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《大连理工大学》 2010年
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非谐振压电叠堆发电特性研究

党永  
【摘要】: 压电发电是一种新型的清洁能源,在微机电系统和无线传感领域有很大的应用价值。本文主要研究了文献报导较少的33模式非谐振压电发电特性。为了提高压电发电机的输出电压和功率,分析了多压电片联接结构——串联压电叠堆和并联压电叠堆。 首先,将第三类压电方程组和压电振子的电压源等效电路相结合,推导出非谐振时,33模式下单片压电振子和压电叠堆的输出电压和功率公式。使用MATLAB6.5.1软件对其发电特性进行仿真分析,仿真过程中只改变某一个参数保证其它参数不变。发现压电叠堆的输出电压与压电系数、激振力成正比,与压电片厚度、激振频率、负载电阻、压电片个数正相关,与电极面积和介电常数负相关;压电叠堆的输出功率与压电系数、激振力、压电片厚度、激振频率、压电片个数正相关,与电极面积和介电常数负相关。随着负载电阻的增大输出功率先增大后减小存在理想负载值,而且串联叠堆的理想负载随着压电片个数的增加而增大,并联叠堆的理想负载随着压电片个数的增加而减小。在激振力幅值为30N、频率为5Hz的条件下,对压电片个数分别为1、2和4的PZT-43压电叠堆进行仿真分析,单个压电片的尺寸为20mm×20mm×2mm,发现串联叠堆的理想负载分别为10MΩ、20MΩ和40MΩ,并联叠堆的理想负载分别为10MΩ、5MΩ和2.5MΩ。 其次,设计了压电叠堆夹持装置和振动发电实验装置,实测压电系数、压电片厚度、激振频率、负载电阻和电极面积等参数对压电振子发电性能的影响,实验结果和仿真分析相符,证明所推导的压电叠堆输出电压和功率公式是正确的,能够反映压电叠堆的实际性能。在振动频率5Hz、激振力26N的情况下测得两片PZT-43串联叠堆和并联叠堆的最大输出功率分别为0.14μW和0.4μW。为了增大激振力从而提高压电叠堆的输出功率,还设计了利用脚踏激励的实验装置。实测4片尺寸为20mm×20mm×2mm的PZT-51压电片制作的并联叠堆,当体重为70kg的人踩踏一次时俘能约170μJ,持续踩踏的情况下,后接整流滤波电路可以把LED点亮。 总之,本文为压电发电技术在33模式下的应用提供了理论依据和实验指导,并指出并联叠堆相比单个压电振子可以获得较高的电流和功率,并且适合于负载阻抗较低的场合,可以用来为传感器节点等低功耗器件供电;串联叠堆相比单个压电振子可以获得较高的电压,并且适合于负载阻抗很高的场合,可以为打火装置等提供瞬时高电压。而且证明了利用压电技术收集跑步机等运动环境中的人体能量是可行的。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM619

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