悬臂梁压电发电装置的实验研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究,研制了一套悬臂梁压电振子发电系统.设计了悬臂梁压电振子,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试.在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究.研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大.输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在-个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大.利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50 kΩ时,压电振子输出电压为7 V;当负载电阻为15 kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4 mW,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求.     

道路用堆叠式压电俘能单元制备与应用性能

针对现有压电换能器用于道路工程存在技术缺陷,优选出适用于道路发电的堆叠式俘能单元结构并优化尺寸,制备8种路用堆叠式压电俘能单元,借助力学性能试验评估结构强度,开发出压电俘能单元测试夹具并搭建发电性能模拟测试系统,研究了压电俘能单元的发电性能,测试了发电路面小尺寸试件的能量输出效果。结果表明:制备的堆叠式压电俘能单元结构强度良好,能够满足发电路面施工及工作的使用要求;在试验研究范围内荷载大小、加载频率、压电陶瓷片厚度及堆叠层数均与压电俘能单元的发电性能正相关,单片厚度为1.0 mm的堆叠式压电俘能单元输出的最大开路电压可达37.8 V、最大功率可达183.2 m W;典型发电路面小尺寸试件能够实现11.06 m W的能量输出,具备了理想的应用前景。     

基于压电效应的声能量收集

对圆盘式压电能量收集器在声场作用下的电能输出效果进行了研究。将处于夹持状态的压电陶瓷片,放置在单频稳态的正弦波形声场中,由于激振作用,压电陶瓷片会产生形变。实验结果表明,在器件处于谐振状态时输出电压和功率会达到最大值。在正弦声场中,当声波频率达到907 Hz的谐振频率时压电陶瓷片的开路输出电压可以达到4.6 V;在110 dB的声场中,当负载电阻达到11.2 kΩ时,输出功率最大可达60.4μW。     

宽频压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

压电振动能量采集器是一种新型的力(加速度)-电耦合转换输出器件,为了提高单自由度悬臂梁压电振动能量采集器的输出功率和工作频带,通过在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器的方法,构造形成了具有两自由度的宽频压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了宽频压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明：大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率并拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压,优化后的短路谐振和开路谐振最大输出功率分别达到4386.5 mW/g2和4263.4 mW/g2。频带宽度达到10 Hz,且是SDOF系统的5倍。     

Ag纳米颗粒修饰(K0.5Na0.5)NbO3/PVDF柔性压电能量收集器及其性能

将机械能转换为电能的压电能量收集器可为便携式可穿戴电子器件提供持续、独立的供电方案，促进柔性电子技术向智能化、集成化、多功能化方向发展。本文采用光还原法制备了Ag纳米颗粒修饰的铌酸钾钠(KNN)颗粒并将其与聚偏氟乙烯(PVDF)复合，得到Ag-KNN/PVDF压电复合薄膜。采用热压法在两层PVDF中复合Ag-KNN/PVDF薄膜，得到三明治结构的柔性复合压电薄膜(PAKP)及压电柔性能量收集器。研究结果表明：当Ag摩尔分数为1%时，PAKP柔性复合薄膜的极性β相最大，且压电输出性能最佳，输出电压可达6.39 V，是无Ag修饰样品的1.43倍，器件的最大瞬时功率为150.5 nW。经过3 000次循环测试后，器件的电压输出幅度无明显变化。将其固定于自行车车架上，收集自行车行进中的机械能可使220 nF电容在200 s内充电至1.2 V，表明其在低功耗电子器件自供电领域具有良好的应用前景。     

基于双ZnO薄膜单元并联结构的微型压电振动能量采集器(英文)

报道了一种基于ZnO压电薄膜双单元结构的压电式微型振动能量采集器,其中的双压电元件是并联结构.采用射频磁控溅射技术制备ZnO压电薄膜,同时,该压电式振动能量采集器采用微加工技术制作.测试表明该器件的共振频率为1 300 Hz,基于ZnO薄膜双单元并联结构的压电式振动能量采集器比起具有同样尺寸的传统型压电振动能量采集器有更高的输出性能.在频率为1 300 Hz,加速度为10 m/s2的外界振动激励下,该压电式振动能量采集器在1 MΩ负载电阻上产生的电压为2.06 V;当负载电阻为0.6 MΩ时,输出功率最大为1.25μW.     

