非線性壓電陣列式能量收集器的設(shè)計與研究.pdf

1、目前，世界上能源緊缺問題越來越嚴重。除了電網(wǎng)和蓄電池外，電能的獲取途徑相對有限。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、風能、環(huán)境振動能等環(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)展和社會對新能源的迫切需求，能量收集系統(tǒng)已經(jīng)成為一個重要的研究領(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，使其研究熱點。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，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械部分與電路部分耦合起來，建立分布參數(shù)機電耦合模型，得到了機械振動響應(yīng)和電學響應(yīng)。根據(jù)分布參數(shù)機電耦合模型，利用MATLA

3、B對單壓電片進行系統(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)機電耦合模型修正并建立起其集總參數(shù)機電耦合模型。將集總參數(shù)機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-庫塔法對一階微分方程組進行數(shù)值計算，求出諧波激勵下響應(yīng)。通過振動分岔圖、李雅普若夫最大指數(shù)譜、龐伽萊映射圖和振動相圖來刻畫運動特征，研究其激勵頻率、激勵幅值和磁鐵間距對輸出位移、有效輸出電

4、壓的影響，分析其內(nèi)在機理。隨后，研究非線性壓電陣列式能量收集器在白噪聲激勵下的輸出電壓與輸出功率、機電轉(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。
　　搭建了實驗平臺，通過改變輸入振動的頻率、加速度，來觀察壓電片末端質(zhì)量塊對壓電能量收集器的影響、陣列式壓電能量收集器的優(yōu)點、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