压力能收集转化装置的结构设计及分析

任务书题 目 压力能收集转化装置的结构设计及分析题目来源 大创项目学生姓名 学 号 专业班级指导教师 职 称 教 研 室毕业论文（设计）任务与要求采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能收集转换装置，用于收集日常生活中零散的压力能，将其储存备用，并对主要零部件进行受力分析。具体任务如下：1. 采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能转化装置。2. 设计压力能收集及储存装置。3. 绘制三维结构图。4. 对主要部件进行受力分析。5. 撰写毕业论文一份。毕业论文（设计）工作进程起止时间 工作内容2017.12.27-2018.01.312018.02.01-2018.02.282018.03.01-2018.03.312018.04.01-2018.04.301. 方案制定；2. 实验验证；3. 绘制三维结构图，构建机械结构；4. 装配及运动仿真；2018.05.01-2018.05.022018.05.03-2018.05.095. 主要部件受力分析；6. 撰写论文；指导教师（签字） 毕业论文工作组组长（签字） 学生（签字） 毕业论文（设计）起止时间： 20XX 年 12 月 27 日 至 20XX 年 05 月 25 日 注：本表由指导教师填写，于每学年第 1 学期 18 周，经毕业论文工作组审批，随毕业论文装订由学院存档。开题报告论文（设计）题目 压力能收集转化装置的结构设计及分析学生姓名 学号 指导教师1、选题目的和意义随着我国现代化飞速发展，人们对能源的需求持续增长，能源供给矛盾也越来越突出，为了实现能源的可持续发展，开发新能源和可再生能源是能源可持续发展的重要途径之一。我国的能源供应结构里，煤炭、石油与天然气等不可再生能源占绝大部分比重，尽管我国风能、太阳能等新能源的利用和使用已经走在了世界前列，但新能源和可再生能源开发仍然不足，这不仅造成环境污染等一系列问题，也严重制约能源工业发展，故而国家大力提倡开发新能源和可再生能源，优化能源结构，以便缓解能源的需求压力。世界各国面临能源危机，开发新能源和可再生能源势在必行。能力收集便应运而生。本选题与传统发电机产生电能的不同之处在于，它是将环境中人们未能利用的能源转换成可供人类使用的电能并存储，以实现能源的回收和再利用。振动是自然界常见的现象，例如海水的拍打、车站人流的脚步都可以产生振动，由于其几乎无处不在而且具有较高的能量密度的特点，因此对振动产生的能量转化及其收集利用的科学研究逐步兴起。从振动中收集能量的装置已经被研究人员研究开发出，它们分别采用电磁式、静电式或压电式的工作方式将机械运动产生的能量转换为电能。每一种转换器都有其优缺点，一般来说，静电式转换器需要保持一个很小的空气间隙，且功率密度较低；电磁转换器常常输出电压低,，而压电式转换器却要依赖于较脆的压电陶瓷。根据理论、仿真和实验发现，对现实生活中的大部分应用来说，3 种转换器中压电式转换器是最有潜力的。压电陶瓷发电装置有着结构简单、无污染、能量密度大、易于加工等优点，非常适用于各类传感器网络及监测系统。因此，压电能量收集技术是一种发展前途大的收集方式。通过该课题的研究，采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能收集转换装置，用于收集日常生活中零散的压力能，将其储存备用。这对于提高压力能收集效率，促进开发利用新能源有重要意义。二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势在国内，我国新能源的种类很多，但由于我国人口众多，国家能源的消耗巨大，仅有的能源不足以满足国内市场的需求，国内对于能源的收集，有：太阳能、水能、热能、风能、煤炭、石油、天然气和核能等，对于这些能源，收集方式比较成熟，而关于压力能的收集还不够重视，还没有相对成熟的转换收集方案。发电装置可以分为以下两种：一是利用发电机转动，发电装置透过电磁感应来发电的方式，主要有火力发电、水力发电、风力发电、内燃机发电等；二是利用化学反应发电的方式，主要有燃料电池发电、太阳能发电、垃圾发电、细菌发电等 1。 和以往的发电装置相比，压电发电技术是一个新的研究领域。压电陶瓷在外力的作用下能够产生电荷，当所生成的电荷量较大时，可用来构造压电发电装置或直接为电子器件提供动力供应。利用人的肢体运动激励压电陶瓷发电这种方法是可行的，压电鞋的研究结果已经证实了这一点。此外，还可以利用环境中的振动和冲击来激励压电振子进行弯曲振动，完成机械能到电能的转化，初步试验证明了这一点。当利用直径为 5 毫米的钢球冲击压电振子（尺寸为10500.2mm3）时，所产生的电能可同时点亮 40 只二极管，这说明利用压电振子收集环境中的振动能量是可行的。当然，在压电振子发电装置的结构设计优化、提高能量转换效率方面可能有较大的困难，但这种发电方式易于实现体积的微小化和集成化，适用于不同的工作环境，其优点是显而易见的。以压电陶瓷为换能媒介的压电发电研究正处于开发探索阶段，它涉及机械、材料、电子等诸多学科，尚有大量的理论和试验研究需要解决。目前，有关利用压电陶瓷发电与相关的能量存储技术的研究在美国、荷兰、西班牙等许多国家相继开始，但国内尚未发现此方面的研究报道。随着能源危机日益临近，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一，各种各样的新能源不断的涌现，各国特别重视新能源的开发与利用，能够有效的利用和节约能源是人们关注的热潮，充分利用人们生活的环境所带来的免费能源，为国家节约能源是非常有必要的。