谐振频率转换机制振动能采集器研究进展

环境振动能采集器可为低功耗系统提供绿色环保、可再生能源,具有寿命长久、能量密度高、微型、易集成等优势.能量采集环境具有随机振动频率低、频域广、振源幅值小且多方向性等特点,频率转换机制可有效解决采集器与环境振动频率不匹配问题,提高其能量转换效率.发电装置中的拾振结构频变方式主要分为接触式和非接触式,具体操作方法包括直接或间接碰撞拾振体、驱使振动体形变、磁力耦合调频等.综合比较了各类频率转换机制的优缺点及其实用性,指出了低宽频、高效能、智能化是未来振动能采集微电源的研究趋势.     

基于微型悬臂梁的发电机制探索

微机电系统(MEMS)微型化过程中,要求电源装置也必须向微型化发展.在现有微电源研究基础上,结合微型硅悬臂梁的力学分析以及压电晶体材料压电效应特性,提出一种新的压电陶瓷(PZT)微型硅悬臂梁发电装置.借助微型硅悬臂梁质量块的振动和PZT的正压电效应,实现振动机械能向电能转换.该装置结构简单、体积小、质量小,可以用MEMS集成加工工艺实现结构加工,因此与其他微型MEMS器件可以集成在一个基础上.     

自供能传感器能量采集技术的研究现状北大核心

归纳了国内外自供能微电源技术的研究现状,阐述了环境能量采集技术结构设计与能量转换机理。当前能量采集器主要依靠特殊功能材料完成能量转换,耦合方式包括：压电效应、磁致伸缩效应、摩擦发电效应、热释电效应、静电效应、光电效应等。能量来源包括：振动机械能、磁场能、摩擦能、温差能、风能、海洋能和太阳能等。能量采集器的结构形式有单一能量转换和复合能量转换等。为了提高能量采集装置的发电性能,研究重点是结构优化设计、换能材料改性、降低储能电路自损耗等。自供能微电源未来的发展趋势包括增强环境自适应能力、改进自供电能量转换效率、加快实用化步伐等。     

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。     

微能源的研究现状及发展趋势

电子产品小型化、微型化、集成化是当今世界技术发展的大势所趋.随着微机电系统(MEMS)技术的发展,与之相关的微能源技术得到人们更多的重视.人们希望MEMS技术和微能源技术互为促进,运用MEMS技术工艺改善和提高微能源的性能,同时微能源以某种方式集成于MEMS中,使MEMS具有更加强大和完备的功能.目前供能问题已经成为MEMS降低成本、进入实用化、自动化的最大障碍.介绍了微能源技术的研究现状和发展趋势,介绍了国际上微型锌镍电池、微型内燃机系统、微型锂电池、微型太阳电池、微型燃料电池和微型同位素电池研究工作的最新进展.简单分析了微能源的发展方向和应用前景.     

振荡水柱驱动压电发电理论建模分析

振荡水柱(OWC)驱动压电发电装置采用振荡水柱波浪能转换装置与复合圆形压电陶瓷片结合,主要由箱体、振荡水柱、压缩空气柱和复合圆形压电陶瓷片组成。首先基于线性波理论,采用三维Green函数法建立气室内水气动力学性能的空气压强理论计算模型,利用多维切比雪夫多项式求解气室内压强;其次根据压电陶瓷发电理论,结合材料力学的基础理论,建立圆形压电振子受压强作用的数学模型,进行受力分析和变形分析,得到复合压电振子的能量输出。振荡水柱驱动压电发电理论建模,实现数值模拟波浪能向电能的转换,为海面无线传感网络节点、小功率设备等持续供电装置的设计提供理论依据。     

振荡水柱驱动介电弹性体采集能量多种循环分析

介电弹性体是一种超弹性绝缘材料,薄膜上下表面敷上电极,其发电过程相当于可变电容。将振荡水柱波浪能转换装置与介电弹性体相结合,利用介电弹性体的电容行为将机械应变能转换为电能,所产生的电能主要取决于系统结构和介电弹性体材料参数以及所使用的能量收集循环模式。基于线性波和势流理论、流体动力学理论建立波浪驱动介电弹性体电弹性形变发电模型,分析振荡水柱式波浪能转换装置气室内空气压强驱动介电弹性体形变和由此引起电容变化情况。应用介电弹性体发电理论分析恒电荷、恒电压、恒电场3种能量收集循环模式对振荡水柱波浪能采集发电特性的影响,结果表明：介电弹性体材料的输出能量随着波浪周期、振幅的增大而增大,随着振荡水柱气室放置处水深和前墙开口的增大而增大,随着介电弹性体薄膜的半径增大而增大,随着薄膜厚度的增大而减小;在恒电场发电方式下,介电弹性体能够产生最大能量。     

基于介电弹性体的振荡水柱波浪能发电模拟分析

振荡水柱式(OWC)波浪能采集装置结构简单、成本低;介电弹性体作为发电机可以收集人体能、海洋能、风能等,能量密度高、耐冲击、环境适应性强,利用OWC驱动介电弹性体形变发电应用前景好。在FLUENT中建立二维数值水槽OWC模型分析气室内波高和压强的变化规律;在Abaqus有限元分析系统中将波浪进入气室的模拟压强施加到介电弹性体薄膜模型产生形变,采用Simulink计算介电弹性体发电量。结果表明:介电弹性体发电量随着薄膜面积、气室压强增加而增大;随着薄膜厚度、预拉伸强度增大而减小,并且这两者对发电量影响较大。     

磁力调频压电电磁复合发电设计与实验

开展了基于环境振动发电作为微电源弥补传统化学电池供能缺陷的研究。基于非线性磁力调频开发了低宽频振动能采集压电电磁复合发电系统。介绍了发电装置工作原理;利用ANSYS和Ansoft Maxwell有限元分析软件仿真分析了压电和电磁发电的输出特性;最后,搭建了压电电磁复合宽频发电装置实验测试系统,测试了发电系统在磁力自调过程中的输出特性。实验结果显示:复合发电系统在谐振频率60Hz时输出开路电压峰值为5.8V,高于压电系统(5.5V)和电磁系统(410mV)独立发电的开路电压峰值。施加磁力拓宽装置后,当压电悬臂梁沿竖直方向上下移动0~15mm时,系统适应谐振频带拓宽为45~76Hz;悬臂梁沿水平方向平移0~30mm时,谐振频带拓宽为51~70 Hz。结果表明仿真分析与实验测试结果吻合很好。该宽频带能量采集技术可用于低频振动环境的能量采集,可在频变环境中为微型低功耗系统提供低电能。     

用于微电池的压电悬臂梁电特性仿真

研究了一种带质量块的压电悬臂梁结构,利用压电薄膜的正压电效应将机械能转化成电能,可以用于振动能的收集。利用有限元分析软件ANSYS对结构进行建模,通过模态分析和谐波分析得到：悬臂梁在一阶模态时上下振动,形成恰当的工作状态;通过改变梁的各个几何参数和振动源的频率,得到了悬臂梁上下电极间峰值电压的变化情况;当振动源的频率为悬臂梁的一阶共振频率时,得到的峰值电压最大。