基于压电效应的振荡水柱发电系统CFD分析

"透明海洋"开发需要为远洋检测传感器提供可持续电源,基于压电效应的振荡水柱发电原理是采集波能驱动压电功能材料形变实现能量转换,系统结构简单,稳定性好。基于线性波浪理论,建立振荡水柱(OWC)二维数值波浪水槽。流体动力学(CFD)分析结果表明,造波稳定,波浪在气室内形成的空气压强在时域上呈现一定周期性,经数据处理拟合为正弦曲线。应用ANSYS软件系统的参数化设计语言(APDL)功能开发空气驱动压电材料形变输出能量的仿真模型,分析产生电压变化特性。     

微型压电电磁振动能采集器设计制作工艺研究

为收集环境中普遍存在的振动能,设计了一种微型压电电磁式振动能量采集器,研究系统设计参数对输出功率的影响因素。依据压电电磁集成发电工作原理设计了复合采集器,建立能量转换的理论计算模型分析压电电磁复合发电系统的输出功率及其与感应线圈高度的关系,分别讨论了压电和电磁独立发电系统和集成发电系统等的输出功率及其相互关系。经反复试验确定了微电源集成制作流程。     

自适应宽频振动压电电磁复合发电系统分析

为提高微型环境振动能量收集微电源能量转换效率,采用一对磁极产生的磁力自动调节拾振系统刚度,实现系统固有频率与环境振动频率相匹配的自适应压电电磁复合宽频发电系统,同时增强电磁发电系统磁力线密度。该文研究了系统磁力对压电悬臂梁刚度的影响因素,确立自适应宽频系统的理论模型。压电电磁宽频发电数值计算结果表明,未施加磁力调节时,环境振动频率偏离系统固有频率47Hz时输出功率急剧降低;施加自适应磁力调节后,发电系统可调固有频率范围为42~51Hz,最大输出功率范围6~10mW,拓宽拾振频带。     

MOPA方式高峰值功率脉冲光纤放大器模拟

为了研究如何从脉冲种子光经放大器后获得能量为毫焦级、纳秒级脉宽的激光脉冲,以及重频、受激喇曼效应对输出激光脉冲的影响,采用基于主振荡动率放大方式建立了3级脉冲双包层掺Yb光纤放大器的瞬态理论模型。在不同重频下对能量为10nJ、脉宽为100ns的脉冲种子光经放大后的脉冲能量、峰值功率、平均功率、脉宽及受激喇曼效应进行了数值模拟。计算数据表明,当重频小于200Hz时输出激光脉冲的能量、波形受重频的影响很小,可以忽略不计,在适当参量下受激喇曼效应对各级放大输出几乎没有影响。结果表明,适当选择3级光纤放大器的各项参量可以实现毫焦级的激光脉冲输出。     

直管谐振式低频压电声能量回收系统

为了高效回收环境中的声能,基于阵列式压电换能器、直管谐振腔以及能量回收电路提出了一种声能量回收系统.当声波进入直管谐振腔,管中产生谐振驻波作用于压电换能器,将声能转换为电能.本文设计了能量回收电路并且进行理论、仿真分析实验研究了压电振子数量、声波频率、声压级对输出电压的影响,分析了负载电阻对输出电压及功率的影响.实验结果表明,该装置可回收不同频率的声能量,在声波频率为96Hz时发电效果最优.当入射声压级为110dB时,不使用能量回收电路,输出交流电压有效值最高达12.9V,输出交流功率最高达到799μW;使用设计的能量回收电路,最高输出直流电压为64.2V,最高输出直流功率为473μW.该声能量回收系统不仅可以作为声能量采集器,还能对无线传感节点等独立工作的微型电子系统供能.     

