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基于压电圆管的二维全向风能采集器研究

仪表技术与传感器 2022年第3期 50-56页

作者：江雪玲鲁彩江李林峰杨爱超熊叮当付国强西南交通大学机械工程学院四川成都610031 先进驱动节能技术教育部工程研究中心四川成都610031 国网江西省电力有限公司江西南昌330077

环境风能具有多向性及不稳定性,为了实现平面各方向风能的收集,设计了基于压电圆管和圆柱梁的二维全向风能采集器。不同于传统的薄片梁结构,圆柱梁的对称特性使系统获得了多风向响应能力。基于系统结构和工作原理,进行了理论分析;建立... 详细信息

环境风能具有多向性及不稳定性,为了实现平面各方向风能的收集,设计了基于压电圆管和圆柱梁的二维全向风能采集器。不同于传统的薄片梁结构,圆柱梁的对称特性使系统获得了多风向响应能力。基于系统结构和工作原理,进行了理论分析;建立了风能采集器的有限元模型,并进行了仿真分析。在1~8 m/s的风速激励下,对采集器的输出性能进行了风洞实验。结果表明,采集器的最佳匹配负载为2.2 MΩ;其启动风速约为2 m/s;在2~8 m/s的风速下,采集器的输出功率随着风速的增加而增加;在8 m/s的风速下,可有效采集二维平面360°范围的来流。文中所提出的多向风能采集器可以对二维平面内各方向的风能进行有效采集,提升了采集器的性能,具有很强的环境适应性,为多向风能的收集利用提供了新的设计思路,有利于促进风能采集器在自供电在线检测领域的实际应用。

关键词：压电圆管圆柱梁风能采集器多向风能

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音叉状新型压电式风能采集器研究

音叉状新型压电式风能采集器研究

作者：叶涛南昌大学

学位级别：硕士

随着电子科学技术的不断发展,以无线传感器为主的多种微型用电设备在卫星无线电传输网络、微机电子系统中应用极其广泛。传统的化学电池存在寿命短和回收困难等问题,无法进行持续的能源供给。因此,基于环境中微能量采集技术实现用电设... 详细信息

随着电子科学技术的不断发展,以无线传感器为主的多种微型用电设备在卫星无线电传输网络、微机电子系统中应用极其广泛。传统的化学电池存在寿命短和回收困难等问题,无法进行持续的能源供给。因此,基于环境中微能量采集技术实现用电设备自供能的技术成为了研究热门。微能量采集技术目前主要的应用是风能采集器的研究。但是目前的许多传统悬臂梁式风能采集器输出不高。基于此,本文利用涡激振动原理提出了一种音叉状新型压电式风能采集器,相比传统的悬臂梁式压电风能采集器具有极高倍数的输出。为了验证本文所提出方案的可行性,分别进行了音叉状风能采集器单臂及双臂和单个悬臂梁式风能采集器在0～12m/s的风速条件下的输出特性。根据实验结果可知:悬臂梁式风能采集器在12m/s时输出最大电压为8.98V;音叉状风能采集器12m/s的风速下单臂输出最大电压为22.09V,双臂为48.74V。实验还进行了其在低风速5m/s和最大风速12m/s情况下的带负载功率输出的测试:悬臂梁式采集器处于5m/s及12m/s风速时,在最优负载为900kΩ下输出功率分别为18.77μW、86.24μW;音叉状采集器在5m/s、12m/风速下,单臂在最优负载为900kΩ时输出功率分别为75.44μW、540.72μW,双臂在最优负载为1.9MΩ时输出功率分别为142.24μW、1253.9μW。由实验结果可知,音叉状新型风能采集器相比于传统悬臂梁式采集器通过结构优化以后,输出的电压和功率有了较大提升。为使采集器能够应用到用电负载中,介绍了一种标准能量拾取电路。

