带质量块的微型压电式风能采集器研究

基于风致振动机理的微型风能采集器可以将风能转换为电能,在无线传感等领域具有广阔应用前景。漩涡脱落频率与风速成正比,当漩涡脱落频率与微型风能采集器固有频率接近时,采集器有较高输出功率,因此为了在低风速环境应用风能采集器,需要降低其固有频率。引入质量块可以降低微型压电式风能采集器的固有频率,使其在较低风速下产生较高输出功率。为了预测带质量块的微型悬臂梁压电式风能采集器的固有频率,基于集总参数建模方法得到了固有频率解析表达式。实验结果表明,对于所制作的风能采集器原理样机,质量块的引入使其临界风速由17.2 m/s降低为13.5 m/s。

带谐振腔的微型压电风能采集器

为了提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低速风作用下的输出功率,提出一种带谐振腔的微型压电风能采集器结构,该采集器由谐振腔和振动梁构成,振动梁由压电梁和柔性梁组成。谐振腔可以改变振动梁附近的流场分布,扩大作用于振动梁的动风载荷,从而提高了采集器在低速风作用下的输出功率。实验分析了风速、压电梁长度和柔性梁长度对采集器输出性能的影响。当谐振腔尺寸为64 mm×22 mm×14 mm,振动梁长度和宽度分别为38 mm和6.4 mm时,微型风能采集器在17 m/s风载荷作用下的最大输出功率达到1.28 mW。

碰撞式微型压电风能采集器实验研究(英文)

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.

筒式风能采集系统及其试验研究

为了克服现有技术中风能采集装置对风速或风向适应能力不足、风能利用率不高的问题,提出了一种适合城市高空风能利用的新型筒式垂直轴风力发电系统,其不仅具有很强的风向适应能力,而且能够在较低风速时,充分利用导风板将风力集中到筒式风能采集系统内,提高了风轮利用风能的效率。这种风力发电系统将与城市高层建筑构成一体化,充分利用高空风能优势进行发电,噪音小,不会给城市的生活和工作带来影响。介绍了该筒式风能采集系统的主要组成部分,以及实验结果,初步证实了该设计的可行性。

驰振式风能采集器的研究进展及应用

驰振式风能采集器作为风致振动式采集器的典型结构,具有良好的采集性能,在低功率设备,如微机电系统(MEMS)和无线传感设备等方面有着极大的应用前景。文中介绍了基于不同原理的驰振式风能采集器的最新进展,主要分为基于横流驰振和基于尾流驰振的风能采集器,分析总结了各种采集器的特点及性能,包括结构设计、切入风速、输出功率及有效风速范围。然后讨论了采集器在性能方面的提升方法,包括结构和接口电路的优化,以及在自供能无线传感器中的应用。最后对驰振式风能采集器的发展趋势进行了展望。

基于涡激振动的PVDF压电风能采集实验研究

为提高PVDF压电薄膜的发电能力,研究了一种基于涡激振动机理的PVDF压电能量采集结构,将风能转换为电能以供微功耗电子产品使用。设计了信号调理电路将压电薄膜的电荷输出转换为电压输出,通过微型风洞实验分别研究了在不同风速下,单片、双片、3片PVDF压电薄膜串联、并联的发电性能。实验结果表明,所选取的PVDF压电薄膜的谐振频率稳定在50Hz左右;所设计的信号调理电路输出电压随着风速的增加而增加,可有效滤除高频噪声干扰;PVDF压电薄膜并联并在电路末端接匹配负载可有效提高负载功率,3片压电薄膜并联并在信号调理电路末端接1.25Ω负载时,负载功率最高可达36mW。

基于电阻仿真的无线传感器风能采集方法研究

针对目前无线传感器风能采集效率低和传统最大功率点跟踪算法(MPPT)不适用于微型系统的现状,提出一种基于电阻仿真的无线传感器风能采集方法。重点研究了电阻仿真技术,通过负载阻抗来模拟风机的源阻抗,使得电源和负载之间能够达到良好的阻抗匹配,保证在任何运行风速下采集到的功率都是最大值,从而达到提高无线传感器风能采集效率、延长其工作寿命的目的。最后通过实验,验证了该方法的有效性。

