悬臂梁式压电振动能量俘获装置输出功率分析与建模

文章通过理论分析,从悬臂梁式压电振动能量俘获装置常见结构的等效电路出发,结合俘能装置的结构参数以及电气参数等特性,总结推导出了该装置输出电压的近似公式,以及低阻值负载情况下恒流源的等效输出模型,也由此推出了多装置并联拓扑结构的输出电压公式。并基于该理论分析,利用Matlab对悬臂梁式压电振动能量俘获装置进行仿真,仿真结果验证了这些近似公式的正确性。

基于压电效应的道路振动能量俘获系统研究

针对目前车辆振动能量回收率较低的问题,为探究路面振动能量俘获技术,笔者对基于压电效应的道路振动能量俘获系统进行了研究。设计并搭建了能量俘获模拟系统,并进行了测试。首先,基于PZT-5H系列压电陶瓷设计了压电振子,并对影响压电振子能量转化效率的振动模态及支撑方式进行分析及设计;然后,对整流电路、稳压电路及储能电路进行了分析,并基于集成芯片LTC3588-1设计了外围电路,通过引脚选择3.3 V的输出电压并将其输出的电能储存在超级电容中;最后,利用激振器搭建了道路振动能量俘获模拟系统对压电振子进行了测试。LED灯的模拟负载电路验证了该能量俘获系统的可行性;激振器载荷加载试验结果表明该能量俘获系统的能量转换效率约为0.5%。

压电磁耦合振动能量俘获系统的非线性模型研究

为了建立压电磁耦合振动能量俘获系统的动力学模型,提出了一种非线性多项式拟合系统的非线性回复力的建模方法。使用微型测力仪直接测得悬臂梁处于不同位置时的非线性回复力,并用多项式进行参数拟合以获得非线性回复力的表达式。根据哈密顿原理、欧拉-伯努利梁理论和压电理论等,建立了考虑非线性回复力的系统模型,由龙格-库塔数值算法仿真后得到系统的非线性输出特性。研究结果表明,该模型具有参数求解简单、计算量小、无需直接求解磁场力等优点,能够描述非线性宽频能量系统的跳跃频率、最大电压和有效频带等关键设计参数,为压电磁耦合振动能量俘获系统的机理研究奠定了理论基础。

非线性压电振动能量俘获行为建模及其不同参数影响机理研究

如何利用非线性特性来改善压电振动能量捕获性能是工程实际中需要解决的一个问题,为此建立了非线性压电振动能量捕获行为的数学模型,利用定积分法推导了该模型的数值计算方法,并针对不同参数对非线性压电振子输出电能的影响特性进行了数值仿真,结果表明:减小非线性阻尼、增大非线性压电耦合系数均有利于提高非线性压电振动能量俘获的性能;减小非线性刚度能提高低频振动能量俘获的输出,但减小了共振带宽。

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。

压电式振动能量采集装置研究进展

压电振动能量采集装置具有结构简单,能量密度高,寿命长等优点,在无线传感器网络、嵌入式系统和MEMS等低耗能电子设备自供电方面具有广阔的应用前景。针对提高振动能量采集能力和采集效率2个目标,根据设计压电振动能量采集装置的关键技术,从压电材料、压电元件工作模态、压电振子结构、振动支撑结构和共振频率调节方法等方面对压电振动能量采集装置的国内外研究现状进行了详细论述,指出了压电振动能量采集装置的研究前景。

面向压电振动能量俘获的电能管理电路综述

随着物联网(internet of things, IoT)技术的高速发展,传统的电池供电方式已经不能满足其供电需求.利用压电能量俘获技术将机械能转换为电能,可为IoT提供持久的电能,具有广阔的应用前景.本文在讨论压电振动俘能器的电学特性基础上,全面总结了面向压电振动俘能器的电能管理电路的最新研究成果.电能管理电路通常由AC-DC变换和DC-DC开关变换器(包括控制算法)两部分组成,前者用于将压电振动俘能器输出的交流电转变为直流电,后者用于提高能量俘获效率.首先,针对AC-DC变换,分析了全桥整流器、电压倍增器、同步开关电感电路和同步开关电容电路的工作原理和优缺点.接着,重点讨论了用于压电振动俘能器的典型开关变换器电路,包括电感式、全电容式和变压器式DC-DC开关变换器以及AC-DC开关变换器,分析了它们的特点和适用场合.最后,针对压电振动俘能器的特点,分析了实现最大能量俘获的几种典型控制算法,包括最大功率点跟踪、阻抗匹配和同步电荷提取控制算法.本文通过对面向压电振动俘能器的电能管理电路的全面分析和综述,揭示了该领域目前存在的瓶颈问题,并展望了其未来发展方向,对压电能量俘获自供电系统的研究和开发具有重要的参考价值.

