微型双稳态板压电俘能器的仿真研究

基于中间固定、四边自由的微型压电层合板模型,应用应变梯度理论考虑其尺寸效应,借助ABAQUS用户自定义子程序(UEL)模块自定义了一种三维八节点的微型压电单元.利用有限元法热-力-电耦合分析对微型双稳态板压电俘能器进行了仿真研究,发现其在不同的激振频率下存在不同的变形状态,非线性动态分析显示该结构在其一阶固有频率之前也能俘获较多电能,且存在多态转换交替出现的现象.针对该微型双稳态压电俘能器,给出了其最佳的工作频率和最大俘获电压.研究成果对微型压电俘能器的设计分析和性能检测具有重要的指导意义.     

热电俘能器的设计与研究

热电俘能器是一种基于赛贝克效应,利用温度差异将热能直接转化为电能的温差发电装置.热电俘能器的应用范围很广,并且自身体积小、无污染、安全系数极高等优点,对于俘能器的设计愈加受到重视,具有极高的研究价值,成为当前最热门的研究方向之一.     

具有时滞反馈控制的双稳态压电-电磁式俘能器的随机动力学

本文研究了色噪声激励下具有时滞反馈控制的双稳态压电-电磁混合式俘能器的动力学特性.首先,建立了非线性双稳态压电-电磁俘能器的集中参数型机电耦合运动方程,并基于能量包线随机平均法推导得到系统稳态概率密度函数和平均输出功率表达式,通过蒙特卡洛数值方法验证了理论解的正确性.其次,分析了时滞和反馈增益系数对系统输出功率的影响.研究结果表明：在一定参数范围内,随着位移时滞与速度时滞的增加,输出功率出现周期性变化,并在特定的时滞与反馈增益组合下达到最大值;调节反馈增益系数可以改变输出功率的相位和大小.说明通过合理地设置时滞反馈控制可以提高俘能器的采集功率,为随机激励下非线性振动俘能器的设计和优化提供一定的理论依据.     

双晶压电悬臂梁俘能器的建模与仿真

针对双晶片悬臂梁式压电俘能器的优化问题,考虑悬臂梁末端位移与质量块质心位移的差异,对Roundy数学模型进行了修正.通过ANSYS有限元软件对俘能器建模并进行模态分析和谐响应分析,当质量块长度逐渐变大时,修正后数学模型对俘能器一阶固有频率和输出电压有更好的预测精度.研究了质量块形状和负载对俘能器输出特性的影响规律,发现在质量块质量不变时,提高质量块的质心高度能提高俘能器的发电能力,对俘能器的结构优化具有借鉴意义.     

基于卡门涡街原理的谐振型风力压电俘能器研究

针对大田环境中无线传感器网络节点需要持续稳定电能的要求,发展一种基于卡门涡街原理的谐振型风力压电俘能技术。基于计算流体力学数值方法,分析在不同风速下进气道内流场的流体动力学行为,实现对进气道及绕流体的结构设计。采用亥姆赫兹谐振腔作为风压谐振放大及涡脱频率的调节装置,并使谐振腔底部压电复合薄圆板与谐振腔的频率一致,从而在气流的冲击振荡作用下产生共振并输出最大的电能。实验表明,谐振型压电俘能器在风速14m/s,外部负载电阻400千欧时最大可输出13.6mW的电能。     

直角复合梁压电俘能器多方向能量收集

提出了一种可进行多方向能量收集的直角复合梁压电俘能器。使用有限元分析法得到了直角复合梁压电俘能器的功率频响曲线,并与常规复合梁压电俘能器进行了发电能力比较研究,随后参数化分析了金属主梁长度和附加质量对直角复合梁输出功率的影响关系。结果表明,相比于常规的复合梁,直角复合梁压电俘能器可以进一步减小两个谐振频率之间的距离,并且在两个激励方向（x向和z向）有较高的峰值功率密度。x方向激励时,通过合理调节金属主梁长度和末端质量,直角复合梁压电俘能器可以得到两个更接近的峰值功率密度;z方向激励时,随着金属主梁长度和末端质量的增加,直角复合梁压电俘能器的峰值功率密度增加。     

基于压电俘能器的自供电步态检测系统设计

鉴于压电元件既能感测压力动态变化,又能实现能量转换,采用两种压电模块设计了一款低成本、可穿戴、可自供电的步态检测系统.以矩形双晶陶瓷压电片作为压电俘能器能量转化单元,将人体运动机械能转换成电能,并利用其为步态检测系统供电;以柔性PVDF压电薄膜作为足底压力检测单元,完成人体站立、行走、跑步、跌倒等基本步态信息的检测.实...     