关键词：无线传感器音叉风能采集器涡激振动

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驰振压电风能采集器性能优化研究

驰振压电风能采集器性能优化研究

作者：耿耿河南科技大学

学位级别：硕士

低功率电子设备应用通常由电池供电,电池严格的使用寿命和尺寸限制不能满足低功率电子设备的需求,利用微机电系统从环境振动中获取能量已被认为是解决这一普遍问题有希望的解决方案。基于风致振动原理的微型压电风能采集器作为一种新型... 详细信息

低功率电子设备应用通常由电池供电,电池严格的使用寿命和尺寸限制不能满足低功率电子设备的需求,利用微机电系统从环境振动中获取能量已被认为是解决这一普遍问题有希望的解决方案。基于风致振动原理的微型压电风能采集器作为一种新型自供能设备可以将环境中的风能转化为电能,并具有体积小、寿命长、功率密度高和不受地域限制等优点,在发展新能源方面显示出明显的优势。由于自然环境的风速处于较低状态,因此开展中低风速下有高性能输出的微型风能采集研究具有重要意义。本文深入研究了驰振压电风能采集器的理论模型、设计方法和实现方法,为了提高压电风能采集器的性能,针对压电风能采集器结构参数进行了优化。研究了钝体流致振动的理论模型与影响流致振动的关键参数,并建立了驰振压电风能采集器理论模型,通过Runge-Kutta数值方法求解以及算例验证了驰振压电风能采集器理论模型的准确性与可行性,为风能采集器的电学输出性能提供理论依据;采用SST k-ω湍流模型,对二维非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯方程组数值求解,分析了不同截面形状钝体迎风面的变化对流致振动特性的影响,根据驰振判断方法能够清晰的观察到不同截面形状钝体的驰振响应情况。研究结果表明,8C截面形状钝体在空气流场中的气动性能最佳且驰振响应最剧烈,在持续受到驰振气动力的作用下,8C截面形状钝体能够使风能采集器获得更高的机械能;根据驰振压电风能采集器的结构、工作原理和实现方法,制作出了驰振压电风能采集器样机,通过风洞试验对风能采集器样机进行了参数识别,并验证了驰振压电风能采集器理论模型的准确性。分析了钝体截面形状变化和负载电阻对风能采集器电学输出性能的影响,研究结果表明,8C截面形状钝体风能采集器具有低的临界风速和高的功率输出,在风速为8m/s和最优负载电阻51MΩ情况下,8C截面形状钝体风能采集器的输出功率为109.83μW;在理论模型的基础上,分析了风能采集器结构参数对输出功率的影响,风能采集器结构参数的变化可以有效的降低驰振的临界风速和提高风能采集器的电学输出性能。以低临界风速和输出功率最大为目标,采用正交优化方法,对风能采集器的钝体截面尺寸、压电悬臂梁的长度和机械阻尼比三个方面的因素分组进行电学输出性能分析,在最优参数搭配下风能采集器的临界风速降低了10%,最大输出功率和功率密度分别提升了16.26%和10.91%。

关键词：风能采集器驰振优化压电流致振动

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碰撞式微型压电风能采集器实验研究(英文)

纳米技术与精密工程 2013年第3期11卷 191-195页

作者：贺学锋高军夏辉露重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室重庆400044 重庆大学微系统研究中心重庆400044

为提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低风速下的输出功率,设计了一种新型的碰撞式微型压电风能采集器.采集器主要由圆柱形钝体、铰接分隔板、压电悬臂梁和支架组成.通过铰接分隔板和压电悬臂梁的碰撞有效降低了采集器的工作风速.... 详细信息

为提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低风速下的输出功率,设计了一种新型的碰撞式微型压电风能采集器.采集器主要由圆柱形钝体、铰接分隔板、压电悬臂梁和支架组成.通过铰接分隔板和压电悬臂梁的碰撞有效降低了采集器的工作风速.加工制作了采集器的原理样机并在小型风洞内进行了实验测量.通过实验发现分隔板与压电片横向间距对采集器的工作风速和输出功率有很大的影响.压电悬臂梁自由端添加质量块可以提高输出功率.风速15 m/s、外接200 kΩ优化负载时,采集器最大输出功率为64μW.