复合式双稳能量采集系统动力学及相干共振

提高能量采集系统的采集效率是一个课题难题。提出了含有压电及电磁效应的复合式能量采集系统,研究了其非线性动力学特性以及相干共振现象。首先建立了压电与电磁耦合的复合式能量采集系统模型,推导了其耦合方程。采用Runge-Kutta和Euler-Maruyama方法分析了压电式、电磁式以及复合式结构分别在确定性及随机激励作用下的动力学行为,并进行了实验验证。结果表明,同时考虑压电与电磁耦合的能量采集系统不仅在低频的大幅激励下具有高效的能量采集效果,而且在宽频随机激励下相干共振时的电压输出更高。此研究结果可应用于提高振动能量采集效率,优化电压输出。     

预应力式压电能量采集器的模型和试验分析EI北大核心CSCD

为提高振动能量的采集效率,设计了一种基于预应力梁的压电能量采集器。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了基础激励条件下含预应力压电陶瓷悬臂梁的动力学模型,并利用数值仿真的方法对其输出功率、电压等性能进行分析。最后搭建了试验平台对上述预应力能量采集器的样品进试验测试,对其输出电压、输出功率和自由端位移与预应力大小关系进行分析和研究。试验结果显示在相同条件下,5.9 N轴向预拉力作用下的压电能量采集器的开路电压比无预应力条件下提高了11.6 V。对相同容量的电容的充电试验结果表明,含5.9 N轴向预拉力的压电能量采集的平均充电电压比无预应力情况下提高了1.55 V。数值仿真和试验结果均显示含预应力的PEH的能量采集效率得到明显提高。     

双自由度压电振动能量采集器的力-电输出特性分析

在单自由度悬臂梁压电振动能量采集器模型基础上增加一个弹性放大器,构造形成了具有双自由度的压电振动能量采集器。利用ANSYS有限元软件建立了双自由度压电能量采集器的有限元力-电耦合模型,数值分析了模型中各参数(如质量比、阻尼比以及负载电阻等)对系统力特性(速度、加速度等)和电输出特性(电压、电流、输出功率等)的影响。研究结果表明:大的质量比和小的阻尼比能够提高压电悬臂梁能量采集器的输出功率,并能拓展其工作频带;短路谐振状态下的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电流,而开路谐振状态的匹配电阻能够使能量采集器产生较大的输出电压。研究结果还表明:对于尺寸为50.8mm×31.8mm×0.26mm的悬臂梁基板和50.8mm×31.8mm×0.14mm的压电晶体构成的双自由度系统,在基础加速度40m/s2、频率38Hz的外界振动激励下,系统在负载电阻短路和开路状态下的最大输出功率分别达到4 386.5和4 263.4mW,是单自由度系统的10倍。双自由度系统的频带宽度达到10Hz,是单自由度系统的5倍。     

面向快递包裹运输的自供电环境监测系统设计和仿真

目的 针对包裹运输实时状态监测的能源和续航问题,文中设计一种自供电物流环境监测系统以解决相应的续航问题。方法 分析公路运输车辆振动分布情况;设计一种电磁振动能量收集器和能量管理电路,建立能量收集器的物理和数学模型;通过仿真和实验对比文中提出的收集器的模型和实测的输出结果,并测试能量管理电路性能以及相应阻抗匹配分析。结果 收集器仿真结果和实测结果基本吻合,输出电压的峰值均高于1V。文中提出的能量管理电路能够有效完成收集器输出电压的升压整流,与收集器配合后充电效率最高可达51.1%,阻抗匹配在1kΩ时输出效果最优。结论 文中提出的数学模型有效、可靠,且自供电物流环境监测系统方案有效提升了包裹实时监测的续航能力。     