可调谐TEA CO2激光器技术

近年发展起来的激光差分吸收雷达用于遥测大气污染状况,可获得大气污染物浓度的时空分布,这对了解大气污染的分布实况、寻找主要大气污染来源、防治大气污染等均有很重要的价值.TEACO2激光器工作在9～μM的红外波段,大部分大气污染物和化学物质的特征吸收谱都在此波段内.高重复率可调谐的.TEACO2激光器的研制已成为C02激光差分吸收雷达的关键技术.差分吸收雷达从探测方式上可分为相干探测和直接探测方式,其中直接探测方式又可分为后向地物反射方式和距离分辨方式.早期,由于单台激光器快调谐问题尚未解决,一般都采用多台波长固定的CO2激光器组合使用.随着快速调谐技术的发展,差分吸收雷达系统开始采用单台CO2激光发射器.这就使差分吸收雷达系统更加趋于小型化和实用化.利用符合TEA CO2激光器内多种激光混合气体组分的五温度、六温度模型速率方程理论,详细分析了TEACO2激光器的动力学过程,确定激光谐振腔初始条件后,计算了激光器的各种输出特性.激光器输出脉冲参数如峰值功率、粒子数反转、光强、激光能量等均为时间的函数,并且随着输入参数(气压、温度、耦合输出镜反射率等)的不同而作相应的变化.根据理论计算结果,设计研制了两台高重频快调谐TEA CO2激光器,分别采用高频步进电机驱动光栅和扫描振镜+光栅的技术方案实现了激光的快调谐输出.设计了小型化高重复率可调谐的TEA CO2激光器,激光谐振腔长55 cm,采用高频步进电机驱动光栅法,预电离方式为表面电晕紫外预电离,实验得到激光器的一级调谐输出谱线50余条,激光脉冲输出能量30～100 J,峰值功率0.3～1w,谱线分布于9R、9P、10R、10P四个谱区.单片机控制在单台CO2激光器上实现快速调谐输出波长不同的激光脉冲,不同谱线的输出时间间隔约10ms.采用扫描振镜+光栅的调谐技术,又研制了一种双通道放电激励折叠腔.TEA CO2激光器.详细分析了折叠腔TEACO2激光器的结构及其设计特点,谐振腔长约120 cm,影响气体快放电过程的各种因素,如储能电容与峰值电容的比值、工作气压、充放电电感及输入电压的范围等进行了实验研究,确定了充放电谐振回路的最佳参数,实现了双通道的稳定辉光放电.对激光器输出能量与激励电压、混合气体工作气压等参数的关系进行了实验研究,得到激光器自由振荡最大输出能量约为722 mJ.工控机程序控制扫描振镜+光栅的偏转角度,实现了激光的可调谐输出.激光器脉冲重复频率可达到100 Hz,实验得到一级调谐输出谱线80条.强支谱线如10P(20)、9P(18)支输出能量约400 mJ,弱支谱线如10P(48)、9P(42)支谱线能量约100 mJ.经测量,弱支谱线的远场发散角水平方向和垂直方向均为1.21 mrad,约为2倍衍射极限.实现了任意波长两条谱线在10 ms时间内快速切换输出.     

基于钹式压电阵列的新型引信发电装置设计

设计了一种基于钹式压电换能器阵列的新型引信用发电装置,使用等静压压电常效法研究了钹式换能器及其阵列的发电特性,分析了发电装置在弹药发射环境下的电能输出特性.研究结果表明,该发电装置能有效收集发射环境中的冲击能,并将其先转换为振动能再转换为持续的电能,延长了压电换能器的电能输出时间,解决了现有引信压电电源电能输出小,供电时间短等问题.     

宏微压电驱动器的电源设计与试验

针对超声电机与压电微驱动器对驱动电源的要求,设计出一种既能驱动超声电机又能驱动压电微驱动器的驱动电源,该驱动电源由可调变压器、半桥模块及以高性能数字信号处理(DSP)芯片TMS320F28335为核心的控制器组成。该电源驱动超声电机时,电源输出相位差、频率均较大范围连续可调的二相超声频率交流电;驱动压电驱动器时,电源输出较大范围连续可调的直流电。对行波型旋转超声电机及钹型压电驱动器的系列驱动试验表明该电源能同时满足超声电机和压电驱动器的驱动要求。     

双晶片压电驱动器的研究

为实现较大的驱动力和速度,提出一种新型压电驱动器,研究了驱动器输出性能随压电泵工作腔数、频率的变化规律。制作驱动器,分别进行十腔串联压电泵/五腔压电泵并联、3~5个压电振子工作、50~400 Hz频率下的输出试验。结果表明,压电泵并联时驱动器的最佳输出功率较大;工作的振子数目不同,存在不同的最佳频率使驱动器的输出速度最大,相同的频率使输出推力最大;最佳频率时,驱动器的输出与工作的振子数目呈正比。在150V、380Hz时驱动器输出功率最大,此时输出速度和推力是10.72mm/s、57.7N。     

