基于同步电感及buck-boost转换器的能量回收接口技术

设计基于同步电感及buck-boost转换器的接口技术—SCEI(Synchronous Charge Extraction and Inversion),完成该接口技术在恒定激振位移、恒定激振力情况下回收功率的理论分析及计算。理论计算表明,在恒定激振位移下忽略buck-boost转换效率时SCEI的回收功率大于Parallel-SSHI技术最大回收功率,且该回收功率与负载无关;在恒定激振力下SCEI回收功率与SECE技术特性相似;通过实验比较设计的SCEI技术与4种经典技术在相同激振位移下的回收功率。实验结果表明,SCEI技术回收功率约为SECE的1.5倍,且与负载无关。     

共振频率可调式非线性压电振动能量收集器

振动能量回收技术能够将环境中的机械振动能转换成电能,进而为微功耗装置供电,具有良好的应用前景。设计了一种利用压电材料的新型振动能量收集器,该机电耦合结构由一对非对称压电悬臂梁组成,悬臂梁末端固定有永磁体,利用永磁体产生的非线性力,实现了悬臂梁共振频率与外界激振频率的匹配调节。提出了该结构的理论模型,借助Matlab/Simulink数值分析软件对理论模型进行了仿真分析,并通过实验进行了验证。实验结果表明外界激励加速度幅值为3 m/s~2的时,结构即能实现较大频带范围内的频率匹配调节,频带范围不低于6.5Hz,最大回收功率不低于2 mW。     

基于电磁感应能量捕获技术的磁流变阻尼器研究

针对目前智能结构磁流变阻尼器工作时需要外部电能输入的问题,提出一种可以自行获得电能、无需外部电能输入的新型磁流变阻尼器。与常规的磁流变阻尼器相比,该新型磁流变阻尼器能利用自带的电磁感应能量捕获结构将外界环境振动能量转换为其自身可用的电能,从而省去外部电源设备,提高磁流变振动控制系统的可靠性。首先论述该新型磁流变阻尼器的结构特征及其电能收集的理论模型,然后对其捕获电能的能力进行模拟仿真,最后在实验台架上对实际加工的实验器件原型进行实验研究。实验结果表明:在外界振动条件下,该新型磁流变阻尼器可以在无需外界电能输入的情况下改变阻尼特性,实现对振动的无源智能控制。     

基于并联电感同步开关控制的振动能量回收方法研究

针对振动能量回收使用的并联电感同步开关(SSHI)控制方法研究中未考虑的控制损耗、储能负载和激励环境等问题,设计了一种基于电流监控、比较器、单片机和双向电子开关的低功耗回收控制电路。单片机通过比较器产生的中断信号控制双向开关适时闭合,成功实现了并联SSHI回收控制电路的功能。以储能装置为负载时,分析了整流电压、振子电容、激励幅值和频率对并联SSHI回收电路控制效果的影响,结果表明该方法在整流电压值较高、振子电容较大、激励频率较高、激励力较小时能够更有效地提高回收效率,为并联SSHI控制方法的应用奠定了一定的理论基础。     

基于宽频-多模态的复合俘能器的解析模型与实验研究

为提高单频压电振动俘能器的能量转换效率和工作频带,结合压电和电磁能量转换机制,提出了一种新的混合俘能器系统。该系统由PZT悬臂梁、弹性悬挂磁铁块、粘附于悬臂梁末端磁铁块及谐振器等组成,引入谐振器及磁铁可实现增加系统模态数量和非线性。基于此混合振动俘能器建立了改进型连续体机电耦合解析模型,并由龙格-库塔算法进行了求解。在此基础上,研制了振动俘能器原理样机,并搭建了实验系统,通过实验和解析评估方法完成了单一式和复合式俘能器性能比对和评估;研究表明,所研究的混合型振动俘能器相对常规振动能量俘集原理可实现较宽的频率范围及多模态振动能量俘集,且能量俘集效率明显提高,具有较好的应用前景。     

基于压控电荷源和小波变换自适应算法的主-被动压电振动控制

针对压电被动振动方法中电路参数环境适应能力差、电路复杂和压电主动振动方法需要较高的输入功率问题,提出了一种基于压控电荷源和小波变换自适应算法的振动主-被动控制策略。首先,针对压电片等效电路的特点,设计了压控电荷源电路,并阐述了主-被控制方法的控制原理;对于压控电荷源的控制电压,引入了小波变换自适应算法,提高了系统的自适应能力。最后,基于dSPACE实时仿真系统,利用模拟电路和压电元件,设计并建立了四边固支的压电合金板的主-被动振动控制实验平台,对提出的方法进行了正弦和白噪声激励下的振动控制实验研究。结果表明,提出的方法能够有效的抑制压电合金板结构由于正弦激励引起的单模态和多模态振动,且能有效抑制白噪声激励引起的随机振动。     