基于磁流变弹性体-压电片混合梁结构的宽频振动能量回收装置（英文）

振动能量回收装置能够将环境动能转化为电能,然而其工作频率范围窄、产生的功率小是这个领域的突出问题.为了增加其工作频率范围,科研工作者已经开发研究了许多技术方案,例如采用多种振动模式、谐振调谐和非线性技术来拓宽其有效频率范围.本文提出了一种新型混合非线性振动能量回收装置,主要包括磁流变弹性体(MRE)层、压电片和末端质量.新提出的能量回收装置利用MRE的刚度可控特性来开发非线性能量回收装置.多层MRE压电梁结构由永磁体包围,以在MRE梁周围形成封闭磁场,从而产生非线性刚度.柔性磁流变弹性体-压电混合梁的高度柔韧性使得其与等厚度的铝基能量回收装置相比具有更大的振幅,从而收集更多的能量.同时,对这一新型能量回收装置进行了实验和理论研究以分析其综合性能,包括其有效工作频率范围和发电功率.此外,作为比较,测试了一种线性能量采集器的各项性能.线性能量采集器与混合能量采集器之间的比较表明,本文所提出的混合非线性能量采集器具有更宽的有效频率范围,并且能够回收更多的能量.

多方向压电振动能量收集技术研究与进展

煤矿井下综采设备工作时会产生较大振动,利用压电振动能量收集系统实现煤矿综采设备无线监测节点自供电,有望解决传统化学电池使用寿命有限,更换困难,污染环境等问题。传统线性能量收集装置的谐振频率难以满足外界振动复杂多变的要求,导致俘能效率低下。如何提高压电振动系统俘能效率是一个亟待解决的问题。多方向是提高复杂振动环境压电俘能效率的有效途径。该文从击打式和悬臂梁式两种能量转换方式总结分析国内外学者在多方向振动能量收集方面的研究,从阵列式、自调谐、非线性、频率泵浦、弹性放大器等方面分析多方向振动能量收集系统的效率提升技术;最后,从采用新型压电材料提升俘能效率、考虑非线性和多场耦合动力学优化俘能结构、工程应用研究等方面对多方向压电能量收集技术进行了展望。

基于压电效应的随钻式能量回收装置设计

针对钻探领域中井下仪器的连续供电问题和钻杆纵向振动能量的回收问题,设计了一种基于正压电效应的新型随钻式能量回收装置。通过现场经验及地质调查报告,设计了装置的径向尺寸参数及压电片材料。基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立压电耦合模型,通过强迫振动分析得出压电片的长度范围及最佳安装位置;通过模态分析与频率响应研究,得到压电悬臂梁固有频率在到达拐点厚度之前随压电片厚度单调递增,峰值电压随压电片厚度增加呈区域性变化等规律,压电片厚度为1.2~1.4 mm时发电性能最佳,装置峰值电压为15~40 V。该设计为压电式能量回收装置应用于钻探领域的探索提供了理论支撑和设计参考。

基于压电陶瓷的环境振动驱动微型压电发电装置设计

本装置是基于压电陶瓷的环境振动驱动微型压电发电装置,主要是收集环境中的振动能量,根据压电效应把振动能量转化为电能存储起来,以供应各种用电设备。它主要由电路部分和机械部分2部分组成,电路部分包括整流、滤波、稳压和存储电路,机械部分包括由压电陶瓷片、可调金属重物和压电弹簧片组成的压电振子、透明上壳和硬塑底座。本装置经改进后,具有体积小、重量轻,能量密度高、寿命长,能量可靠、对环境适应性强,对人体和环境无害、环保节能,没有电磁干扰、能同微加工工艺兼容和与微机电系统(MEMS)集成等优点。主要可运用于手机、mp3、数码相机、笔记本电脑、掌上电脑、商务通等电子产品,列车、汽车、野外等无线传感器网络系统中,为以上电子设备提供电源,代替了环境依赖性很强的太阳能电池、风能发电装置,需要经常更换或充电、材料浪费、污染环境、回收困难的化学电池和需要电缆连接提供电能等电源。极大地丰富和方便了人们的生活和工作,加快了无线传感器网络系统的发展。

路面振动压电俘能器的性能分析

建立路面振动压电俘能的数学模型,提出压电俘能器的性能要求,分析结构参数及埋设深度对俘获电能及路面变形的影响。结果表明,压电俘能器埋设越深,俘获电能越多,路面变形越小;压电陶瓷片直径和厚度越大,俘获性能虽提高,路面的变形却增大。一个直径30mm、厚5mm的压电俘能器,埋设40mm路面下,在15Hz、0.7MPa标准轮载作用下,可俘获0.42mW的电能。

基于扭转模态的角振动压电俘能器研究

以线性压电理论为基础,分析了压电陶瓷圆柱壳的扭转振动问题.由于压电陶瓷柱壳的扭转振动使得覆盖于柱壳两端的电极之间出现电势差,通过导线连接两电极与外负载,则圆柱壳在振动过程中所捕获的能量能有效地供给微电子器件工作.得到了输出电压、电流、能量、效率以及输出功率密度的解析表达式,并数值分析了这类压电俘能器的基本性能.结果表明,这种结构能够用作压电俘能器,将旋转机械能转化成为电能.

