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高性能pzn-pzt压电陶瓷研制及其在风能俘获领域应用

高性能PZN-PZT压电陶瓷研制及其在风能俘获领域应用

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作者：杨聪盐城工学院

学位级别：硕士

压电陶瓷是一种具有力与电相互转换的功能材料,基于正压电效应原理可以实现道路闲置能源的利用与转换,解决道路中小功率无线传感器的供电问题,推进智慧交通道路的建设与节能减排措施的实行。压电风能采集装置具有结构简单、能量捕获效... 详细信息

压电陶瓷是一种具有力与电相互转换的功能材料,基于正压电效应原理可以实现道路闲置能源的利用与转换,解决道路中小功率无线传感器的供电问题,推进智慧交通道路的建设与节能减排措施的实行。压电风能采集装置具有结构简单、能量捕获效率高和清洁环保等优点,但实际应用于道路风能回收的研究较少。针对道路中丰富的风力资源,本文设计了一种应用于道路的阵列式压电风能回收系统,在保证道路交通安全的同时,采集的风能能够为道路基础用电设施提供电源。主要研究内容如下:采用传统固相烧结法制备pzn–pzt压电陶瓷,基于组分调控改变pzn含量,构建陶瓷的准同型相界（MPB）以提高陶瓷的压电性能。pzn–pzt压电陶瓷可以在较高居里温度下保持良好的压电性能,并且较高的pzn含量有利于增强陶瓷的弛豫特性。随着pzn含量x从0.1增加到0.4,x Pb(ZnNb)O–（1-x）Pb(ZrTi)O陶瓷相结构经历四方相为主到三方相为主的转变,其中pzn含量x=0.2的陶瓷样品表现出来的压电性能最佳,d=347 p C/N、k=0.617和T=318℃。在pzn含量x为0.4～0.55范围内,x Pb(ZnNb)O–（1-x）Pb(ZrTi)O陶瓷的相结构随着pzn含量的增加,由三方相为主转变为四方相为主,pzn含量x=0.4时压电性能最佳,d=570 p C/N、k=0.67和T=272℃。利用Star-CCM+软件对高速公路行驶的车辆进行了外流场仿真分析,根据车辆行驶时的气流分布特性确定风能可以采集的范围和大小,80 km/h行驶的卡车向水平方向产生的风速多为20 m/s,其影响范围可达5 m。基于风致振动原理设计了压电悬臂梁结构的风能采集装置,并参考道路防眩板布设开发了适用于道路交通环境的阵列式压电风能回收系统,流固耦合仿真结果表明最佳的安装间距为1 m。搭建了振动特性实验平台,并测试风能采集装置样机开路输出电压随激振频率变化关系,确定产生共振的主频为17Hz,最大电压峰值分660 mV。自主搭建阵列式压电风能回收系统实验平台,基于标准能量采集接口电路分别研究了不同间距、不同角度和不同风速下阵列式压电风能采集系统输出功率随负载变化关系。当压电风能采集装置间距为25 cm,与10 m/s来流风向呈90°时,3 s内系统采集的电量为20.6μW·s。从试验的角度验证了阵列式风能采集系统的可行性,为道路车辆风能俘获的研究提供了借鉴。

关键词：风能压电能量回收 pzn–pzt压电陶瓷准同型相界阵列式

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