柔性压电能量采集器的动力学建模与电路仿真分析毕业论文
2021-03-28 11:03
摘 要
能源问题是一个国家的关键问题，而我国是一个能源比较紧张的国家，因此节约能源和开拓新能源对我国有着非凡的意义。目前，我国正在大力发展新能源产业以及推广新能源的使用。除此以外，能量收集技术也是当前研究能量回收利用领域的的一个重要方向，这被许多的学者所提及，甚至有些技术以及达到了实际应用的水平。
本文主要研究的方向就是通过柔性压电片的振动或者拉伸运动来实现使得压电片产生电流，经过能量采集电路的滤波稳流电路后将产生的电流变成直流电，在为用电器或者存储装置供电的全过程。完成的工作具体可分成下列几个部分：
1）Multisim电路仿真：本文利用有关的Multisim电路仿真软件分析其输出性能。通过一系列的仿真分析，我们了解了各种能量采集技术电路的电学特性，包括基本电路，串连基本电路，并联基本电路和优化电路等。
2）实验验证：通过一系列的电路实验，我们得到了悬臂梁状态下和拉伸状态下的柔性PVDF材料压电片的输出特性，详细了解了滤波电容和负载电阻对于输出功率和输出电压的影响，以及电容与充电时间的关系，找到了在设计中的优化电路里，完成充电的时间为15秒。
关键词：压电效应，压电方程，柔性PVDF材料，拉伸实验，能量采集电路
Abstract
Energy problem is the key to a country. But our country is a country lack of energy, so saving energy and developing new energy is of special significance to our country. At present, China is developing new energy industries and promoting the use of new energy sources. In addition, even some technologies of the energy collection technology and the current research in the field of energy recycling, one of the important direction that have been mentioned by many scholars, have been reached the level of practical application.
In this thesis, the main research direction is through the vibration of flexible piezoelectric patches or stretching to implement caused the piezoelectric current, after a steady flow energy acquisition circuit of the filtering circuit will produce current into direct current (DC), for use during the process of electric power or storage device. The completed work can be divided into the following sections:
1) Multisim circuit simulation: this thesis analyzes its output performance using Multisim circuit simulation software. Through a series of simulation analysis, we understand the various energy collection technology, electrical properties, including basic circuit, string basic circuit, the basic circuit and optimize the circuit in parallel.
2) experimental verification: through a series of circuit experiment, we got the flexible cantilever beam condition and tensile state output characteristic of PVDF piezoelectric materials, detailed understanding of the filter capacitor and the effects of load resistance on the output power and output voltage, and the relationship between the capacitance and the charging time, found in the optimization in the design of circuit, complete recharge time to 15 seconds.