复合压电水平悬臂梁振动俘能特性试验及机电耦合模型研究

压电悬臂梁具有较好的振动俘能特性,然而其复杂力电特性及模型相关研究的不充分性导致实际应用受到制约。鉴于此,开展复合压电水平悬臂梁振动俘能特性试验及模型研究：首先,基于电路和结构基础设计搭建压电悬臂梁振动能量转换电能的试验系统,试验结果显示,压电悬臂梁俘能系统能量转换能力受外部激励频率、内部电路负载以及结构设计配重等条件的影响,其机电转换特性复杂,电压/电流-应变关系曲线呈近似椭圆形,功率-应变关系曲线呈近似蝴蝶形,还观测到由于结构自身及其配重的重力效应导致特性曲线形状呈现偏置现象;然后,提出力电耦合数学模型用于复合压电水平悬臂梁系统俘能的力电特性描述,通过与试验数据比较,验证该模型不但可以精确预测振动回收的电能(功率),还可有效模拟电压/电流-应变和功率-应变的复杂力电特性,且对试验特性曲线存在的偏置现象也能较好的模拟。试验和模型研究成果将对压电悬臂俘能系统在工程领域的进一步应用提供必要的理论基础。     

二维声学黑洞对弯曲波的能量聚集效应

声学黑洞(Acoustic Black Holes,ABH)效应是利用结构厚度以一定幂函数形式减小,致使弯曲波的相速度逐渐减小而实现能量逐渐聚集,理想情况下弯曲波波速减小为0从而无法传递到结构边缘,也就不会发生反射。声学黑洞效应使得结构产生高能量密度区域,因此能高效应用于能量回收和振动噪声控制。为了研究二维声学黑洞结构具有弯曲波能量聚集效应,运用有限元分析软件ABAQUS建立了二维声学黑洞模型,从时域上研究弯曲波在声学黑洞区域的传播过程,结合有限元数值结果与振动功率流的结果分析弯曲波能量聚集过程。最后通过激光超声实验系统对二维声学黑洞中弯曲波传播过程进行成像与分析,实验结果验证了二维声学黑洞结构对弯曲波能量的聚集效应。     

多方向振动能量收集装置输出特性分析

针对一种压电振动能量收集装置输出特性展开研究,以实现多方向、宽频振动能量收集。首先,建立压电悬臂梁单自由度振动系统的微分方程,分析外激励下悬臂梁的输出响应。在此基础上,采用COMSOL建立多悬臂梁式振动能量回收装置有限元模型,并进行模态、输出电压及输出功率等分析,仿真结果表明振动能量回收装置在不同方向激励时均具有较高的电压、功率输出。此外,进一步讨论了装置的在不同方向激励下宽频输出特性,结果显示其在200～400 Hz频带范围内具有多个幅值相当的峰值。     

压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势

摘要：随着无线技术及微机电技术的日益发展,以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。本文从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手,从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。在结构设计方面,以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线,详细介绍了国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面,以能量收集效率的提高为主线,介绍了电路结构的优化改进。最后,总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向,为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考。     

Modeling and fabrication of a piezoelectric vibration‐induced micro power generator

Abstract

In this paper, theoretical and experimental study on a piezoelectric vibration‐induced micro power generator that can convert mechanical vibration energy into electrical energy is presented. The mechanical‐electrical energy conversion mechanism is a voltage between two capacitors, which belong to the mechanical and the piezoelectric equivalent circuits, respectively. To verify the theoretical analysis, two clusters of transducer structures are fabricated. Piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) material is chosen to make the energy conversion transducer. The desired shape of the piezoelectric generator with its resonance frequency in accordance with the ambient vibration source is designed by finite element analysis (FEA).

Experimental results show that the maximum output voltages are generated at the first mode resonance frequencies of the structure. The overall conversion efficiency is measured to be 33%. The experimental results coincide with the theoretical analysis.     