关键词：风致振动碰撞压电风能采集器

一种新型压电式风能采集器及其接口充电电路的设计与研究

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一种新型压电式风能采集器及其接口充电电路的设计与研究

作者：汪召明南昌大学

学位级别：硕士

针对当前风能采集器低风速下输出效率较低的问题,文中提出了一种采用半环形钝体结构的新型压电式风能采集器,其由矩形压电悬臂梁与安装在悬臂梁自由端上的半环形截面钝体组成。与传统的圆形、长方形截面钝体相比,半环形截面钝体由于特... 详细信息

针对当前风能采集器低风速下输出效率较低的问题,文中提出了一种采用半环形钝体结构的新型压电式风能采集器,其由矩形压电悬臂梁与安装在悬臂梁自由端上的半环形截面钝体组成。与传统的圆形、长方形截面钝体相比,半环形截面钝体由于特殊的凹面结构而具有更强的风流阻碍作用,导致半环形钝体附近流场更紊乱,压力场梯度更大,从而钝体及压电悬臂梁发生的驰振更强烈,输出电压更高。利用有限元法分别仿真分析了半环形、圆形、矩形截面钝体周围流场的风速及压力分布。分析结果表明,半环形截面钝体附近具有更强的紊乱流场及更大的压力梯度。为验证文中提出方案的先进性,实验分别测试了在0～6.5m/s风速下采用半环形、圆形、矩形钝体的压电式风能采集器的输出特性。实验结果表明,文中提出的采用半环形钝体的压电式风能采集器具有更高的输出电压及功率。当风速较低为2m/s时,其最优输出功率分别是采用圆形、矩形钝体的压电式风能采集器的6.4倍和4.8倍;当风速为6.5m/s时,采集器在最优负载140kΩ下,最大输出功率为0.482mW。不仅如此,本文还详细分析四种接口电路的基本原理,利用Multisim仿真软件建立了四种接口电路的仿真模型,对比了四种接口电路带负载时的输出特性和充电效率,并设计了自感知型同步电荷提取接口充电电路,其充电效率是标准接口充电电路的5.6倍。文中提出的采集器结构还可应用于波浪能采集、风速测量等领域。

关键词：风能采集器压电效应驰振半环形钝体有限元仿真接口电路

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带铰接分流板的碰撞式压电风能采集器

带铰接分流板的碰撞式压电风能采集器

作者：高军重庆大学

学位级别：硕士

无线传感网络的节点数目庞大、分布区域广、工作环境恶劣和工作周期长特点使得传统电池难以满足其需求，将环境能转换为电能的微能源成为其理想的电源。风能是自然界中广泛存在的绿色可再生能源，针对无线传感网络等的需求，开展工作于... 详细信息

无线传感网络的节点数目庞大、分布区域广、工作环境恶劣和工作周期长特点使得传统电池难以满足其需求，将环境能转换为电能的微能源成为其理想的电源。风能是自然界中广泛存在的绿色可再生能源，针对无线传感网络等的需求，开展工作于中低风速下的微型风能采集器研究具有重要意义。论文在压电式振动能采集器理论模型基础上，采用集总参数模型对基于碰撞的压电式能量采集器的建模方法进行了研究，提出了带铰接分流板的碰撞式压电风能采集器新结构，制作了带铰接分流板的碰撞式风能采集器原理样机，并在小型风洞内进行了测试。本文主要开展了以下研究：（1）在阅读文献基础上，对微型振动能采集器和微型风能采集器的研究现状和发展趋势进行了总结分析;（2）利用集总参数建模方法得到了压电悬臂梁受到球体横向碰撞时的运动微分方程和耦合电路方程，并将模拟结果与实验结果进行了对比;（3）受国内外利用分流板抑制钝体振动研究的启发，提出了两种带铰接分流板的碰撞式风能采集器新结构，并对其工作原理进行了分析;（4）制作了碰撞式微型压电风能采集器原理样机，并在小型风洞内进行了测试，实验结果表明，分流板和压电悬臂梁的间距越小，临界风速越低，在分流板自由端或压电悬臂梁自由端安装质量块可以提高低风速段的输出;（5）分流板与压电片碰撞的原理样机在15m/s风作用下的最大输出功率为64μW，分流板与MEMS压电能量采集单元碰撞的原理样机在13m/s风作用下的最大输出功率为227.5nW，带MEMS压电能量采集单元的分流板与挡块碰撞的原理样机在15m/s风作用下的最大输出功率为65.5nW。