基于风致振动机理的微型压电风能采集器

提出一种基于风致振动机理的微型风能采集装置,可将风能转换为电能加以利用。装置主要包括腔体和压电薄膜振动传感器,传感器一端固定,另一自由端附加细长圆柱体结构。利用细长圆柱体在气流中更易诱发涡激振动的原理,并结合结构体在一定气流条件下存在的其他风致振动机理,该装置可将风能转换为压电薄膜传感器的振动,然后进一步转换为电能。本结构设计尺寸为30mm×16mm×14mm,在风速为7m/s,外加负载为1.8 MΩ时,可以获得0.84μW的有效功率。同时可通过并列增加压电薄膜梁结构的数量来提高能量采集的效率。

压电式路面振动俘能技术

为开辟绿色能源新途径,提出压电式路面振动能量俘获技术.在对国内外研究现状进行分析的基础上,创新性地提出了路面压电俘能单元的主要性能要求,以指导压电俘能器的设计.依据压电理论,建立了压电俘能数学模型.借助ANSYS有限元软件,对压电俘能单元的埋设深度和阵列间距进行分析,优选出获得高俘能性和好耦合性的结构参数.仿真可知,采用阵列间距4 mm、直径30 mm形成的280 mm×280 mm的压电俘能单元,埋设于40 mm的路面下,每车道每千米可俘获1.785 MW的电能.由此可见,压电式路面振动俘能技术的应用前景非常乐观.

质量比对D形截面柱体流致振动的影响

利用涡激振动进行海流能收集的VIVACE装置是新能源领域的研究热点.应用FLUENT软件采用k-ωSST湍流模型和Newmark-β法,通过数值模拟探究了四个质量比(2,5,7和10)在迎流角90°下D形截面柱体的流致振动响应,系统分析了D形截面柱体在横流向上的振动幅值、频率、平衡位置偏移量、尾涡脱落模式以及能量转化效率.所模拟的雷诺数范围为288~2880,对应的约化速度为2~20.结果表明,质量比对D形截面柱体流致振动的影响明显,质量比会改变D形截面柱体流致振动的响应分支.质量比越大,D形截面柱体进入驰振对应的约化速度越低;质量比增大,D形截面柱体平衡位置偏移量相对减小.随着约化速度的增大,D形截面柱体出现了涡激振动、涡激振动-驰振及完全驰振等响应分支.在所模拟的范围内,D形截面柱体高能量转化效率出现在涡激振动分支,而不是在驰振分支;在质量比为10且约化速度为4.5时,一级能量转化效率达到最大值44%.相关研究可为VIVACE装置的振子选型提供参考.

基于模态分离技术的3×n阵列式低频宽带压电振动发电机的设计研究

针对传统压电发电机固有频率单一,频率采集范围窄和能量采集效率低等缺陷,且无法满足当前无线传感器在特殊工作环境中所需的宽频带和大功率输出.本文基于模态分离技术提出了一种3×n阵列式压电发电结构,并利用COMSOL有限元仿真软件对其进行仿真分析,优化参数后3×5阵列式采集系统在低于50Hz的频率范围内带宽为15.6Hz.实验测试结果发现3×5阵列式发电机的带宽拓宽至13.8Hz;同时在11Hz的共振频率下,最优负载电阻值为350kΩ时,可获得的最大输出功率为2.12mW;最后测试其半功率(1.05mW)带宽达15.3Hz.本文所提出的模态分离技术使阵列采集系统的带宽明显提高且输出功率增大,这个优异的输出性能使得其在多源、宽频振动环境中具有明显的优势.

单压电片悬臂梁式压电俘能器效能分析

以线性压电理论为基础,建立了单压电片悬臂梁式压电俘能器的输出功率与压电结构的构型、驱动频率以及外载荷阻抗等物理参数之间的解析关系。数值计算结果表明,优化负载阻抗、金属层厚度以及金属层材料可有效提高俘能器的俘能效率。将单压电片悬臂梁式压电俘能器与双压电片悬臂梁式压电俘能器进行了对比,理论分析结果表明当外界机械振动的频率较稳定时,前者具有更高的俘能效率。

悬臂梁压电振子宽带低频振动能量俘获的随机共振机理研究

研究了利用系统非线性来提高悬臂梁压电振子宽带低频振动能量俘获效率的随机共振机理,通过增加一对矩形永磁铁对传统线性悬臂梁压电振子结构进行了改进,结果揭示:在外部非线性磁力作用以及合适的磁铁间距条件下,这种外加磁力悬臂梁压电振子会构成一个双稳系统,在外部宽带低频随机振动源激励下发生随机共振现象,且发生随机共振时的输出电压明显增大,从而可以扩展悬臂梁压电振子的共振频率范围、提高低频振动能量的转化输出.

基于压电效应的风力发电方法研究

为实现利用压电材料进行环境能量转换的目的,设计了一种能利用风能驱动多片压电片振动发电的装置。该装置通过风能驱动叶轮旋转,利用叶轮的旋转扭力迫使压电片振动,将压电片振动产生的电能通过整流电路、储能电容及DC-DC转换后供负载使用。通过实验对压电片在不同条件下的发电性能进行了测试,实验结果表明,该装置可实现多片压电片对环境能量的收集转换,为此类装置的设计提供了参考,同时也为压电环境能量采集技术提供了新思路。