小型振動壓電發電機氣流致振發電技術

《小型振動壓電發電機氣流致振發電技術》是依託南京理工大學，由陳荷娟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：小型振動壓電發電機氣流致振發電技術
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳荷娟
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

以小型振動壓電發電機為研究對象。針對複雜電子套用系統自供電和壓電系統不連續供電問題，提出從環境氣流中收集振動的壓電發電方法,開展利用小型複合壓電系統將外部氣流誘髮結構振動轉化成電能的發電技術研究。綜合運用計算流體動力學、計算氣動聲學和多物理場耦合理論，使用數值模擬和實驗模態分析相結合的方法，根據氣流致聲、聲致振動原理，探索機械自調製內湍流控制機理，揭示腔內動態氣聲固耦合效應；採用機械頻率泵浦和寬頻換能方法，研究小型化多諧壓電換能技術與能量管理電路最佳化方法；設計小型無源振動與壓電換能一體化結構以及同步採集與儲能集成接口電路，噪聲小，電磁兼容性好，可產生連續電能以滿足複雜系統微功耗電路自供電需求。內湍流控制結構振動和小型多諧壓電換能是其驅動和振動能量收集方面的創新，可為開發利用環境氣流的可再生清潔能源提供新途徑，對促進氣流控制技術在壓電發電中的套用具有重要的理論價值和指導作用。

結題摘要

以小型振動電源為研究對象，採用仿真和實驗結合方法，開展小型振動壓電發電機氣流致聲激勵機理研究。 通過分析確定了短的等截面環隙進氣道，具有進氣口流態轉捩快、流場趨於均勻快、整流作用明顯、氣流速度均勻對稱恢復能力強等特點。提出了氣流致聲、渦激振的激振方法，建立了基於N-S方程和SST k-湍流模型的氣流致聲激振仿真模型。將仿真得到的腔底壓力與實驗測得的聲壓曲線進行比較，驗證仿真模型的合理性。結果表明，腔底壓力呈周期穩定變化，能形成持續穩定的振源，證明了該氣流致聲激勵機構的可行性。 設計了氣流致聲壓振動電發電機實驗樣機的壓電換能裝置。建立了氣流致聲壓電發電機等效模型，給出了最大機械能輸出功率表達式；分析了壓電振子的工作方式，確定了壓電振子的激勵方式、振動模式、固定方式以及其最佳工作振型。 提出了適用於氣流致聲壓電發電機的脈衝激勵式壓電換能同步採集方法。仿真分析了同步電荷採集（SCE）電路、基於電感的並聯同步開關電荷採集（P-SSHI）電路、基於電感的串聯同步開關電荷採集（S-SSHI）電路等負載電阻對換能器輸出電壓和負載接收功率的影響，通過對比得出結果：外接SCE電路，可以提高壓電換能器輸出電壓，負載接收功率恆定；外接S-SSHI電路，適用於低匹配負載情況；外接P-SSHI電路適合高匹配負載情況。 對小型氣流致聲振動壓電發電機原理樣機性能進行了測試，研究了實驗樣機的激振力特性以及發電性能。數據表明，激振力幅值隨著入流速度的增大而增大，且呈線性關係，頻率放大明顯，最高輸出功率達到 mW .研究成果可為開發利用環境氣流的可再生清潔能源提供新途徑，對促進氣流控制技術在壓電發電中的套用具有重要的理論價值和指導作用。