利用流體中鈍體繞流的壓電發電技術研究

《利用流體中鈍體繞流的壓電發電技術研究》是依託東南大學，由胡敏強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：利用流體中鈍體繞流的壓電發電技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡敏強
• 依託單位：東南大學

中文摘要

本項目研究一種在水下利用海流或者水流的能量進行壓電發電的技術，利用流體流過鈍體時產生的發射漩渦激勵發電機上的壓電材料產生振動，從而實現流體能到振動能再到電能的轉變。該發電機可以套用在海洋、河流中進行能量收集，可以滿足無線感測網路節點類小功率能源需求。項目研究鈍體繞流對壓電發電機的激勵過程和機理，通過流體分析，建立仿真模型，研究高效的能量收集裝置；研究壓電發電機的振動模型，最佳化其結構尺寸，擴大回響頻頻寬度，適應流體所產生激勵；針對壓電能量收集特點，以及海流、水流能量的隨機性和波動性，研製該發電機匹配的微電能收集電路；製作樣機並搭建系統的測試平台，進行系統性能測試。項目目標研究利用流體中鈍體繞流激勵壓電陶瓷振動機理和分析模型，構造一種水下壓電能量收集裝置，並且為海洋監測發展做出貢獻。

結題摘要

項目研究了一種利用水下水流能量進行壓電發電的技術。項目利用流體流過鈍體時產生的發射漩渦激勵發電機上的壓電材料產生振動，從而實現流體能到振動能再到電能的轉變。項目採用鈍體擾流的方法產生渦街流場，將壓電薄膜置於渦街流場中，研究了鈍體結構在流體中的擾流機理，建模分析了卡門渦街的形成條件，以及鈍體結構尺寸對渦街強度的影響；項目研究了含損耗的壓電陶瓷等效電路模型，為研究機電能量轉換模型打下基礎；項目建立壓壓電薄膜的振動回響分析模型，研究提高頻率回響範圍的方法，最佳化了壓電薄膜的結構尺寸；項目使用多物理場耦合仿真的方法研究壓電薄膜在流場中的受力，薄膜在壓電效應的作用下產生電能輸出，結合壓電薄膜的振動特性的研究，通過使用有限元仿真軟體XFlow、ANSYS以及COMSOL等工具，分析了壓電薄膜受力與流場速度與擾流體直徑的關係，最佳化了流場結構和擾流體尺寸；項目結合理論建模分析，以實驗結果驗證了仿真模型的正確性，通過流體仿真分析，搭建試驗平台對薄膜輸出電壓進行測試，闡述了能量轉化效率與擾流體直徑、薄膜振動特性的關係。項目最後研製了水流能量收集裝置的樣機，並進行了相關實驗，測定樣機的功率及效率，實驗結果和仿真結果對比基本吻合。