Effect of subgrade on piezoelectric energy harvesting under traffic loads

Piezoelectric energy harvesting in roads generated by traffic loads was theoretically and experimentally investigated, and an indoor model of a layered road for piezoelectric transformation was developed using the traffic load model groove. Elastic double-layer beams resting on the subgrade soil were used to consider piezoelectric energy harvesting under traffic loads. Based on the vibration differential equations of elastic double-layer beams, the electromechanical equation was obtained using the Fourier transform. The experimental results of the piezoelectric energy harvesting were close to the theoretical ones, which indicated that the proposed method was useful in predicting piezoelectric energy harvesting from roads under traffic loads. The results also show that the influence of the transducer position on the output voltage and power should be considered, and that the thickness of the concrete panel and the condition of the subgrade soil can affect the output voltage and output power of the piezoelectric transducer. Moreover, the electrical energy was proportional to the vibration frequency and the excitation load.     

Cymbal压电发电换能器有限元分析

通过建立Cymbal压电发电换能器的机电耦合有限元分析模型,计算分析了换能器结构参数对输出电压和谐振频率的影响以及外接负载对Cymbal换能器输出电压和输出功率的影响。研究表明,为了降低换能器的工作频率和提高换能器的输出电压,应增大换能器的空腔底部直径和减小换能器的空腔高度;在选择金属端冒和压电陶瓷厚度等参数时,应综合考虑换能器系统的刚度和外界振动源的频率特性和加速度特性;在任意一个频率点上,Cymbal换能器均存在一个最佳的外接负载,使得换能器的输出功率最大,而这个最佳的负载阻抗就等于Cymbal换能器在这个工作频率点上的输出阻抗。文中还提出并分析了基于外加预应力的多振子级联方式Cymbal压电发电换能器系统的结构。     

Double synchronized switch harvesting (DSSH): a new energy harvesting scheme for efficient energy extraction

This paper presents a new technique for optimized energy harvesting using piezoelectric microgenerators called double synchronized switch harvesting (DSSH). This technique consists of a nonlinear treatment of the output voltage of the piezoelectric element. It also integrates an intermediate switching stage that ensures an optimal harvested power whatever the load connected to the microgenerator. Theoretical developments are presented considering either constant vibration magnitude, constant driving force, or independent extraction. Then experimental measurements are carried out to validate the theoretical predictions. This technique exhibits a constant output power for a wide range of load connected to the microgenerator. In addition, the extracted power obtained using such a technique allows a gain up to 500% in terms of maximal power output compared with the standard energy harvesting method. It is also shown that such a technique allows a fine-tuning of the trade-off between vibration damping and energy harvesting.     

深腔流激振荡特性研究及能量采集初步分析

针对深腔流激振荡现象的内部声场特性及其流体动能利用方法进行了研究,通过对谐振空腔内部的流场和声场进行数值模拟,探究腔体结构尺寸和流速对内部声振荡响应特性的影响,选用合适的空腔结构安装压电换能器初步实现声电能量转换过程,并进行实验验证。结果表明,当谐振腔开口尺寸H_(R)=30 mm,长度L_(R)=230 mm时,可在相当于高压输气管道的流速范围内获得属于第一水力模态和第一声学模态的稳定声振荡;当气体流速为32.26 m·s^(-1)时,声场压力振幅可达4.62 kPa;选用压电陶瓷厚度hp=1.0 mm的压电片进行实验测试,可得开路电压为1.99 V;实验结果与模型预测结果趋势一致。该方法丰富了环境流体动能的利用方式,且有望在低功耗、远距离、低维护等特殊场合的微型无线电子设备中实现无源供电。     

穿孔式双浮体装置水动力及波能转换特性研究

为进一步解决波能转换装置向深水环境推进过程中存在能量转换效率问题,在现有双浮体点吸式波能装置基础上考虑穿孔阻尼板,提出新的穿孔双浮体带支撑立柱的结构形式。基于线性微幅波假设,通过特征函数展开和边界匹配的势流半解析方法,并结合多自由度振动理论,探索穿孔阻尼板对获能系统水动力、运动响应及俘获宽度比的影响。计算结果表明,阻尼板开孔会降低浮子及阻尼板自身受到的波浪激励力,浮子、阻尼板以及它们之间的耦合辐射作用力会随着阻尼板开孔半径增大而减小;阻尼板的开孔半径增大能有助于浮子与阻尼板的相对响应振幅;阻尼板会使系统出现两个耦合共振频率,在较小共振频率处的最优俘获宽度比均随着阻尼板开孔半径的增加先增大后减小。研究结果可为深水波浪能利用的工程应用提供理论基础,为后续振荡浮子波浪能发电装置优化提供依据。