用于风能俘获的非接触式压电能量俘获装置的机理研究.pdf

摘要

摘要

随着科学技术的进步，低功耗电子设备逐渐趋向于微型化与无线化，用于这

类电子设备的供电的主要方式是燃料电池供电，尽管燃料电池的使用寿命逐渐增

长，但仍然需要定期更换，而且废弃电池的处理也是一大难题。因此一些学者开

始尝试利用环境的能量为低功耗电子设备供电，风能在在自然界中普遍存在，人

类利用风能的历史也十分悠久。有许多技术可以用于设计风能俘获装置，如静电，

摩擦电和压电技术。其中利用压电材料制作的压电风能俘获装置由于其高的能量

密度，造价低廉以及高电压的输出特性成为现如今研究的热点。本文通过磁耦合

以及特殊悬臂梁结构实现风能的有效俘获，一定程度上解决了压电风能俘获装置

低频下输出性能差、启动风速较高、可靠性差等问题，可作为一个稳定的电源使

微小型电子设备正常运行。

首先对微小型压电风能俘获装置进行分类，总结涡激振动式和旋转型压电风

能俘获装置的国内外研究现状，分析这两类俘获装置特点以及不足，从而为用于

风能俘获的非接触式压电能量俘获装置提供设计思路。

针对用于风能俘获的非接触式压电能量俘获装置的设计思路，分别设计了镜

像式压电风能俘获装置和非线性L型悬臂梁式压电风能俘获装置，根据理论与

仿真探究影响其输出性能的结构参数，为后续的实验奠定基础。

根据提出的两种压电风能俘获装置，搭建相应的实验平台，测试不同结构参

数下的输出电压以及功率，并分别对镜像式压电风能俘获装置和非线性L型悬

臂梁式压电风能俘获装置进行性能演示。对镜像式压电风能俘获装置而言，当压

电振子上的磁铁与旋转支架上的磁铁距离为15mm，叶片的扭转角度为15°，叶

片的高度为50mm，叶片的数量为3片时，为样机在8kΩ负载电阻下，样机的输

出功率最大可达12.5mW，样机可以作为一个稳定的电源使一个科学计算器正常

运行；对非线性L型悬臂梁式压电风能俘获装置而言，当L型悬臂梁的旋转角

度为90°、激励磁铁的高度为12mm、数量为5、附加弹簧的线径为1mm、负载

电阻为2MΩ，压电振子并联的输出功率最大，达到了142.3μW，此时的风速在

8m/s左右，在此风速下，样机可以使近100个LED正常运行，为低功耗无线网

络系统的供能提供颇具价值的解决方案。

关键词：压电效应风能磁耦合低频旋转运动

I

Abstract

Abstract

Inordertoreducethelossoffossilfuelssuchasoil,carbonneutralitywasachieved

early,andmanyclean,pollution-freegreenenergysourcesweredeveloped.Including

solar,ocean,wind,etc.Windenergyiswidelyusedasatraditionalgreenenergysource.

Manylargewindharvestershavebeenmanufacturedandhavebecomeanimportant

partofthepopulationselectricitysupply.However,microwindharvestershavebeen

slowtodevelop,anddespitethesmallamountofpowergenerated,thereisahuge

marketpotentialfortheirintegrationinmicro-electronicssuchasmobileelectronics,

wirelesssensornetworksandstructuralhealthmonitoring