音叉簧片式压电谐振腔风能回收装置研究

摘要

微电子、传感器以及无线通讯等领域的快速发展与融合，促使了无线传感网络技术的诞生，并在生态环境监测、建筑安全保障、军事侦察预警等领域发挥了重要的应用价值。然而，现有无线传感网络节点大多依赖电池供电，存在环境污染、寿命有限、充电和更换困难等问题，成为阻碍无线传感网络技术发展的主要因素。随着超低功耗电子技术的发展，无线传感网络节点的功耗可降低到毫瓦以下级别，使得回收周围环境中的微弱能量为传感节点供电成为可能。风能作为一种自然界广泛存在的可再生能源，开发微型化的风能回收装置并为偏远地区的无线传感网络节点供电，将会有广阔的应用前景。
　　为了提高风能回收的效率，提升装置工作的稳定性，本文提出了一种音叉簧片式压电谐振腔风能回收装置，并完成了以下研究工作:
　　(1)总结风致振动风能回收的基本结构原理和压电悬臂梁振动能量回收的基本理论，建立音叉簧片式压电谐振腔风能回收的理论基础。
　　(2)对单簧片和双簧片谐振腔风能回收结构进行模态和流固耦合仿真分析，对比分析两个装置的振动形态、固有频率以及腔体气流作用规律。
　　(3)制作单簧片和双簧片谐振腔风能回收装置样机，搭建实验测试平台，实验测试了关键结构、电学参量对回收能量的影响，并对比分析了两个原理样机的风能回收性能。实验结果表明:适宜的腔体、簧片尺寸匹配可获得较低的起振风速和较宽的风速范围;簧片安装方向对风能回收影响较小，簧片安装角度对起振风速、输出电压有较大的影响;音叉双簧片结构比单簧片结构具有更好的风能回收性能。腔体尺寸40×40×140mm3的音叉簧片风能回收装置，在6m/s风速、0.15MΩ最优负载情况下，输出功率达到0.83mW，能量转换效率达到0.62％。
　　综上所述，本文设计的音叉簧片式压电谐振腔风能回收装置具有良好的风能转化性能，可用于风能丰富的偏远地区无线传感网络节点供电。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 能量回收技术研究现状

1．2．1 环境能量源简介

1．2．2 主要能量回收方式

1．2．3 振动能量回收技术

1．3 本论文主要研究工作

1．4 本章小结

第二章 压电风能回收实现方式与理论基础

2．1 压电风能回收的实现方式

2．1．1 风车式

2．1．2 涡振式

2．1．3 颤振式

2．1．4 弛振式

2．1．5 谐振腔式

2．2 压电风能回收理论基础

2．2．1 压电效应和压电材料

2．2．2 压电方程

2．2．3 压电悬臂梁理论模型

2．3 本章小结

第三章 压电谐振腔风能回收装置结构设计和仿真分析

3．1 装置结构和原理

3．1．1 结构设计

3．1．2 原理介绍

3．2 有限元仿真分析

3．2．1 结构固有频率仿真分析

3．2．2 双向流固耦合仿真分析

3．3 本章小结

第四章 压电谐振腔风能回收装置实验研究

4．1 样机加工

4．2 实验测试平台

4．3 单簧片风能回收装置实验数据分析

4．3．1 腔体体积对比分析

4．3．2 单簧片安装位置对比分析

4．3．3 单簧片最优负载及能量转换效率

4．4 双簧片风能回收装置实验数据分析

4．4．1 双簧片安装角度对比分析

4．4．2 双簧片最优负载及能量转换效率

4．5 双簧片与单簧片能量回收性能对比分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

硕士研究生期间发表的学术论文及取得的研究成果