分散式風能採集系統的多場耦合分析及結構設計

《分散式風能採集系統的多場耦合分析及結構設計》是依託浙江大學，由李華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：分散式風能採集系統的多場耦合分析及結構設計
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：李華
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

無線感測網路、微機電系統、野外監測系統、低功率超大規模積體電路等領域的發展對無線能源供給提出了新的挑戰，而使用智慧型結構從自然能源中提取能量成為一種可行的解決方案。其中，風能是一種易於得到的清潔能源，使用俘能器將風能轉換為電能，可以實現對上述套用的無線供電。然而目前關於風能俘能器的研究較少，分析理論缺乏，影響風能俘能器的套用。本項目針對不同風速下旗狀壓電俘能器的能量採集問題，建立流、電、彈多場耦合理論，分析穩態和失穩狀態下俘能器的能量分布規律，探討陣列式壓電貼片的布局方式及各貼片的能量輸出特性，結合最佳化算法，確定旗式壓電俘能器的最優結構形式。設計能量採集電路和基於高速攝像機的實驗系統，驗證俘能器的運動規律及各種運動狀態下的能量輸出特性。為壓電式風能俘能器的設計和開發提供理論支持和技術支撐。

結題摘要

本項目針對壓電式風能俘能器的最佳化問題，通過理論推導、數值計算以及實驗等方法，進行了系統的研究。利用阻流板尾流中的變化流場激勵俘能器產生振動，從而將流體能量轉變為電能。研究過程中首先給出了沉浸邊界法求解納維-斯托克斯方程的過程，推導了流體作用力模型，並通過模態擴展法求解其俘能器的動態回響。隨後基於壓電感測理論得到了俘能器在阻流板尾流中的開路電壓以及開路能量。給出了有限差分法求解相應輸出電壓和功率的一般過程，分析了閉路條件下俘能器的電壓以及有效功率。結合算例分析，研究了不同風速以及阻流板傾斜角度條件下俘能器的功率輸出情況。當風速達到一定值時，阻流板尾流的脫落頻率和懸臂樑固有頻率接近，懸臂樑達到共振狀態時的能量輸出較大。隨著阻流板傾角的減小，使懸臂樑共振所需要的風速隨之降低。但是由於較小風速攜帶的流體能量較低，相應的輸出功率也會降低。針對前三階共振情況下壓電片的長度進行了最佳化設計分析。結果顯示，一階共振下壓電片的最佳貼上位置為0~0.51L；二階共振下有0~0.14L，0.29L~0.81L等兩種情況；三階共振下有0~0.09L，0.17L~0.45L，0.55L~0.88L等三種情況。搭建了實驗平台，開展了風能俘能器的實驗研究。通過測量外接負載上的電壓並與理論和有限差分法求解結果進行比較，驗證了壓電懸臂樑能量採集理論以及數值求解過程的正確性。通過風洞實驗，對壓電懸臂樑在阻流板尾流中的能量採集也開展了相應的研究，在低風速條件下，壓電懸臂樑俘能器隨著風速以及阻流板傾角的變化趨勢與數值計算過程基本一致。