微風驅動的寬頻帶旋轉式壓電發(fā)電機設計.pdf

1、隨著便攜電子設備和無線傳感器的廣泛應用，利用環(huán)境中的可再生能源為其提供實時電量已成為研究熱點。振動能在環(huán)境中存在范圍廣，資源豐富且無污染，適用于為便攜式設備供能，而風可使物體產生振動。然而，目前基于風能的發(fā)電設備主要是在較大風速環(huán)境中發(fā)電或利用較高頻率振動能發(fā)電的發(fā)電機。為了實現(xiàn)對微風環(huán)境下的低頻振動能量的利用，本文設計了一種微風驅動的寬頻帶旋轉式壓電發(fā)電機。該發(fā)電機結構主要包括:風力傳動、壓電發(fā)電以及增頻緩沖三部分。在微風驅動下，風力

2、傳動部分通過旋轉將風力轉化為迫使壓電發(fā)電部分產生振動的驅動力，根據壓電效應，壓電發(fā)電部分將振動轉化為電能輸出。該發(fā)電機結構中加入增頻緩沖部分，用來增加工作頻帶寬，同時可以限制壓電發(fā)電部分的振動位移對其加以保護。本文的主要工作如下:
　　首先，以垂直軸為基本形式設計了微風驅動的寬頻帶旋轉式壓電發(fā)電機的總體結構。其中，為減小啟動風速，發(fā)電機整體為垂直軸，風力傳動部分采用S型葉輪;壓電發(fā)電部分采用壓電懸臂梁;為增大工作頻帶寬收集更大范圍

3、風能，在發(fā)電機結構中加入增頻緩沖部分，并且針對增頻緩沖部分設計了兩種結構形式:塊狀結構和圓弧狀結構。
　　其次，梳理了發(fā)電機風力傳動部分的理論計算公式，包括磁鐵間的作用力等物理量的計算。根據所得公式設計該部分各零件的尺寸，計算其輸出功率、風能利用效率等參數，并推導得出葉輪上游風速與葉輪轉速的線性關系。
　　然后，針對發(fā)電機增頻緩沖部分的兩種結構:塊狀結構和圓弧狀結構，分別建立其理論模型并進行仿真分析。當增頻緩沖部分為塊狀結構

4、時，對壓電懸臂梁與塊狀結構碰撞過程提出不同的分析建模方式:將壓電懸臂梁與塊狀結構看作兩個對象或看作一個整體進行分析。比較仿真結果發(fā)現(xiàn)，塊狀結構能夠在非最佳風速下增加輸出功率，且前一種計算繁瑣，后一種分析簡潔清晰。比較增頻緩沖部分的兩種結構形式，在相同情況下，圓弧狀結構能夠使壓電懸臂梁的輸出電壓更大，但與塊狀結構相比使用起來受限較多，安裝要求高。
　　最后，為改善壓電發(fā)電機輸出性能，根據其壓電發(fā)電及增頻緩沖部分結構的特點搭建實驗平臺

5、，測試了加入增頻緩沖部分對壓電發(fā)電機輸出性能的影響，驗證了增頻緩沖部分能夠增大壓電發(fā)電機的工作頻帶寬，并對壓電發(fā)電及增頻緩沖部分幾項重要參數進行優(yōu)化。優(yōu)化測試結果表明:當驅動輪上磁鐵數量為4，固定在驅動輪與壓電懸臂梁自由端的磁鐵間距d為10mm～15mm，塊狀緩沖結構在橫向間距Δl為7mm和縱向間距△為0.8mm～1.2mm的位置時，壓電發(fā)電機有最好的輸出性能。
　　本文通過在旋轉式壓電發(fā)電機系統(tǒng)中加入增頻緩沖部分，可將工作風速范