泵腔结构参数对压电气泵性能影响

为了探究泵腔结构参数对压电气体隔膜泵性能的影响,该文设计了一种压电气体隔膜泵的泵腔结构。首先简述了泵腔的结构设计与工作原理,推导出泵腔出口气流速度的表达式,通过仿真得出泵腔高度、气孔直径对腔体内的瞬时气压、气流速度及气体流量的影响。最后制作了泵腔样机并应用在压电气体隔膜泵中,进行了实验测试及理论分析对比。结果表明,实验结果与理论分析相吻合,输出流量随着腔高的增大而减小,随着气孔直径的增大而增大,这为压电气体微泵的腔体设计提供了理论参考。     

Electromagnetic energy harvesting from vibrations induced by Kármán vortex street

A new electromagnetic energy harvester for harnessing energy from vibration induced by Kármán vortex street is proposed. It converts flow energy into electrical energy by fluid flow, vortex shedding from a bluff body and electromagnetic induction. An analytical design method for the energy harvester is developed. A prototype of the energy harvester is fabricated and tested. The prototype has a volume of 37.9 cm³. Experimental results show that an output peak-to-peak voltage of nearly 20 mV in average is generated when the excitation pressure oscillates with an amplitude of 0.3 kPa and a frequency of about 62 Hz. By detecting the voltage drop across a matched load, the instantaneous power is determined as 1.77 μW under a pressure fluctuation frequency of 62 Hz and a pressure amplitude of 0.3 kPa in the Kármán vortex street.     

一种新型高功率输出窗的设计与研究

高功率速调管不断发展,输能窗不仅要满足驻波匹配好、热可靠性高等要求,还需要满足高充气压力下的结构可靠性。文中介绍了一种新研制的高功率速调管输出窗,该输出窗形状不同于传统常用的波导窗窗片,形似"舌头"状,为异形陶瓷。该输出窗不仅在2.05~2.7 GHz(相对带宽26.8%)范围内具有匹配好的驻波及承受20 kW左右功率的可靠性,还满足大充气压(0.9 MPa)下的结构可靠性。该输出窗的研制,解决了高功率系统中大充气压损坏速调管输能窗的问题,为高功率速调管在高功率设备中的应用提供了技术保障。     

Piezoelectric energy harvesting from vibrations induced by jet-resonator system

Inspired by musical instruments that create high amplitude tones corresponding to resonator acoustic modes when subjected to airflow, a new piezoelectric energy harvester for powering the electronic system of aircrafts is developed. It converts the incoming airflow energy into electricity via a piezoelectric transducer during the flight. With the airflow simulated by an air cylinder, prototypes of the developed energy harvester are fabricated and tested. Experimental results show that the curve of sound pressure, corresponding to the first resonator acoustic mode, is a regular sinusoidal pattern. Within the study range of airflow velocity, a linear relationship can be found not only between sound pressure and airflow velocity but also between open circuit voltage and airflow velocity. A power of above 85 mW is released on a passive electric load of 3 kΩ by using a single piezoelectric element of 10 mm diameter at relative airflow velocity of 159 m/s. And the maximum total energy conversion efficiency of the piezoelectric energy harvester is about 1.2‰. It has laid a solid foundation for powering sensors or other devices, thus eliminating a need for batteries.     

基于PVDF双发电系统的研究

为了响应国家节能减排新政策,设计了一种新型、环保节能的压力发电系统,基于材料的压电效应,利用运动压力和空气压力双作用于压电材料PVDF便可快捷地产生电动势,实现发电效果。系统可以同时进行两部分发电,所捕获的振动能量通过电网集中收集,再通过超低输入升压电路进行升压,以达到储能电路的最低工作电压,从而通过储能电路收集储存电能,实现发电。整个发电系统主要由运动压力发电部分、压缩空气发电部分、升压及储能电路部分三大部分组成。     

基于恒流源的改进型压电陶瓷高压驱动电源

恒流源压电陶瓷驱动电源具有结构简单及频响好等优点,但静态功耗高是其突出缺点。该文提出了一种改进的恒流源压电陶瓷驱动电源,在静态功耗一定的情况下,提高了其动态输出能力及竞争能力。该改进型压电陶瓷驱动电源的样机具有2.4~300V的输出电压范围,在静态恒定电流为0.1A时,动态输出电流最大可达0.44A。基于恒流源的高压驱动电源,驱动电压主要由驱动管的耐压决定,原理上可得到远高于现有高压运放的水平,在高压压电陶瓷驱动方面有广阔的前景。