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。     

一种基于压电片的能量转换装置及其优化设计

为完成环境能量向电能的转化,设计了一种利用压电元件转化环境能量的能量转换装置。该装置利用风力驱动悬梁臂式压力发电组件旋转,同时使压电片振动而产生电能。依据压电材料的基本理论建立了装置的输出模型,并采用基于状态空间模型的进化算法对装置进行优化设计。开展了能量转换装置的实验测试,实验结果表明,该装置可高效地完成环境能量向电能的转化。本装置的设计为清洁环境能源的收集提供了新方法,也指出了振动能量采集装置的研究前景。     

悬臂梁双晶压电片不同连接方式发电性能

为了更加有效提高双压电振动能量采集器的发电效率,以双晶压电片为研究对象,设计了一种可收集电动机机械振动能量的双压电振动能量采集器。探究了电动机不同转速下,双晶压电片不同连接方式的内阻和发电特性;分析了电动机在不同转速下,双晶压电片不同连接方式时双压电振动能量采集器输出电压和输出功率的特性。理论计算与实验结果进行对比,选择一种最优的双晶压电片连接方式。     

用压电蜂音器收集能量

能量收集系统是从环境中获得能量的系统。不幸的是,这类发电装置提供的能量要比标准的电池少得多。然而,随着当今可佩戴设备尺寸和功耗的降低,在一些低功耗系统中,用能够从用户所处环境收集能量（如用户行走和跑动中产生的振动能）的发电装置替代电池已具有可行性。此设计实例利用标准和易于获得的压电蜂音器的压电效应将机械振动转化为电能。尽管压电蜂音器通常是在施加交流电后发出声波,但也可以反过来利用它,也就是说,在振动频率与压电蜂音器共振频率匹配时,压电蜂音器可以产生最大的交流峰值电压供人使用。     

基于压电片的风力发电装置及其自动迎风研究

根据压电材料的压电效应,设计了一种利用压电片将风能转换为电能,且能自动迎风的风向标式风压发电装置。建立了该装置的数学模型,基于力矩分析,导出了其满足自动迎风要求的参数关系式。装置利用风力吹动压电片震荡,通过能量收集电路收集压电片产生的电能供负载使用。通过对整个装置进行力矩分析及系统稳定性研究表明,该装置在任意风向情况下能自动迎风稳定运行,可满足路灯等小功率负载的供电要求。     

半电极压电纤维能量收集动力学建模与仿真

半电极含金属芯压电纤维能将环境振动通过弯曲变形转换成电能。运用分析力学方法建立了半电极含金属芯压电纤维能量收集装置的理论模型,推导了在谐波激励下,经过AC-DC转换后的归一化能量表达形式,分析了能量收集效率受金属芯与压电层的半径比、柔度系数比、压电材料的机电耦合系数及外界激励方向的影响,分析结果表明,当半径比达到2.4,材料机电耦合系数达到0.4,能量收集效率会接近相对最大值。本研究结果适用于压电纤维能量收集装置的分析与优化设计。     

人体膝关节能量收集装置的研究现状

可穿戴和便携式电子产品面临反复充放电等诸多问题。分析讨论了利用外部环境能量供能所面临的困境,简要总结了人体潜在的能量,并阐明分析了从人体运动中获取能量为可穿戴电子设备供能的可行性。通过分析人体运动过程中膝关节的生物力学特征与正负功的情况,论述了膝关节作为人体能量收集部位所具有的独特优势。针对膝关节部位的能量收集,详细介绍了压电与电磁能量收集方法及相应的能量收集特点,分析讨论了电磁式、压电式、摩擦式、介电弹性式、复合式膝关节能量收集装置的研究现状与优缺点,最后基于目前的研究现状展望了膝关节运动能量收集装置未来的发展前景。     

一种道路用小型压电发电及储存装置的研究

为了收集并利用汽车通过公路时所产生的振动能量,设计了一种利用压电材料的正压电效应采集环境振动能量,把振动能转换成电能的道路用振动发电装置。为使压电材料和道路振动能巧妙结合从而吸收最大的外部能量,获得高的发电效率,进行了以下研究:分析了压电材料变形量对发电能力的影响,并设计了能找到压电材料产生最大电能的最小变形量的模型。通过实验分析压电片的联接方式对电能输出的影响,得到了以并联为主,串联为辅的混联电路模型。设计并制作了道路用压电发电装置模型,通过模拟实验测得其发电功率为0.061 2 W,电容储电功率为0.026 4 W,发电效率为14.42%,电容储电效率6.21%。     