能源问题以及由此而引起的环境问题，已成为中国和世界都必须严肃面对并必须解决的重要问题之一，根本出路是大力发展没有环境污染的新能源。 所以，就当前的情况来看，压力能是很有效的能源之一，它是人类生活中产生的源动力，这是新能源的发现，这将会给国家的发展起到重要的作用，解决了生活中能源传输中的消耗资源，满足了人类生活的基本需求。能够开发利用压力能，设计一整套系统，对微电子供能意义重大。3、主要研究内容采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能收集转换装置，用于收集日常生活中零散的压力能，将其储存备用，并对主要零部件进行受力分析。具体任务如下：6. 采用机械式和压电陶瓷相结合的方式设计一种压力能转化装置。7. 设计压力能收集及储存装置。8. 绘制三维结构图。4. 对主要部件进行受力分析。5. 撰写毕业论文一份。四、研究方案方案：通过杠杆机构与转向装置的连接，将直线方向的压力，转化为作循环圆周运动的力，带动发电机工作，产生电能，并储存起来，达到压力能转化为电能并收集的目的。同时，利用该压力为压电陶瓷提供压力能，使压力能得到多倍的利用，实现机械式和压电陶器相结合而设计的一种能量收集装置。5、研究步骤1.方案制定；2.实验验证；3.绘制三维结构图，构建机械结构；4.软件设计；5.主要部件受力分析；6.撰写论文六、论文（设计）工作量的估计、存在的问题、解决措施工作量的估计：该设计主要进行的是三维建模，由于该装置零件众多，后期得进行装配组装仿真，并进行论文的撰写，预期工作量是挺大的。存在的问题：1.如何将杠杆机构与转向装置连接设计好2.该设计主要进行的是机械结构的设计，最终论文的饱满度有待解决。解决措施：1.积极查阅相关文献及资料，及时与指导老师沟通方案的可行性。2.初步打算将机械结构设计与电能收集电路装置相结合，解决后期论文饱满度不够的问题。参考文献1辛雪花.压电振子发电的基本特性及试验研究D.长春:：吉林大学,2006.2任思源,何青.基于压电材料的振动能量收集试验研究J.现代电力,2010.3曾平,佟刚,程光明,杨志刚,唐可洪,阚君武.压电发电能量储存方法的初步研究J.压电与声光,2008.4王强,骆英,顾建祖.基于压电材料的振动能量获取技术的研究J.电子元件与材料, 20085 Paradiso J A , Starner T .Energy scavenging for mobile and wireless electronics J .Pervasive Computing, 2005 , 4(1):18 -27 .6 刘辉. 振动能量采收系统关键技术研究D. 江西理工大学. 2009. 6 江晓安、董秀峰. 模拟电子技术M. 陕西：西安电子科技大学出版社，2008.7 梁成洋. 基于压电能量收集技术的充电器设计D.河北工业大学,2014.8 齐洪东. 提高振动发电机充电效率实验研究D.西南交通大学,2009.9丁乐. 提高振动发电机充电效率实验研究D.北京交通大学,2015.10 魏双会. 压电陶瓷发电特性及其应用研究D. 大连理工大学. 200811 SODANO H A, PA RK G, LEO D J .Use of piezoelectric energy harvesting devices for charging batteries J .Center for Intelligen Material Systems and Strctures irginina Polytechinic Instiute and State University Black- sburg , 2005 , 5 050:101-108.12 余义斌,余江,王贵,曹长修. 传感器节点环境能量的收集方法J. 广东海洋大学学报.2007(06):97-100.13孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理M.西北工业大学机械原理及机械零件教研室 编.201314孙靖民，米成秋.机械结构优化设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1985.15梁崇高，等.平面连杆机构的计算设计M.北京;高等教育出版社，1993.选题符合专业要求,学生通过此论文能将理论和实际相结合,锻炼实际动手能力,工作量饱满,现同意开提,继续进行后期工作! 指导教师签名： 年 月 日毕业论文工作组意见及建议准予开题毕业论文工作组组长签字： 年 月 日注：1.此表由学生填写后，交指导教师签署意见，经毕业论文（设计）工作组审批后，才能开题。2.此表随毕业论文装订并由学院存档。中期检查表论文（设计）题目 压力能收集转化装置的结构设计及分析学生姓名 学号 指导教师计划完成时间 20XX 年 5 月 25 日按照进度安排应完成的任务1 月-2 月，方案制定；2 月-2 月中旬，方案论证；2 月中旬-3 月初，三维建模；3 月初-4 月初，运动仿真，典型杆件受力分析；4 月初-5 月初，撰写论文。实际完成情况1. 方案制定如期完成；2. 方案论证如期完成；3. 三维建模如期完成；4. 运动仿真正在进行；5. 论文撰写正在进行。目前有哪些问题和困难，拟采取的解决方法问题：运动仿真运动方向正在调试，遇到一点瓶颈。解决方法：查阅资料，视频教程学习仿真软件。(以上栏目由学生填写)检查中发现的问题与建议目前，毕设工作完成良好，遇到问题需和老师及时沟通。毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1.最后一栏由指导教师填写。2.此表随毕业论文装订并由学院存档。