针对远程无线开关的电磁式冲击能量收集器研究

远程无线开关控制面板的应用大大改善了人们的生活质量。研究了一种电磁式冲击能量收集器,实现了无线开关面板的无电池、自供能工作。提出了E型和U型两种铁芯的冲击式能量收集器结构,分析了工作原理。采用ANSYS Maxwell软件分析了收集器的磁力线分布、输出电压、输出功率等性能,完成了样机尺寸的优化设计。加工组装了E型铁芯的样机,完成了测试。结果表明,样机输出电压为12 V,转换的电能为0.66 mJ。以该收集器供电,无线开关面板发送了时长18 ms, 1.1 kHz的方波,在接收端实现了LED的开关控制。     

固体氧化物燃料电池初步研究

研制了管式SOFC试验电池系统,分别以H₂和CH₄为燃料,空气为氧化剂气体,对管状SOFC在500～950℃范围内的电性能进行研究．考察了温度对电池内阻、输出电流和输出电压的影响．结果表明,当电池工作温度升至950℃时,分别以H2和CH4为燃料,电池开路电压分别为0．98V和1．05V;最大输出电流密度达到19．6mA／cm²和16．4mA／cm²,最大输出功率达到30．0mW和24.4mW经过145h连续试验运行,试验电池性能没有出现任何退化迹象。     

一种带谐振腔的压电风能收集器

为了提高风能收集器的能量转化效率,提出了一种带谐振腔的压电风能收集器。建立了该压电风能收集器的数学模型,该模型考虑了风流体、结构振动以及输出电能之间的关系。基于该模型进行了仿真分析,获得了收集器结构参数、风速对发电能力的影响规律。制作了风能收集器样机,并进行了实验,结果表明,在2~12 m/s的低风速范围内,带有谐振腔的压电风能收集器的输出电能要大于不带谐振腔的收集器。     

新型聚四氟乙烯体材料双面驻极结构振动能量收集器

提出一种新型静电式振动能量收集器，该器件采用基于聚四氟乙烯体材料驻极体的双面电晕驻极结构，提高了薄膜驻极体静电式振动能量收集器的输出功率．在电晕驻极栅网电压为-700V的条件下，体材料驻极体的上下表面分别获得了-564．0V±83．1V、-636．4V±69．7V的表面电位均值．采用组装方式制成器件，并在正弦激振条件下测试器件的输出性能．实验结果表明，在振动频率10Hz、峰值加速度1．2g的条件下，器件输出峰值功率达到30μw，平均功率达到5．5μw，优于目前多数薄膜驻极体器件的性能，接近低功耗传感器的实际功率要求．     

球形管道内检测器压电能量收集器设计及实验研究

球形管道内检测器是一种新型的管道安全检测装置,但由于封闭结构中携带的电池有限,限制了其在长输管道中的应用。为了尝试解决该问题,提出了一种压电振动能量收集结构,将旋转中的机械能转化为电能。为了对结构的性质进行分析,利用欧拉-拉格朗日法建立了机电耦合动力学模型。基于该模型的数值仿真与旋转平台实验,结合内检测器在管道中的旋转特征,对能量收集器进行了详细的参数设计与优化。在管道中进行了样机实验,结果证明本收集器在所设计的内检测器工作条件下,可获得12.6 V的电压输出,在1.8 MΩ负载下可得88.2μW的功率。     

多振子串联压电俘能器性能分析与测试

为实现低频、大振幅、高强度振动能量回收,提出多振子串联压电振动俘能器,在理论、试验两方面研究压电振子数量/电学连接方式、集中质量及激励频率等对其性能影响规律。结果表明,增加集中质量及压电振子数量均可有效降低俘能器基频、提高发电量/输出功率;压电振子电学串/并联时输出电压及使输出功率最大、最佳负载不同,但产生的电能及在最佳负载下的输出功率相同。制作1/2/4组压电振子构成的俘能器,进行不同集中质量、频率、压电振子电学连接方式及负载的对比试验。单组压电振子在集中质量292 g的最佳频率及发电量分别为集中质量36.5 g的0.6倍、1.92倍;4组压电振子电学并联时的最佳频率及发电量分别为单组的0.58倍、2.2倍;两组压电振子电学串/并联的最佳负载及最大输出功率分别为42.3/10.6 kΩ、232.8/202.7 mW。     

