基于类风扇结构和PVDF悬臂梁收集风能的研究

【摘要】：风能广泛存在于自然界,清洁并且可再生,是环境能量中非常有潜力的一种能源。压电能量收集技术由于其高的机电转换系数、清洁、易于小型化的优点,成为能源采集的重点研究对象之一。利用压电能量收集技术收集森林、大漠戈壁、空旷田野等自然风能为无线传感网和通讯设备等低功耗电子产品供电具有较大的研究价值和应用前景。 本文设计了一种类似风扇的风能收集装置,并采用PVDF薄膜作为换能材料,实现风能-机械能-电能的转换,最终完成风能的收集。首先,通过ANSYS仿真分析了矩形、梯形、三角形PVDF悬臂梁的静态特性,指出了三角形压电悬臂梁具有最优的输出电压特性。其次,针对三角形压电悬臂梁,仿真分析了不同尺寸参数及材料参数对输出电压的影响,确定了三角形压电悬臂梁的底边长为20mmm,高为60mm；基板材料采用磷青铜,其厚度为0.1mm；压电薄膜PVDF的厚度为0.05μm。再次,仿真分析了三角形压电悬臂梁的输出功率与负载的关系特性,得到最大输出功率为94.7μW,对应的匹配电阻为300kΩ。最后,通过实验研究了风扇扇叶数、风扇扇叶与悬臂梁间重叠距离L、风速及外接负载对该风能收集装置输出电压、功率的影响,结果表明,所采用的三角形压电悬臂梁,当风扇直径为12cm时,其最佳的扇叶数为7片、重叠距离L为3-8mm,在最佳风速5-10m/s时,其最大输出电压为23.7V,当匹配负载为430kQ时,最大输出功率为41μW,其最大输出功率密度接近2mW/cm3。 【关键词】：风能 压电能量收集 PVDF 压电悬臂梁 功率密度
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-19
• 1.1 课题背景及其研究意义8-9
• 1.2 压电发电国内外研究现状9-18
• 1.2.1 压电材料9-12
• 1.2.2 压电发电结构12-18
• 1.3 本课题的主要工作18-19
• 2 基于压电效应的风能收集19-32
• 2.1 压电效应及压电材料19-20
• 2.2 压电振子20-22
• 2.3 不同形状悬臂梁结构应变和电压灵敏度分析22-29
• 2.3.1 悬臂梁结构应变分析22-25
• 2.3.2 悬臂梁电压灵敏度分析25-29
• 2.4 基于压电悬臂梁结构的风能收集29-31
• 2.4.1 类风扇结构-实现风能到机械能的转换29-30
• 2.4.2 压电悬臂梁-实现机械能到电能的转换30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 3 压电悬臂梁收集风能的仿真分析32-47
• 3.1 压电悬臂梁有限元建模总体概述32-33
• 3.2 压电悬臂梁的静力学分析33-42
• 3.2.1 压电悬臂梁材料及压电参数33-34
• 3.2.2 不同形状压电悬臂梁的静力学分析34-38
• 3.2.3 不同参数对三角形压电悬臂梁性能的影响38-42
• 3.3 压电悬臂梁的阻抗分析42-46
• 3.3.1 矩形压电悬臂梁阻抗分析42-43
• 3.3.2 梯形压电悬臂梁阻抗分析43-44
• 3.3.3 三角形压电悬臂梁阻抗分析44-46
• 3.4 本章小结46-47
• 4 风能收集装置及实验研究47-55
• 4.1 风能收集系统设计47-48
• 4.2 风能收集系统实验研究48-54
• 4.2.1 压电悬臂梁的制作49
• 4.2.2 扇叶个数对输出电压的影响49-50
• 4.2.3 压电悬臂梁与风扇扇叶间重叠距离L对输出电压的影响50-51
• 4.2.4 风速对输出电压与输出功率的影响51-53
• 4.2.5 负载阻抗对输出电压的影响53-54
• 4.3 本章小结54-55
• 结论55-56
• 参考文献56-59
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况59-60
• 致谢60-61

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