一种道路用小型压电发电及储存装置的研究

为了收集并利用汽车通过公路时所产生的振动能量,设计了一种利用压电材料的正压电效应采集环境振动能量,把振动能转换成电能的道路用振动发电装置。为使压电材料和道路振动能巧妙结合从而吸收最大的外部能量,获得高的发电效率,进行了以下研究：分析了压电材料变形量对发电能力的影响,并设计了能找到压电材料产生最大电能的最小变形量的模型。通过实验分析压电片的联接方式对电能输出的影响,得到了以并联为主,串联为辅的混联电路模型。设计并制作了道路用压电发电装置模型,通过模拟实验测得其发电功率为0.061 2 W,电容储电功率为0.026 4 W,发电效率为14.42%,电容储电效率6.21%。     

基于新型电源供电的无线传感网络节点设计

基于新型集成式压电能量收集模块LTC3588-1,结合压电自发电单元特性,进行了面向环境监测的无线传感网路节点的设计.实验结果表明,与改进后的电荷捕获电路相比,系统具有能量收集效率高、传输距离较远等优点,有效地解决了无线传感网络节点能源供电的问题,达到了节能环保的目的.     

梯形梁压电俘能器的特性研究

传统悬臂梁压电俘能器通常采用矩形梁结构,其压电片宽度为定值,对于压电片的利用效率有限。该文设计了一种梯形梁结构,将悬臂梁及其上附着的压电层设计为梯形,压电片宽度沿梁长方向逐渐变窄,并针对梯形梁结构的压电俘能器进行理论研究、仿真计算与实验分析,同时与传统矩形梁俘能器进行了对比。结果表明,同样的谐振状态下,梯形压电片中应力分布比矩形压电片中更均匀,且梯形梁压电俘能器具有更高的电压输出。     

压电发电技术研究综述

面对21世纪能源短缺的挑战,努力寻找更可持续性和更环保的新型能源无疑成为解决问题的关键.从环境中采集能量转换为电能的技术也越来越受到重视.该文在对比此类新型发电方式的基础上,认为利用压电发电技术采集环境能量具有独特的优势.分析了振动式压电发电技术在国内外的研究进展,并以大功率的道路压电发电为重点,阐述了其原理、结构和应用领域,总结了今后的发展方向和热点问题.     

Nanoscale Characterization of Energy Generation from Piezoelectric Thin Films

We report on the use of nanoindentation to characterize in situ the voltage and current generation of piezoelectric thin films. This work presents the controlled observation of nanoscale piezoelectric voltage and current generation, allowing accurate quantification and mapping of force function variations. We characterize both continuous thin films and lithographically patterned nano­islands with constrained interaction area. The influence of size on energy generation parameters is reported, demonstrating that nanoislands can exhibit more effective current generation than continuous films. This quantitative finding suggests that further research into the impact of nanoscale patterning of piezoelectric thin films may yield an improved materials platform for integrated microscale energy scavenging systems.     

压电陶瓷发电装置的能效优化系统设计

针对压电发电装置发电效率不高的问题,设计了一种基于单片机的压电陶瓷发电装置的能效优化系统,该系统可调节悬臂梁长度来改变装置的固有频率,让系统自动适应外界振动信号变化,实现装置的能效最大化。利用LTC3331电源管理芯片来进行整流、变压,将能量存储在可充电电池的同时,又将一部分电能作为整个系统的工作能源,实现优化系统的自供电。     

宽频压电振动发电机阵列特性分析与实验

利用压电振动发电机可实现环境振动能量到电能的转化,压电振动发电机阵列可实现较宽频带的振动能量收集,压电振动发电机的特性研究通常采用机械分析方法,该文采用电路分析方法针对压电振动发电机阵列的串、并联方式进行了特性分析,利用电子电路仿真软件PSPICE对串、并联不同连接方式下压电发电机阵列的内阻及负载电压与负载功率进行了比较分析,最后设计了一台压电发电机阵列并进行了实验分析,验证了特性分析的正确性。     

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。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。