曲面驰振风能采集器动力学设计与性能研究

为了提高驰振压电风能采集器的性能,提出具有气动性能改进可能性的曲面阻流体设计,并进一步通过翼翅和附加端盖改进曲面阻流体的气动性能。通过FLUENT仿真和实验研究揭示了翼翅和附加端盖对曲面阻流体气动性能的影响规律。仿真与实验结果表明,翼翅和附加端盖曲面能够显著提高驰振压电风能采集器的气动与俘能性能,有效拓宽了其工作风速范围。

涡激式微型风能采集装置的控制系统研究

为了提高涡激式微型风能采集装置能量回收功率,文章基于同步电荷提取(SECE)电路,利用MSP430超低功耗单片机系统,设计了硬件电路与控制算法。对压电双晶片的两端电压进行峰值检测,同时产生脉冲信号,控制电路中MOS管的导通与关断,缩短压电片积累电荷的能量损耗,提升电路的回收功率。实验结果表明,在风速为14,16 m/s和18 m/s的条件下,与经典电路相比,基于SECE电路的涡激式微型风能采集装置的能量回收功率分别提高了75.3%,52.2%和47.8%。

基于压电圆管的二维全向风能采集器研究

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。

基于圆柱梁的多向驰振风能采集器仿真分析

为了实现多向风能的采集,提出一种基于压电圆管和末端钝体的驰振风能采集器。通过多物理场耦合仿真分析了采集器模态以及压电圆管输出性能与振动频率、电阻及激振力的关系;模态及输出特性仿真结果显示,方柱钝体采集器的一阶和二阶固有频率均为14.26 Hz,工作在固有频率附近时可获得较高输出;存在最优负载电阻,为3.16 MΩ;压电圆管输出电压随激振力的增加而增加。方柱钝体的二维流场仿真结果显示,在各角度下,方柱结构均能受到相应横向气动力作用,实现多向风能的转换。三维流固耦合仿真分析结果显示,由于圆柱梁的对称特性,采集器受到二维平面不同方向风作用时均能产生振荡,验证了采集器的多向性能。

一种采集风能的多层薄膜颤振混合纳米发电机

设计了一种多层薄膜颤振混合纳米发电机(MFFH-NG),能同时采集薄膜由于风致振动产生的摩擦电能与压电能。薄膜组成材料为聚四氟乙烯/银/聚偏氟乙烯/银/聚四氟乙烯(PTFE/Ag/PVDF/Ag/PTFE)。模拟分析了MFFH-NG中摩擦纳米发电机(TENG)和压电纳米发电机(PENG)的工作机理;实验分析了摩擦电极板之间距离变化时器件的开路电压,得出一个最优方案。MFFH-NG可以作为一种频率-风速传感器,传感精度为1.61 Hz/(m·s^-1)。风速为10 m/s时,测出开路电压峰值平均值为189 V,均方电压为101 V,单位面积的开路电压峰值平均值和单位面积的均方电压分别为5.73×10^4 V/m^2和3.06×10^4 V/m^2;外接负载电阻为10 MΩ时,峰值功率密度平均值达到最大,为345.2 mW/m^2,均方功率密度为23.6 mW/m^2。MFFH-NG作为直接供能源可以点亮90盏商用LED灯,发出的电能可以存储到电容器中,在风能采集和自供电系统中显示出良好的应用前景。

采用半环形钝体的压电悬臂梁式风能采集器研究

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。

一种无线传感节点风能自供电系统的设计

无线传感器网络凭借其体积小、布局灵活、可靠性强等优势,得到了日益深入的研究及应用,但是节点的工作寿命严重依赖供电电池的持续时间.为实现网络节点工作的持久性,研究了微型风力发电机供电的无线传感节点的设计,采用超低功耗电源管理电路,结合相应的MPPT算法(Maximum Power Point Tracking)实现风力发电机在变化风速下的最大功率点跟踪,并维持无线传感节点的稳定运行.实验结果表明,通过本电源管理电路及MPPT算法,风能采集单元对电机输出电能的转换效率提高到了75%,所采集能量提高为改进前的三倍,本设计可使无线传感节点依靠风能独立运行,具有一定的应用前景.

发卡式双稳态压电风能收集器的有限元分析研究

提出了一款新型的发卡式双稳态压电风能收集器,基于ANSYS Workbench有限元软件对其进行了流体分析,验证了收集器设计思路的正确性。在通过流体分析得到压电振子表面的压强后,对收集器进行了谐响应分析,结果表明在50Hz的风流频率作用下,该风能收集器能够产生44.8V的电压,足够为一些微小型设备提供电能。

基于涡激振动-颤振的压电俘能系统设计

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。