Keywords: piezoelectric effect, piezoelectric equation, flexible PVDF material, tensile experiment, energy acquisition circuit
目录
1绪论 1
1.1 前言 1
1.2能量采集技术的目的和组成 2
1.2.1传感器 3
1.2.2电路设计与电学特性 3
1.2.3系统测试与检验 5
1.2.4 滤波电路 6
1.2.5 经济性与环保性的思考 6
1.3研究的基本内容、目标、预计采用的技术方案 6
1.4研究过程中使用的软件简介 7
1.4.1 Multisim电路仿真软件 7
2 压电效应原理 9
2.1 压电效应的理论 9
2.2 压电方程 10
2.2.1四种不同的边界条件下的压电方程 12
2.3 压电参数的物理意义 12
2.3.1介电常数 12
2.3.2 弹性常数 12
2.3.3 压电常数 13
2.3.4 压电电压常数 13
2.4压电材料 14
2.5本章小结 15
3 能量采集器的电能收集电路 16
3.1能量采集器的电路等效模型 16
3.1.1标准的AC-DC收集电路 16
3.2 桥式整流电路 17
3.3 滤波电路 19
3.3.1电容滤波电路 19
3.3.2 型RC滤波电路 20
3.4 能量存储电路 20
3.5 柔性能量采集器的电能收集电路 21
3.5.1 基本电路 21
3.5.2 串联基本电路 24
3.5.3 并联基本电路 25
3.6 SSHI收集电路 26
3.7 优化电路的设计 27
3.8优化电路的multisim仿真分析 28
3.8.1滤波电容对功率的影响 28
3.8.2负载电阻对功率的影响 29
3.8.3 负载电阻对电压的影响 30
3.8.4 滤波电容对充电时间的影响 31
3.8.5 充电时间图 31
3.9 本章小结 32
4 电路实验 33
4.1 实验准备 33
4.2电路实验 36
4.2.1 电路中只接电阻 36
4.2.2 电路中接基本电路（成品压电片悬臂梁实验） 38
4.2.3电路中接基本电路（自制压电片拉伸实验） 40
4.3本章小结 43
5 经济性分析 45
5.1 能耗经济性分析 45
5.2生产经济性分析 45
6 总结与展望 47
6.1总结 47
6.2 展望 48
参考文献 49
致谢 51
1绪论1.1 前言能源问题是一个国家的核心问题之一，而我国是一个能源比较紧缺的国家，因此节约和开拓能源对中国有着非凡的意义。目前，我国正在大力发展新能源产业以及推广新能源的使用。新能源产业的发展是国家非常重视的，未来发展空间极为广阔，前景被看好，各种产业结构的优化也在不断的提出。 我国大部分地区的风力资源是非常丰富，据相关资料记载，我国的陆地海上可开发与利用风能的总数高达数十亿瓦，如果能够充分利用风能的话，对我国的能源结构的改善是非常显著的。太阳能具有持久，无污染和能量无极限的基本特点，这证明了发展光伏产业是高瞻远瞩的。按照目前的发展趋势，光伏产业规模如果不断扩大的话、那么它的技术就会不断上升，在这种情况下利用的成本也会逐渐下降到广大消费者可以接受的一个程度，太阳能利用的春天就会到来，未来人们生产生活的方式也有可能因此而发生改变。生物质能的应用前景同样被看好，部分生物燃油已经被投入了实际生活生产，取得了可观的经济效益以及良好的社会影响。同样的污染小的核电的利用前景极为可观，国家近些年来批复了不少核电的项目，核能技术具有着污染小，产能大，技术成熟等优势。 除此以外，能量收集技术也是当前研究能量回收利用领域的的一个重要方向，这被许多的学者所提及，甚至有些技术以及达到了实际应用的水平。在历经比较长的时间的探究和发展后，如今研究学者们在除已经较为全面普及的能量之外的来探索更多的能量收集技术，争取将它们发挥到实际应用的地方。研究学者希望能量收集的技术，可以更多地为人们使用的电子设备提供稳定的能量来源，特别是在那些需要持续提供能源的地方。目前科学家们提出的应用前景就是比如说用身体热量给某些小电器装置提供持续稳定的能量来源，除此以外还可以利用海洋的波动洋流来实现发电等诸多目的。目前为止能量收集技术作为一种新兴科技日益引起人们的广泛的关注，其中一部分原因就是当越来越小的用电器可以通过越来越低的电力来实现稳定运行时，在这种情况下不引入外部电源或其他的电池来实现稳定的供电就有可能了，这正是该技术的研究趋势之一。还有就是房屋中用来控制房屋温度的小部件，可以利用房屋细微的摆动来获得动力，进而就为不加电池来长期运行提供了一种可能。在一些难于持续提供电源的应用场合，能量收集技术能够使用收集来的电能为用电器供电，从而解决了无法持续供电或无法更换电池的难题。 1.2能量采集技术的目的和组成能量是一个重要的并且基本的物理概念，是物理学中阐述过程中不断变化，数值不断改变的基本物理量，是很多物理学研究的核心问题之一。能量更加侧重于对于系统的阐述，能量只有在发生转化的时候才可以被测量到。所以说一个系统有多少能量，它是实际观测中不断因为参考系的变化而变化的，不是一成不变的。
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