發(fā)布時(shí)間：2018-05-14 03:13

  本文選題：森林風(fēng) + 壓電振動(dòng)能量�。� 參考：《北京林業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到大力推廣,如果節(jié)點(diǎn)的電能供給問(wèn)題得不到解決,那么為數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點(diǎn)換電池也是個(gè)難題。因此,林區(qū)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)自供電問(wèn)題得到了廣泛關(guān)注,從環(huán)境中收集諸如太陽(yáng)能、風(fēng)能、溫差能等方式得到了越來(lái)越多的研究。本文著眼于微風(fēng)能收集的方式,雖然電磁方式的發(fā)電機(jī)技術(shù)已經(jīng)很成熟,但是壓電發(fā)電方式由于其發(fā)電性能良好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工制作等特點(diǎn)得到了國(guó)內(nèi)外的關(guān)注,本文用風(fēng)速杯式壓電能量收集的方式收集微風(fēng)能,為風(fēng)致多方向壓電能量收集的發(fā)展提供支撐。本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：1、森林風(fēng)特性分析,主要以鷲峰林場(chǎng)入口處觀測(cè)到的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,通過(guò)風(fēng)玫瑰圖可以得出各月份的風(fēng)速和風(fēng)向的分布情況,然后用數(shù)據(jù)擬合了韋伯風(fēng)速概率密度函數(shù)和高斯風(fēng)速概率密度函數(shù),高斯風(fēng)速概率密度函數(shù)的擬合度更高,經(jīng)過(guò)檢驗(yàn),選取高斯風(fēng)速概率密度函數(shù)來(lái)進(jìn)行后續(xù)的風(fēng)能預(yù)估計(jì),說(shuō)明收集微風(fēng)能具有一定的可行性,而且應(yīng)該研制多方向壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)。2、進(jìn)行了懸臂梁式風(fēng)致壓電能量收集結(jié)構(gòu)的WSYS仿真分析。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了兩種振動(dòng)模式的壓電能量收集效果,并針對(duì)在低頻下有較好發(fā)電效果的方式進(jìn)行了電能收集實(shí)驗(yàn),通過(guò)3588-1芯片收集、薄膜電池CBC3112存儲(chǔ),有良好的效果,CBC3112的輸出電壓可以在5分鐘內(nèi)從2.06V上升到3.90 V。3、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路、串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路、并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路和同步開(kāi)關(guān)電荷電路進(jìn)行了參數(shù)掃描分析,參數(shù)掃描分析可以得到不同負(fù)載情況下4種電路的電能收集情況,并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路具有更高的收集效果；介紹了一種優(yōu)化分析仿真方法,可以更加節(jié)省時(shí)間的優(yōu)化電路中的元件參數(shù),以得到更多的電能收集效果；考慮到風(fēng)的振動(dòng)隨機(jī)性,用隨機(jī)信號(hào)代替正弦信號(hào)對(duì)4種電路的功率收集效果進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)同步開(kāi)關(guān)電感電路的電能收集效果更好；提出了一種改進(jìn)的并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路,并進(jìn)行了詳細(xì)的分析,分析它的工作原理并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。4、進(jìn)行了風(fēng)致壓電能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試,結(jié)果說(shuō)明本文所用的風(fēng)速杯式壓電能量收集裝置可以在風(fēng)速為3.5 m/s時(shí)啟動(dòng)產(chǎn)生電能,由于風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)性較大,產(chǎn)生的電壓也存在較大波動(dòng)。風(fēng)速杯可利用的風(fēng)能經(jīng)過(guò)擊打壓電片讓壓電片產(chǎn)生形變,再經(jīng)過(guò)本文改進(jìn)的并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感收集電路和超級(jí)電容的存儲(chǔ),這個(gè)階段的能量轉(zhuǎn)化率達(dá)到14.5%。本文的研究結(jié)果為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)自供電從森林微風(fēng)能的角度提供了一種不同于以往電磁發(fā)電模式的新思路,為風(fēng)致多方向壓電能量收集的發(fā)展提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)。
[Abstract]:In the field of environmental monitoring, wireless sensor network technology has been vigorously promoted, if the node power supply problem can not be solved, then for a large number of sensor nodes to replace the battery is also a problem. Therefore, the problem of wireless sensor node self-supply in forest area has been paid more and more attention, and more research has been done to collect solar energy, wind energy, temperature difference energy and so on from the environment. This paper focuses on the way of collecting wind energy. Although the electromagnetic generator technology has been very mature, piezoelectric power generation has been paid attention to at home and abroad because of its good power generation performance, simple structure, easy to process and manufacture, etc. In this paper, wind energy is collected by wind speed cup piezoelectric energy collection, which provides support for the development of wind induced multi-direction piezoelectric energy collection. The research contents and results of this paper are as follows: 1, Analysis of forest wind characteristics, mainly based on wind speed and wind direction data observed at the entrance of Jiufeng Forest Farm. The distribution of wind speed and wind direction in each month can be obtained by wind rose map. Then the Weber wind speed probability density function and the Gao Si wind speed probability density function are fitted with the data. The Gao Si wind speed probability density function is more fitting. After the test, the Gao Si wind speed probability density function is selected to carry on the follow-up wind energy pre-estimation. It is shown that the collection of wind energy is feasible, and the multi-directional piezoelectric vibration energy collection structure .2should be developed, and the WSYS simulation analysis of the cantilever beam wind-induced piezoelectric energy collection structure is carried out. In this paper, the effects of piezoelectric energy collection in two vibration modes are compared, and the electric energy collection experiments are carried out in order to achieve good power generation effect at low frequency. The CBC3112 storage of thin film battery is achieved by the collection of 3588-1 chip. The output voltage of CBC3112 can rise from 2.06 V to 3.90 V. 3 in 5 minutes. The parameters of standard energy collection circuit, series synchronous switch inductor circuit, parallel synchronous switch inductance circuit and synchronous switch charge circuit are analyzed. The power collection of four circuits under different loads can be obtained by parameter scanning analysis, and the parallel synchronous switch inductor circuit has higher collection effect, and an optimization analysis and simulation method is introduced. It can save more time to optimize the component parameters in order to obtain more power collection effects. Considering the randomness of wind vibration, the power collection effects of four circuits are compared by replacing sinusoidal signals with random signals. It is found that the power collection effect of synchronous switch inductance circuit is better, and an improved parallel synchronous switch inductance circuit is proposed and analyzed in detail. The working principle of the device is analyzed and verified by experiment. Finally, the system experiment and test of wind induced piezoelectric energy conversion are carried out. The results show that the wind speed cup piezoelectric energy collection device used in this paper can generate electricity when the wind speed is 3.5 m / s. Because of the randomness of wind speed and wind direction, the generated voltage fluctuates greatly. The wind energy of the wind speed cup can be deformed by hitting the piezoelectric chip. After the improved parallel synchronous switch inductance collection circuit and the storage of the super capacitor, the energy conversion rate of this stage reaches 14.5%. The results of this paper provide a new idea for wireless sensor network self-supply from the point of view of forest breeze energy, which is different from the previous electromagnetic power generation mode, and provide a certain technical basis for the development of wind-induced multi-directional piezoelectric energy collection.
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP333

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本文編號(hào)：1886075