【摘要】：微能源具有體積小、功率密度高、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是解決微型器件與系統(tǒng)的電源問(wèn)題的有效途徑，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。目前微能源的研究主要針對(duì)環(huán)境中的動(dòng)能、熱能、太陽(yáng)能等方面的收集與轉(zhuǎn)化，而對(duì)于風(fēng)能收集的微能源研究較少�；陲L(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型風(fēng)能收集器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是微型風(fēng)能收集器的主要研究方向。 論文針對(duì)環(huán)境中廣泛存在的風(fēng)能，提出了一種基于顫振機(jī)理的微型壓電風(fēng)致振動(dòng)能量收集器�；趬弘娦�(yīng)，建立了微型壓電風(fēng)致振動(dòng)能量收集器的單向耦合集總參數(shù)模型、單向耦合分布參數(shù)模型和雙向耦合分布參數(shù)模型，完成了模型的修正；提出了壓電梁與柔性梁復(fù)合的顫振新結(jié)構(gòu)，建立了微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器在軸向風(fēng)中的線性顫振模型和非線性顫振模型；研究了微型壓電風(fēng)致振動(dòng)能量收集器的設(shè)計(jì)方法，提出了T型柔性梁結(jié)構(gòu)、非流線體結(jié)構(gòu)、逆風(fēng)顫振結(jié)構(gòu)等優(yōu)化結(jié)構(gòu)；完成了微型壓電風(fēng)致振動(dòng)能量收集器可靠性封裝設(shè)計(jì)和器件的加工，研制出了原理驗(yàn)證樣機(jī)；搭建了測(cè)試分析平臺(tái)，完成了原理樣機(jī)的性能測(cè)試與分析。研制出的原理樣機(jī)體積0.1cm3，在風(fēng)速12.2m/s時(shí)，開(kāi)路電壓有效值為16.4V、輸出功率為3.1mW。 論文主要工作是： ①研究分析了微型風(fēng)能收集器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，提出了基于顫振機(jī)理的微型壓電風(fēng)致振動(dòng)能量收集器研究方案； ②基于Euler懸臂梁理論，建立了微型壓電風(fēng)致振動(dòng)能量收集器單向耦合的集總參數(shù)模型與分布參數(shù)模型，研究了不同激勵(lì)下的輸出性能；基于雙向壓電耦合效應(yīng)，建立了雙向耦合分布參數(shù)模型，修正了單向耦合模型；采用有限元分析方法對(duì)理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證； ③提出基于顫振機(jī)理的壓電梁與柔性梁復(fù)合的新結(jié)構(gòu)，基于非定常流氣動(dòng)理論方程、Euler懸臂梁理論建立了顫振機(jī)理的線性理論模型，采用切比雪夫配點(diǎn)法完成了數(shù)值求解；基于Lighthill氣動(dòng)力學(xué)模型、懸臂梁的不可拉伸條件建立了非線性顫振理論模型，采用Galerkin模態(tài)疊加方法和Houbolt方法完成了非線性顫振模型的數(shù)值化求解； ④確定了微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器工作風(fēng)速范圍的設(shè)計(jì)要求；采用顫振理論模型分析了柔性梁尺寸等因素對(duì)顫振臨界風(fēng)速等性能的影響，確定了柔性梁尺寸范圍；研究了降低臨界風(fēng)速的方法，提出了T型柔性梁、非流線體和逆風(fēng)顫振結(jié)構(gòu)等三個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；開(kāi)展了微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器可靠性封裝設(shè)計(jì)； ⑤完成了微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器的加工與組裝，研制出了原理樣機(jī)；搭建了小型風(fēng)洞測(cè)試平臺(tái)和振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)；分析了微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器的顫振過(guò)程，完成了順風(fēng)結(jié)構(gòu)、T型柔性梁結(jié)構(gòu)、非流線體結(jié)構(gòu)和逆風(fēng)結(jié)構(gòu)等器件的性能測(cè)試與分析；研究了環(huán)境風(fēng)的變化對(duì)微型風(fēng)致振動(dòng)能量收集器性能的影響，完成了器件的過(guò)載保護(hù)與封裝。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：TK82
【圖文】：

主要從微型轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)能收集器、理的微型風(fēng)能收集器、諧振腔結(jié)構(gòu)的微器的研究現(xiàn)狀。能收集器器是大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要由風(fēng)扇、收集風(fēng)能發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)如下幾個(gè)問(wèn)題：① 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微型結(jié)構(gòu)力和材料疲勞在微尺度下更加顯著，可靠器的研究主要集中在早期。國(guó)理工學(xué)院采用激光加工技術(shù)制備了 SU了平面銅線圈，組裝成電磁式微型轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng) 35L/min 流量（約 20-30m/s 的風(fēng)速）下的渦輪風(fēng)能收集器還存在線圈匝數(shù)少、

[29-30]，風(fēng)扇的輸出軸帶動(dòng)一個(gè)凸軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)。12 個(gè)一個(gè)圓環(huán)上，另一端與凸軸咬合，旋轉(zhuǎn)的凸軸撥動(dòng)擺動(dòng)。在 6Hz 的擺動(dòng)頻率下，負(fù)載 4.6 k ，輸出速成線性關(guān)系，但是在 19.3km/h 的風(fēng)速下壓電片 Chang 等人[31]利用扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，將穩(wěn)定流轉(zhuǎn)化為風(fēng)F 壓電膜發(fā)生交替的振動(dòng)，由 PVDF 將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為出電壓 4.05V。2012 年南京理工大學(xué)孫加存等人[板，每轉(zhuǎn)一周就撥動(dòng) PZT 壓電片 4 次，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能，輸出功率最大 1.16mW。壓電懸臂梁的微型轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)能收集器首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化壓電梁的振動(dòng)，最后由壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)生失較大，器件的效率低。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2732909