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涡激压电-电磁复合发电波浪能采集技术研究

康辉  
【摘要】:海洋无线传感器能够测量波高、海流、海温、潮位、风速、气压等水文气象要素,以上信息为海上航行提供重要参考。无线传感器长期供能是当前研究热点问题之一,为此本文开展了涡激压电-电磁复合发电振荡水柱式波浪能采集技术研究。解决的关键问题包括:波浪与振荡水柱气室相互作用的水气动力学问题,基于涡激振动效应的涡激高频振动问题,推导了压电电磁复合发电理论计算模型。波浪驱动压电电磁复合发电的工作原理为:波浪进入能量采集气室形成振荡水柱并压缩气室内气体,受压气体流过放置于气室出口处的钝体产生涡激振动,该过程实现了低频波浪运动到高频涡激振动转换。钹型压电电磁复合发电结构受到涡激振动作用,发电系统基于正压电效应和电磁感应定律输出电能。计算分析获得了气室压强的影响因素、涡激振动提升气体振动频率的影响因素、能量收集系统的最优参数。论文的主要研究工作如下:(1)建立了振荡水柱气室的水气动力学模型,基于势流理论,采用格林函数法求解数学模型,经计算获得了气室压强理论结果。为了验证理论计算过程,基于Naviere-Stokes方程利用计算流体力学(CFD)商业软件,建立了振荡水柱和气室相互作用的水动力学有限元分析模型,理论计算与仿真结果比较,二者吻合较好,验证了理论计算模型的有效性。基于气室压强数学求解模型获得气室前墙吃水深度为0.3m,波浪周期为1.5s时,气室内产生最大压强为60Pa。气体流经气室出口处放置的圆柱形钝体产生涡激振动,提高气体的振动频率。经计算得:钝体直径为0.025m,气室出口处气体速度为11.6m/s时,气体流经钝体后振动频率可以达到95Hz。(2)基于正压电效应分析了圆形压电振子受力和能量转换过程,建立了压电能量采集器数学计算模型。讨论了气室结构参数、波浪参数、压电振子结构参数对压电发电性能的影响。计算结果显示压电振子半径比为0.5,厚度比为0.66时,压电振子能量采集器输出开路电压为8.59V,能量为3.71×10-6J。为了验证理论计算有效性,搭建了实验测试平台,测试压电振子尺寸对发电性能的影响。压电实验结果和理论计算结果吻合较好。(3)研究了涡激压电-电磁复合发电波浪能的理论分析过程。利用电磁感应和正压电效应,建立了复合发电的数学模型,经计算获得了结构特征参数、外接负载及振动频率对复合能量采集器性能的影响规律。研究表明,在压电系统外接负载为490kΩ,电磁系统外接负载为4kΩ,波浪进入振荡水柱气室形成涡激振动频率为85Hz时,复合发电系统的输出功率最大达到3.3mW,在相同频率下独立的压电发电系统输出功率是2.5mW,电磁发电系统输出功率是1.08mW,复合发电系统输出功率分别是压电发电系统的1.32倍和电磁发电系统的3.05倍,压电电磁复合发电有效提升了系统的电能输出,为海洋浮标无线传感器供能提供了新的技术参考。


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