可收集海洋波浪能的旋转压电发电机建模与特性分析

论文摘要

为了满足海上无线传感网节点能量需求,提出了一种可收集波浪能的旋转压电发电装置。该装置不仅能够获取低频率环境中的能量,而且具有可调频特性。本文介绍了利用旋转压电发电机的压电波浪能结构,建立了旋转压电发电机的数学模型,探讨了可调频机理,最后,基于旋转压电发电机数学模型建立了波能装置的整体模型,进行了分析,主要内容如下:提出了一种利用旋转压电发电机的点吸收式压电波浪能装置,该装置由三大部件组成,即一级换能部件、中间转换部件和二级换能部件。一级换能部件将波浪能转换成直线形式的机械能装置,主要结构包括有阻尼板、浮漂以及平衡弹簧组成。中间转换部件将直线形式的机械能转换成旋转形式的机械能,主要结构包括齿轮、齿条。二级换能部件为非接触旋转压电发电机。对旋转压电发电机进行建模与分析,搭建相关的实验平台,对旋转压电发电机的性能进一步验证。研究表明,发电机最佳转动频率乘以驱动轮阵列永磁铁个数等于压电双晶梁一阶固有频率。驱动轮半径的增加,压电双晶梁峰值输出电压不断降低。驱动轮与双晶梁间距越大,双晶梁的输出电压越低。阵列不同固有频率的压电悬臂梁,能够增加发电机频带宽度。针对发电机的调频机理建立数学模型,搭建实验平台进行验证。研究结果显示,调频磁铁旋转从0-π弧度的范围内,在发电机（阵列一个压电悬臂梁）输出功率超过2.8 mW条件下,可调频发电机的转动频率范围是未调频的3.4倍。基于微幅波理论和高级边界元理论建立了一级能量转换装置的水动力学模型,联合中间转换结构和旋转压电发电机结构的数学模型,建立了发电装置的多场耦合方程。优化分析结果显示,阻尼板最优长度0.46 m和平衡弹簧最优刚度434 N/m。本文的研究为海洋无线传感网节点的能量供给提供了一个新的思路。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 海洋波浪能研究现状

1.2.1 波浪能一级转换

1.2.2 中间转换装置类型

1.2.3 波浪能二级转换类型

1.3 本文的主要工作

2 压电波浪能装置结构与工作原理

2.1 微幅波基本理论

2.2 压电发电基本理论

2.3 压电波浪能发电装置结构

2.3.1 一级转换装置

2.3.2 中间转换装置

2.3.3 二级转换装置

2.4 压电波浪能发电装置工作原理

2.5 本章小结

3 旋转压电发电机建模与分析

3.1 发电机理论建模

3.1.1 永磁作用力

3.1.2 旋转压电发电机数学模型

3.2 发电机数学模型分析

3.2.1 转动频率

3.2.2 驱动轮半径对换能效果的影响

3.2.3 驱动轮与压电双晶梁间距对发电机性能的影响

3.3 实验测试

3.3.1 转动频率

3.3.2 驱动轮与双晶梁间距对换能效果的影响

3.3.3 驱动轮阵列永磁铁数对换能效果的影响

3.3.4 发电机转动频率范围

3.4 本章小结

4 旋转压电发电机可调频特性

4.1 可调频共振调频技术研究现状

4.1.1 机械调频法

4.1.2 永磁刚度法

4.1.3 压电法

4.2 理论分析

4.2.1 永磁作用力

4.2.2 压电梁的共振频率

4.3 实验测试

4.3.1 振幅

4.3.2 调频永磁铁转动角度与压电双晶梁共振响应频率的关系

4.3.3 阻尼力

4.3.4 发电机工作带宽

4.4 本章小结

5 压电波浪能装置整体建模与分析

5.1 压电波浪能装置数学模型

5.1.1 一级波浪能装置的水动力学模型

5.1.2 中间转换装置数学模型

5.1.3 压电波浪能装置数学模型

5.2 WAFDUT1.4 软件

5.2.1 软件简介

5.2.2 格林公式

5.3 数值分析结果

5.3.1 浮漂体和阻尼板位移

5.3.2 压电悬臂梁位移

5.3.3 平衡弹簧刚度

5.3.4 阻尼板尺寸

5.4 压电波浪能装置优化设计

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文及专利情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韩冰峰

导师: 褚金奎

关键词: 旋转压电发电机,波浪能,调频磁铁,永磁铁

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,新能源,电力工业

单位: 大连理工大学

分类号: TM612;P743.2

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000667

总页数: 59

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