基于双分叉簧片和谐振腔结构的电磁式风能发电装置

【摘要】：随着环保和技术的发展以及地球的化石能源的消耗殆尽,通过从环境中回收能量开发新的清洁能源技术正日益成为一种发展必然,而能量回收技术是一种趋势。回收外部环境中的能量为便携式设备或传感器网络节点供电,实现电子设备的自主供能,可以有效地解决目前电池作为电子设备的能量供应源而带来的一系列问题。风能作为一种分布广泛蕴藏量巨大的可清洁再生能源,利用电磁或压电方式对其进行回收为无线传感器网络提供能源具有广阔的应用前景和巨大的研究价值。 本文回顾了风能回收的现状,对风的流体特性和原理进行了细致的分析和研究,提出了基于双分叉簧片和谐振腔结构的电磁式风能发电装置,对该装置的研究如下： 首先对双分叉簧片和谐振腔结构的风能回收系统进行了深入的理论分析和实验研究。实验证明,双分叉簧片结构不仅能有效增大簧片的振动幅度,提高风能转化效率,而且也能有效的增大装置的风速工作范围。经过实验和仿真分析后,对这个结构进一步研究提出了新的数学模型。我们把簧片在谐振腔内的振动称为带阻尼的三角形脉冲激励的受迫振动。这个模型很好地解释为什么双分叉簧片可以比无分叉簧片的振动强烈得多。经实验证明,所提出的结构和模型是可行和有效的。 接着我们展示了一个新的电磁式谐振腔的风能回收装置,其利用双分叉簧片和音叉减振原理来回收风能为无线传感器节点供电。与过去的电磁结构相比,所提出的电磁结构具有更好的线性度和带磁回路的更高的磁通量变化率。此外,由于磁铁的振动方向和磁极的方向相垂直,提供了零阻尼的启动模式和非常紧凑的结构。我们还设计了一个音叉状簧片结构来降低系统损耗。为了实现最大输出功率,我们定义一个虚拟的机电阻抗来处理当电路接通时由线圈的感应磁场和永磁铁磁场之间的洛伦兹力引起的感应电动势的减少。 最后实验表明,装置入风口的尺寸为60mm×60mm时,最大输出功率和转换效率分别可以达到在风速20.3m/s时的56mW和在风速4m/s时的2.3%,风速范围为从3.2m/s至21.2m/s。实验表明,该电磁风能回收装置具有高的输出功率和更宽的风速范围。 【关键词】：双分叉 谐振腔 电磁感应 音叉结构 磁回路 风能回收
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 ：绪论11-21
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 能量源简介12-15
• 1.3 能量回收的应用举例15-18
• 1.4 本文研究目的和内容18-21
• 第二章 ：风能回收的原理介绍21-41
• 2.1 风能的计算21-25
• 2.1.1 风的特性21-23
• 2.1.2 风的功率计算23-24
• 2.1.3 贝兹理论24-25
• 2.2 风能与机械能的转换25-29
• 2.2.1 静力作用26-27
• 2.2.2 动力作用27-29
• 2.3 机械能与电能的转换29-32
• 2.3.1 静电式29-30
• 2.3.2 压电式30-31
• 2.3.3 电磁式31-32
• 2.4 风能回收的国内外研究现状32-36
• 2.4.1 涡轮式33-34
• 2.4.2 风车式34
• 2.4.3 风带式34-35
• 2.4.4 簧片式35-36
• 2.5 谐振腔理论36-40
• 2.5.1 亥姆霍兹谐振腔原理36-37
• 2.5.2 口琴谐振腔的流体分析37-40
• 2.6 本章小结40-41
• 第三章 ：基于双分叉簧片和谐振腔结构的电磁式风能发电装置41-71
• 3.1 该发电装置的结构与原理41-45
• 3.1.1 本装置的结构41-42
• 3.1.2 本装置的工作原理42-45
• 3.2 双分叉簧片结构的优化设计45-57
• 3.2.1 簧片双分叉结构的设计45-47
• 3.2.2 簧片参数与实验结果对比47-50
• 3.2.3 谐振腔内压力测试分析50-53
• 3.2.4 双分叉结构的模型分析53-57
• 3.3 簧片音叉减震结构的设计57-60
• 3.3.1 音叉结构原理57-58
• 3.3.2 有限元仿真分析58-59
• 3.3.3 实验结果分析59-60
• 3.4 装置磁路结构的优化设计60-65
• 3.4.1 两种磁路模型60-61
• 3.4.2 磁路的仿真分析61-62
• 3.4.3 磁路线圈的优化分析62-63
• 3.4.4 磁路的安装固定63-65
• 3.5 实验过程与讨论65-69
• 3.5.1 实验装置的建立65-66
• 3.5.2 最大功率输出66-68
• 3.5.3 实验结果68-69
• 3.6 本章小结69-71
• 第四章 ：总结与展望71-73
• 4.1 全文总结71-72
• 4.2 研究展望72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-79
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果79

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