压电-电磁复合振动俘能器的耦合负载特性及俘能性能

基于环境振动的俘能装置作为自供能微电源可以有效避免对外部电源的依赖。提出了一种新型的两端固支式低频压电-电磁复合振动俘能装置。理论推导了复合俘能系统的耦合动力学模型及俘能性能方程。利用搭建的实验平台分别研究了单一压电式、单一电磁式以及复合俘能装置不同激励加速度、频率以及两个支路不同外接负载下的耦合负载特性及俘能性能。实验结果表明:在基础振动加速度0.5g,压电、电磁支路外接最佳匹配阻抗50kΩ和30Ω的条件下,压电俘能支路,电磁俘能支路以及复合俘能装置最大谐振俘能输出功率分别为1.05,7.18及8.23mW。与单一形式的俘能装置相比,提出的复合俘能器提高了俘能效率,并具有一定的宽频俘能特性。     

被动湍流控制圆柱驰振能量收集的等效电路研究

为更好的预测驰振压电能量收获机的性能,首先建立了等效电路仿真模型(ECM)并通过实验验证,最大误差不超过10%。采用该方法分析了被动湍流控制(PTC)下圆柱驰振压电能量收集的仿真模型,且该方法可将驰振能量转化系统的质量-弹簧-阻尼(M-C-K)控制方程中各参数用等效电路的电子元件来表示,从而可以分析过往仿真手段所不能解决的直流电路耦合问题。其次,从能量收集效率角度分析了交流-直流等效电路中临界风速(Ucr)随外接载荷的变化规律,及输出电压与功率随不同风速和外界载荷的变化规律。结果表明,交流电路中Ucr随载荷的增大先增大后减小,直流电路中Ucr随载荷的增大逐渐减小。当风速达到Ucr的最大值时,驰振在任一电阻下均会发生。U≥Ucr时,驰振出现锁定现象,输出电压和功率均随着风速的增大而增大。当风速过大时,增长率有减小趋势。输出电压均随着电阻的增大而增大,功率随电阻的增大先增大后减小。相比于交流电路,直流电路的最佳负载由1.1 MΩ提高到2.0 MΩ,同时功率峰值从0.08 mW降低到0.04 mW。     

应用于无线传感器节点的微小型复合能源收集系统(英文)

设计并实现了一种可应用于无线传感器节点的复合能源系统样机,基于一种无线地磁交通流传感器,提出了本文的设计目标.选择太阳能、风能、应变能作为系统的能量源.根据这3种不同能量源的特性,对能量管理模块与能量储存模块进行了针对性设计,最后实现并测试了样机.实验结果表明,该样机可连续35 h在3.55 V电压下输出50mW的电能.     

旋磁激励式圆形压电振子发电机

为满足旋转机构监测系统自供电需求,设计旋磁激励式圆形压电振子发电机,并着重研究磁铁尺寸、磁铁间距、压电振子厚度等对压电振子一次受激产生的最大输出电压及总能量的影响规律。结果表明,其它条件确定时,增加磁铁尺度或减小磁铁间距均可有效提高发电机输出电压及有效速带宽度。试验获得输出电压大于12 V的转速范围为100~2 850 r/min。压电振子厚度对输出电压及总发电量均有较大影响,低转速时采用薄压电振子、高转速时采用厚压电振子有助于提高发、供电能力。0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm厚压电振子最佳转速分别为707.5 r/min、1 301.8 r/min、2 490.4r/min,0.2 mm厚压电振子一次受激产生的电能/功率分别为0.4 mm、0.6 mm压电振子的3.1/1.7倍、6.4/2.0倍。以输出5 V供电电压为例,912 r/min时0.4 mm厚压电振子输出电能为0.6 mm厚压电振子的5倍,1710 r/min时0.6 mm厚压电振子的输出电能为0.4 mm压电振子的1.7倍。