非線性壓電陣列式能量收集器的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、目前，世界上能源緊缺問題越來越嚴(yán)重。除了電網(wǎng)和蓄電池外，電能的獲取途徑相對(duì)有限。在無電網(wǎng)地區(qū)，電池容量不能滿足要求的情況下，只能通過利用太陽能、風(fēng)能、環(huán)境振動(dòng)能等環(huán)境能量來發(fā)電才能解決電能供應(yīng)問題。隨著低功耗電子設(shè)備迅速發(fā)展和社會(huì)對(duì)新能源的迫切需求，能量收集系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，而壓電能量收集器憑借其壽命長、高能量密度能等優(yōu)勢(shì)，使其研究熱點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的壓電能量收集器存在低頻環(huán)境下的輸出性能低、工作帶寬較窄的缺點(diǎn)，本文基于輸出能

2、量較高的壓電陣列式能量收集器，設(shè)計(jì)了新型非線性壓電陣列式能量收集器，旨在提高壓電能量收集器的工作帶寬、輸出電能和適應(yīng)低頻環(huán)境等能量收集性能。
　　首先根據(jù) Rayleigh-Ritz法和 Euler–Bernoulli梁理論，建立壓電能量收集器的分布參數(shù)模型的偏微分控制方程。隨后，通過高斯定理與基爾霍夫定律將機(jī)械部分與電路部分耦合起來，建立分布參數(shù)機(jī)電耦合模型，得到了機(jī)械振動(dòng)響應(yīng)和電學(xué)響應(yīng)。根據(jù)分布參數(shù)機(jī)電耦合模型，利用MATLA

3、B對(duì)單壓電片進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。在壓電陣列式能量收集器的基礎(chǔ)上，引入了非線性磁力，設(shè)計(jì)了一種新型非線性壓電陣列式能量收集器，根據(jù)分布參數(shù)機(jī)電耦合模型修正并建立起其集總參數(shù)機(jī)電耦合模型。將集總參數(shù)機(jī)電耦合模型的高階微分方程降階為一階微分方程組，再利用高階龍格-庫塔法對(duì)一階微分方程組進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求出諧波激勵(lì)下響應(yīng)。通過振動(dòng)分岔圖、李雅普若夫最大指數(shù)譜、龐伽萊映射圖和振動(dòng)相圖來刻畫運(yùn)動(dòng)特征，研究其激勵(lì)頻率、激勵(lì)幅值和磁鐵間距對(duì)輸出位移、有效輸出電

4、壓的影響，分析其內(nèi)在機(jī)理。隨后，研究非線性壓電陣列式能量收集器在白噪聲激勵(lì)下的輸出電壓與輸出功率、機(jī)電轉(zhuǎn)化效率。理論研究結(jié)果表明：相比較線性壓電陣列式能量收集器，非線性壓電陣列式能量收集器的工作帶寬、輸出電能和適應(yīng)低頻環(huán)境的能力得到了很大的提高。
　　搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過改變輸入振動(dòng)的頻率、加速度，來觀察壓電片末端質(zhì)量塊對(duì)壓電能量收集器的影響、陣列式壓電能量收集器的優(yōu)點(diǎn)、以及非線性壓電陣列式能量收集器在低頻下輸出特性和工作帶寬。實(shí)