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面向新型波浪压电换能装置的理论建模与分析

姚斐  
【摘要】:近年来,随着海洋资源不断被开发,无线传感网技术在海洋监测中发挥着巨大的作用。但无线传感网节点较多,且分布范围很广,造成了能量供给的困难。本文提出了一种新型的波浪能压电发电装置,并对其主要结构进行了建模分析,分析了装置的主要参数对压电双晶梁产能的影响。 首先,提出了一种基于阻尼板式的波浪压电换能装置。初级换能采用点吸收式结构,中间换能采用机械式结构,次级换能采用旋转压电发电机的形式;旋转压电发电机内部采用圆周阵列压电双晶梁的布局,采用无接触永磁激励的方式激励压电悬臂梁产生振动,装置整体结构简单。 其次,采用基于线性势流理论的边界元法求解波浪压电换能装置的水动力问题。使用WAFDUT1.4程序求解作用在浮体上的一阶波浪力,浮体的辐射阻尼与附加质量;采用Morison公式计算阻尼板所受的流体阻尼力;分析了带有旋转夹角的永磁铁之间作用力的计算方法。 再次,建立了主要包括振荡浮子—阻尼板、齿轮齿条、旋转压电发电机的理论模型,得出了动力学方程,求解了整个系统的运动响应,分析了弹簧刚度、阻尼板尺寸对系统能量输出的影响,进一步计算了波浪周期、波高对系统能量输出的影响;分析了装置的整机换能效率,在波高H=1.8m,阻尼板尺寸L=1.8m,弹簧刚度k=400N/m的条件下装置总计效率为2.05%。 罪后,为波浪压电换能装置设计了系泊系统,系泊线的分析采用悬链线模型,介绍了系泊系统的设计流程:对系泊系统分别进行了静态分析和动态分析,分析比较了不同数目的系泊线对垂荡响应、装置产能的影响,在无系泊线、单根系泊线、两根系泊线的方式下,振荡浮子阻尼板之间的相对运动只有轻微的差别,因此压电双晶梁产生的能量差别也很小。


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