基于L形压电耦合梁单元的路面能量俘获装置研究

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近几十年来,如何将环境中的能量转化为电能一直是世界各国研究人员和工程师们关注的课题。在环境能中,振动能在环境中极为丰富,具有很大的应用潜力。尤其是在建筑结构中,无处不在的振动能可以被回收利用,为建筑结构节能发电。压电陶瓷具有机械能与电能的互反转换作用。这种固有的机电耦合效应使其在传感、驱动、能量采集等方面得到了广泛的应用。更重要的是,由于压电陶瓷的能量转换密度远远高于电磁转换,压电能量收集技术已成为吸收环境振动能量的最佳方法,如压电鞋,压电地砖和压电装置用于从道路和桥梁获取能量。同时,利用压电技术将无处不在的环境振动能量高效转化为方便的电能,将有效缓解当今世界面临的电力短缺问题。本文针对现有履带压电能量收集器输出功率密度低的问题,设计了三对与众不同的L形梁及相应的压电砖模型用于采集路面能量,并提高了梁上压电片的利用效率。由于目前还没有能够表达上述新型压电砖动态性能的理论模型,因此,本文采用实验的方法对上述新型压电砖(包括L形梁、力放大器和外壳)进行了可靠可行的电输出性能研究。定制了三对L形梁和两个压电砖试件,并进行了一系列实验。测试分析了各种因素,如激励力幅值、激励频率、力臂长度、单/双晶压电耦合段、压电耦合段段数、负载电阻对压电砖压电片输出电压和平均功率的影响。对于尺寸为50 mm×50 mm×1 mm砖样的压电贴片,其峰间电压和平均功率分别可达376 V(0.15 V/mm~3)和94.72 m W(37.89μW/mm~3)。由于成本有限,为了进一步探究其他因素对压电砖电输出性能的影响,我们通过MATALB和COMSOL软件对一些影响因素,如基底材料、压电耦合段长度、压电耦合段宽度、压电耦合段厚度进行了分析。模拟实验结果表明,对于3#压电砖,其两个压电耦合段的平均功率(功率密度)分别达到108.9 m W(43.6μW/mm~3)和110.9 m W(44.4μW/mm~3)。本研究提出的一种用于建筑结构中采集人体运动能量新型压电砖不仅具有较高的能量采集效率和成本效益,具有良好的应用前景,而且对压电砖的实际设计具有一定的指导意义。
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