一种基于压电俘能器供电的温度测量系统设计

物联网时代传感器节点往往分布广泛,且有时传感器节点放置位置不易触及,电池能量一旦用尽不易更换,该传感器节点就无法正常工作。为此,该文设计了一种基于压电振子振动能量供电的微功耗温度测量系统,该系统利用压电振动能量收集装置将环境中存在的低频振动能量转换为电能并收集存储,并为设计的微功耗温度测量系统供电从而实现温度信号采集和发送。提出了一种基于干簧管的能量采集电路,其采集效率是标准能量采集电路的32倍,最后通过试验验证了该系统的可行性与准确性。     

全叉指电极d33模式压电悬臂梁俘能器研究

为了克服表面叉指电极d33模式微机电系统(MEMS)悬臂梁振动俘能器中存在的压电材料极化不完全、存在弯曲电场等问题,提出了一种电极贯穿于整个压电层的全d33模式MEMS悬臂梁振动俘能器.根据机电耦合模型,分析了电极尺寸与材料厚度对压电俘能器输出功率的影响.优化结果表明:当硅基底厚度为20μm、电极宽度1μm时,电极间距最优范围为25～75 μm,PZT材料最优厚度为7μm,归一化后得到功率密度为34.5mWcm-3gn-2.通过在表面叉指电极d33模式俘能器的基础上增加电镀电极工艺,设计了不锈钢基底的全d33模式MEMS俘能器的工艺流程,完成了部分单元工艺.     

基于梯形回环的低频双晶压电俘能器特性分析

针对如何实现微机电系统器件长时间供能已成为亟待解决的问题,提出了一种基于梯形回环的低频双晶压电俘能器,建立了ANSYS有限元分析模型,对其进行了静态分析、模态分析和谐响应分析,将梯形回环俘能器的特性和矩形回环俘能器的特性进行比较。仿真结果表明,在相同发电面积和相同结构的情况下,基于梯形回环的压电俘能器的输出电压比传统的矩形回环的压电俘能器电压提高了115%;引入边峰抑制比(SPI)来衡量其宽频俘能能力,梯形回环双晶压电俘能器宽频能力较传统的矩形回环压电俘能器提高了5%。     

压电振动能量采集器的力电耦合模型及其功率优化*

为提高传统压电振动能量采集器集总参数模型的性能预测精度,考虑悬臂梁的振型信息与轴向应变分布情况,提出了一种改进的力电耦合模型,该模型引入无因次幅值修正因子,通过曲线拟合方法确定了修正因子与振型函数和振动幅值之间的关系表达式;利用Rayleigh-Ritz模态分析法确定了力电耦合模型中的集总等效参数(如质量、刚度等),并根据弹性动力学原理建立了能量采集器的运动控制方程,得到了稳态时能量采集器的力、电输出响应表达式;最后,利用改进的模型对能量采集器的负载电阻和输出功率进行了优化,得到了负载短路和负载开路时能量采集器的最优输出特性。仿真结果与实例对比验证了提出模型的正确性,表明改进的力电耦合模型具有较高的预测精度。     

AIN压电振动能量收集器的结构优化设计与实验

在整体尺寸不变的基础上,结合集总参数模型,利用ANSYS有限元软件对氮化铝(AlN)压电振动能量收集器的结构参数进行优化设计,得到压电悬臂梁单元的优化尺寸为5mm×12mm×0.05mm.设计了工艺流程,加工了原理样机.经测试:在1gn加速度,204.6 Hz谐振频率激励下,样机在最优化负载80 kΩ下的输出电压为2.3V,输出功率为66.125μW,满足部分低功耗传感节点的供能要求.     

