新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究开题报告

新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 1 扬州大学广陵 学院 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 学 号： 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计 (论文 )题目： 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 指 导 老 师： 2014 年 3 月 12 日 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 2 扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题 目 新型蝴蝶式压电悬臂梁的 发电性能研究 题目来源 指导老师出题 题目类型 为结合科研 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 机械设计制造及其自动化 开 题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段 、 内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。） 本毕业设计（论文）课题应达到的目的： （ 1）培养学生的调查研究以及资料、信息的获取、分析等综合能力； （ 2）培养学生的工程设计能力，主要包括设计、计算及绘图能力； （ 3）培养学生的综合运用专业理论知识，分析解决实际问题的能力 ； （ 4）培养学生的在设计过程中使用计算机的能力； （ 5）培养学生的撰写设计说明书、论文的能力； （ 6）培养学生创新能力和创新精神。 本毕业设计（论文）课题工作进度计划 ： 起止日期 工 作 内 容 201401401420140142014业设计开始，查阅中外文资料，完成外文翻译，完成实习调研和实习报告，完成开题报告； 进行毕业设计，学习有限元软件的使用方法、进行理论计算与有限元模拟、分 析模拟结果，接收毕业设计中期检查，撰写毕业设计论文 ； 修改完善毕业论文、准备毕业答辩、整理毕业设计期间的所有资料、成果并归档。 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 3 文 献 综 述 1、引 言 能源问题是当今最为关注的问题之一，各国科技工作者一直在努力寻找和开发新能源来解决缺乏和使用传统能源时存在的问题。 利用环境中的能量及人力发电为便携式微功率电器及无线传感器等提供实时的电能供给已成为国际上的一个研究热点 。获得电能的有效方法之一是利用压电 、电磁及静电原理捕获环境中的机械能。与其它发电原理相比 ,压电发电的最大优势在于结构简单 ,易于制作成各种所需尺寸和形状 ,便于与微系统集成或置于微机电系统的内部。然而 ,目前压电发电的输出功率依然很有限 ,严重地阻碍了这一技术的更广泛应用 ,如何有效地提高压电发电装置的发电能力是未来几年需要解决的关键问题 。 利用每一种发电原理构造的发电装置都有其自身的特点和适用领域。压电发电装置的优点是结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化等 ,尤其适用于各类传感及监测系统。本课题提出利用新型蝴蝶式压电悬臂梁型振子将机械能转换成电能。通过参考一定的文献了解压电发电的可行性，这将涉及到材料力 学、理论力学、机械设计等各方面学科的结合应用。 2、压电发电的发展历史与现状 传统的发电装置有两种：电磁感应发电与化学反应发电，电磁感应发电主要有风力发电、水力发电、火力发电等。化学反应发电有燃料电池发电、太阳能发电等。而随着人们环保意识的增强，人们对绿色能源的需求日益增长，而压电发电就是这种新型的能源发电装置。对于压电发电的发展趋势将向 微能源器件、与其他技术集成 ,实现设备的自供电、与旋转机械结合这些方面发展 。 而对于压电装置的应用不仅仅只能用来发电，可以结合其他的设备和科技成果进行新的应用，如 压电发电技术 与旋转机械结合、压电式袖珍风车、压电发电鞋等等，都是对于压电装置的巧妙结合与应用。而对于本次讨论的主要为压电装置在发电方面的研究，新型蝴蝶式压电悬臂梁是这方面典型的例子，对于压电装置首要的注意是压电材料的选择。 3、 压电材料的选择 压电材料对振动能量捕获能力起着至关重要的作用。当前 ,压电材料分为以下几类 :非铁电性压电晶体、铁电性压电晶体、压电陶瓷、无机压电铁电薄膜、压电聚合物、压电复合材料 。其中最常用的压电材料是锆钛酸铅，又称 一种常用压电材料为聚偏氟乙烯 （ 可以研制出压电振动能量收集器。