when the length of the external beam is fixed, the output voltage of the two-degree-of-freedom collector structures can be further improved by adjusting the length of the inner beam and the area of the end mass block.
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM614

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本文編號：2460802