新能源电力系统控制与优化

新能源电力的规模化开发以及传统能源的清洁高效利用已成为当前能源革命的主题.目前,我国新能源电力比例持续增加,但受限于化石能源占主导的电源结构,未来很长一段时间内我国将处于混合能源时代.强随机波动性、间歇性以及不确定性使得规模化新能源电力的消纳问题日益严重,我国弃风弃光现象十分突出.深入认知电源侧、电网侧、负荷侧的基本特性,着重解决其控制与优化难题,是实现新能源电力系统安全高效运行的基本前提.本文围绕电源效应、电网响应、负荷响应,着重从电网友好型发电控制、基于多源互补的火力发电弹性控制、适应高比例新能源电力消纳的电网调度控制、需求侧资源特性与主动适应控制以及基于分布式能源的微电网控制5个方面阐述了新能源电力系统局部与全局控制中存在的关键科学问题.     

Design and optimization of MEMS piezoelectric energy harvester for low frequency applications

Microsystem Technologies - Piezoelectric vibrational energy harvester (PVEH) suits best for harvesting vibrational energy from the environment due to the simplicity in design, operation, and...     

Enhancement of vibration based piezoelectric energy harvester using hybrid optimization techniques

Microsystem Technologies - MEMS unimorph piezoelectric vibration energy harvester is designed and optimized based on Hybrid Optimization techniques [genetic algorithm (GA), bat algorithm (BA), grey...     

A zero static power consumption bi-stable RF MEMS switch based on inertial generated timing sequence method

Microsystem Technologies - This paper reports on a novel in-plane and electrostatically actuated bi-stable radio frequency (RF) microelectromechanical systems (MEMS) switch. A lateral RF MEMS...     

Wide band fractal‐based perfect energy absorber and power harvester

In this article, a novel wide band polarization and incident angle independent metamaterial absorber (MA) and energy harvesting applications which operates at C (4GHz‐8 GHz) and X (8GHz‐12 GHz) is proposed. The unit‐cell of the proposed structure based on fractal circle loop. Four lumped resistors are mounted the structure to obtain a broad band absorption characteristics. Resistors increase the absorption characteristic of proposed MA significantly at mentioned frequency ranges. In addition, under favor of the resistors proposed MA can convert absorbed energy from incident wave to appearing power.     

片上互连网络的功耗特征分析与优化

随着处理器核数的增加,片上互连网络NoC结构日趋复杂,导致片上互连网络功耗所占的比重和功耗分析的难度也在增加。片上互连网络的任务映射,既要保证多处理器核心之间通信的高性能,又要保证耗费尽可能少的功耗和面积,即在有限的功耗和面积开销下获得较高的性能。在进行任务映射时,核心之间的通信距离是减少任务通信功耗的关键。连续且近凸的区域有助于缩短任务的通信距离。分析了一种功耗最优的片上互连网络启发式映射算法（INC）,该算法由区域选择算法和节点映射算法组成。对区域选择算法的2个因子进行了改进,使应用总的通信开销最小化且保证后续应用以很小的通信代价进行区域选择。提出了新的基于选择区域的映射算法。它们在动态到达程序映射问题中的实验结果表明,新的区域选择算法和节点映射算法相比于INC,可以减少12.10%的通信功耗,并且带来11.23%的通信延迟优化。     

Topology optimization of a cantilevered piezoelectric energy harvester using stress norm constraints

Vibrational piezoelectric energy harvesters are devices which convert ambient vibrational energy into electric energy. Here we focus on the common cantilever type in which an elastic beam is sandwiched between two piezoelectric plates. In order to maximize the electric power for a given sinusoidal vibrational excitation, we perform topology optimization of the elastic beam and tip mass by means of the SIMP approach, leaving the piezoelectric plates solid. We are interested in the first and especially second resonance mode. Homogenizing the piezoelectric strain distribution is a common indirect approach increasing the electric performance. The large design space of the topology optimization approach and the linear physical model also allows the maximization of electric performance by maximizing peak bending, resulting in practically infeasible designs. To avoid such problems, we formulate dynamic piezoelectric stress constraints. The obtained result is based on a mechanism which differs significantly from the common designs reported in literature.