关键词：风能采集器压电碰撞铰接分流板

采用半环形钝体的压电悬臂梁式风能采集器研究

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自动化与仪器仪表 2021年第9期 13-16,29页

作者：严勤杨爱超裴茂林汪召明范亚军邓礼敏吴宇鲁彩江国网江西省电力有限公司南昌330077 西南交通大学机械工程学院成都610031

针对当前风能采集器低风速下输出效率较低的问题,提出了一种采用半环形钝体结构的压电悬臂梁式风能采集器,其由矩形压电悬臂梁和安装在梁自由端的半环形钝体组成。与传统的圆形、长方形截面钝体相比,半环形截面钝体由于其特殊的凹面结... 详细信息

针对当前风能采集器低风速下输出效率较低的问题,提出了一种采用半环形钝体结构的压电悬臂梁式风能采集器,其由矩形压电悬臂梁和安装在梁自由端的半环形钝体组成。与传统的圆形、长方形截面钝体相比,半环形截面钝体由于其特殊的凹面结构而具有更强的风流阻碍作用,导致半环形钝体附近流场更紊乱,压力场梯度更大,从而使钝体及压电悬臂梁发生更强烈的驰振,输出更高的电压。利用有限元法分别仿真分析了半环形、圆形、矩形截面钝体周围流场的风速及压力分布。分析结果表明,半环形截面钝体附近具有更强的紊乱流场及更大的压力梯度。为验证提出方案的先进性,实验分别测试了在0-6.5 m/s风速下采用半环形、圆形、矩形钝体的悬臂梁式风能采集器的输出特性。实验结果表明,提出的采用半环形钝体的悬臂梁式风能采集器具有更好的输出性能。在2 m/s的低风速条件下,其最优输出功率分别是采用圆形、矩形钝体的悬臂梁式风能采集器的6.4倍和4.8倍;当风速为6.5 m/s时,采集器在最优负载140 kΩ下,最大输出功率为0.482 mW。提出的采集器结构还可应用于波浪能采集、风速测量等领域。

关键词：风能采集器压电效应漩涡脱落驰振半环形钝体有限元仿真

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风筝翼片式风能采集器

今日科技 1997年第9期17卷 21-21页

作者：王建华

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基于涡激振动-颤振的压电俘能系统设计

压电与声光 2022年第1期44卷 73-76页

作者：张丹郑述窦亚萍隋文涛宋汝君山东理工大学电气与电子工程学院山东淄博255000 山东理工大学机械工程学院山东淄博255000

为了解决风致振动能量采集器风向采集单一的问题,在圆柱涡激振动的基础上将翼型档板加在悬臂梁的另一端,翼型挡板感受方向带动圆柱体转动,实现随风向的改变而改变。翼型挡板还可以在风能的激励下发生颤振,提高悬臂梁的振动效率。运用Sol... 详细信息

为了解决风致振动能量采集器风向采集单一的问题,在圆柱涡激振动的基础上将翼型档板加在悬臂梁的另一端,翼型挡板感受方向带动圆柱体转动,实现随风向的改变而改变。翼型挡板还可以在风能的激励下发生颤振,提高悬臂梁的振动效率。运用Solidworks对风能采集装置的转动部件进行仿真,通过改变风速的大小分析转动部件不同位置在流体中所受压力和压强,保证装置在自然环境中正常工作。

关键词：风致振动涡激振动颤振风能采集器悬臂梁