壓電俘能系統基礎理論與關鍵技術研究

《壓電俘能系統基礎理論與關鍵技術研究》是依託中山大學，由黃以華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：壓電俘能系統基礎理論與關鍵技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃以華
• 依託單位：中山大學

中文摘要

壓電俘能系統可將環境中的振動能轉化為電能，為電子系統供電，讓電子系統擺脫電池供電的束縛，消除電池對自然環境的污染，符合清潔、環保，綠色的發展方向。在壓電俘能系統中，壓電俘能器輸出的電能是不穩定、無規律的，無法直接為負載供電，需要功率電路對其進行調控，然後再提供給負載。因此。壓電俘能系統的各項性能指標強烈地依賴於壓電俘能器的特性、壓電俘能器與功率電路之間的耦合程度以及後續負載對功率電路的影響程度。本項目將從全系統的角度深入研究壓電俘能器高精度理論模型的建模方法，揭示壓電俘能器的材料和幾何參數與其性能之間的依賴關係，從而為壓電俘能器的最佳化設計提供理論基礎；本項目還將研究壓電俘能系統內各部分之間相互耦合的基本原理，建立系統級模型，從而找到這些部件之間相互耦合的基本規律，為進一步最佳化和提高壓電俘能系統性能及關鍵技術問題的解決奠定基礎。

結題摘要

壓電能量收集技術，利用壓電換能器將外界機械振動能量轉化為電能，儲存在壓電振子內部，並通過與其接口的能量提取電路，供給無線或攜帶型電子系統使用，從而讓其擺脫電池的束縛，降低環境污染。因此開展壓電能量收集技術的研究具有重要的意義。本項目主要開展了以下研究工作： 通過Mindlin理論，研究了典型的複合結構壓電俘能器的核心部件——圓盤彎曲振動壓電振子的數學模型，得到了此類振子的高精度理論模型與建模方法。求解出振子的位移函式，最後得到其等效電路，並與ANSYS仿真結果進行了比較，兩者的諧振頻率之間的誤差在1.6%~2.6%，遠小於文獻中的5%。 在流體環境下，本項目對壓電俘能器的幾何結構及材料參數對其諧振頻率的影響展開了研究，提出了一種新型的，與電磁式流體發電裝置構造類似的流體驅動的壓電發電裝置(Fluid-driven Piezoelectric Generator，FDPG)。為了預測FDPG的工作性能，本項目研究建立了FDPG分布參數機電耦合模型，並結合ANSYS軟體，研究了外界擾動頻率小於等於300 Hz時，不同的工作頻率，不同的尺寸參數、不同的負載阻值、不同的壓電材料參數以及電極配置對FDPG性能的影響，得到了FDPG設計流程，並且研發了一種寬頻壓電式自供電電路及無線節點。 本項目還對壓電俘能器與後續功率接口電路進行了深入研究，最終提出了三種新型壓電能量收集自供電接口電路的設計方案。考慮到電感難以小型化及易產生電磁干擾，我們還提出了兩種無電感的新型自供電同步開關接口電路的設計方案。 我們所開展並完成的上述研究工作，培養了一批該領域的專業技術人員，得到了一批有價值的研究成果。本項目的研究工作對於解決壓電俘能系統設計過程中的關鍵技術問題，提高其性能，普及其套用，做出了一定的貢獻。