可用于能量收集与转化的环境能量有太阳能、振动机械能、温度梯度等等。其中太阳能的利用已经商业化 ,其他能源的收集技术仍在研究中。振动机械能是一种存在范围很广的能量形式 ,尤其在许多人们比较难以进入的地方都有振动源存在 ,研究振动能量收集技术具有更普遍的意义 。 4、国内外压电发电研究的发展趋势 针对压电式能量获取装置的特殊优点 ,国外已有很多研究机构和著名大学在这方面展开了研究 ,如宾夕法尼亚州立大学的铙钹换能器、华盛顿大学的 热力发动机、麻省理工学院的微水动力传感器、法国 室的悬臂量式 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 4 压电发电机等。 维基尼亚科学家利用压电材料制作的发电系统给电池充电，压电振子在谐振工作条件下给一个 40小时，利用随机频率充电需要个半小时的结果。 在国内很多研究机构也已经开始研究压电发电的开发与应用，压电发电应用的领域广泛，可以在无线传感器，微型电子器械以及遥控器等方面得到很好的应用。重庆大学的 温志渝，温中泉等教授学者已对压电发电在无线传感器中的应用进行了比较全面的论述。吉林大学的 唐可洪 ,阚君武等教授学者也对压电发电应用与遥控器中提出了相应的模型与理论分析。目前，国内对于 压电发电的研究已经比较成熟，很多机构与科研人员也在这基础上对压电发电进一步的进行改进。 5、压电发电的理论分析 与研究 而对于压电发电装置在现实中能否，最主要的是首先进行建模与仿真分析，一般采用 于前人的研究，新型蝴蝶式压电悬臂梁发电是对已有压电发电装置的应用与改进。 吉林大学 阚君武等教授 学者 建立了单、双晶压电梁发电能力的仿真分析模型 ,研究了结构尺寸、激励方式及材料性能等对其发电能力的影响规律。研究表明 ,在基板材料及激励条件相同时 ,存在不同的最佳厚度比使单、双晶压电梁发电能力最大 ,双晶梁的最大发 电量约为单晶梁的 2倍。基板材料不同时 ,最佳厚度比随 着 杨氏模量比增加而减小 ,铝、钼基板构成的单、双晶压电梁的最佳厚度比分别为 (0. 7 ,0. 35) 和 (0. 45 ,0. 2) 。在相同的厚度比及外界激励条件下 ,杨氏模量比对两种压电梁发电能力的影响不同 ,杨氏模量比低于 3. 3 时 ,双晶梁的发电量均大于单晶梁。 每种现实的科学成果都有相应理论的支持。当压电晶体在外力作用下发生形变时 ,在它的某些表面上出现异号极化电荷 ,这种没有电场作用 ,只是由于应变或应力 ,在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应。当在压电晶体上加一电场时 ,晶体不仅要产生极化 ,还要产生应变和应力 ,这种由电场产生应变和应力的现象称为逆压电效应 。压电效应是压电发电的基本原理，而对于压电效应的研究国内外都已经有了比较成熟的研究成果。 很多科研机构与研究人员对于压电发电的研究已经不仅仅局限与理论的研究，而是已经应用于实际当中，理论的研究是对于实践应用的一部分，压电效应就是一个很好的例子，人们通过对于压电效应的分析与研究提出了压电发电的设想，并且成功的应用于实践。 6、 结 论 压 电发电装置未来将成为一 种主流的发电形式，而现在由于一些条件的限制，压电发电能的应用还局限于一定的范围，然而随着科技的发展与各国科技人员的努力，压电发电这种新型的环保的发电方式必将得到更广的应用。人们对与压电发电的研究也在进一步的深入，例如哈尔滨大学的袁江波等教授学者将对高性能的压电材料的选择进一步的讨论研究。新型蝴蝶式压电悬臂梁发电是基于压电发电理论的一种深入研究应用，也是对于压电发电的综合应用。 相对于传统能源，压电发电的发展将成为一种新型能源的存在，它将解决传统能源污染严重，填补现阶段能源不足的问题。 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 5 主要参考文献 1温志渝，温中泉等，振动式压电发电机及其在无线传感器网络中的应用 Z,国家 “ 863” 资助项目 . 2伍晓明 ,方华军等 ， 用于振动能量收集的 J，功能材料与器件学报， 2)： 4673唐可洪 ,阚君武等， 遥控器用压电发电装置的供电特性 J， 光学精密工程，01）： 924阚君武 ,唐可洪 等， 压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析 J， 光学精密工程， 01）： 715方科 , 李欣欣 等， 压电式能量获取装置的研究 现状 J， 传感器与微系统， 2006（ 10）： 76袁江波，谢涛等，压电俘能技术研究现状综述 J，振动与冲击， 10）：367魏双会 ,褚金奎 , 杜小振， 压电发电器建模研究 J， 传感器与微系统， 2008（ 06）： 278林玲，刘辉， 压电发电技术研究应用 M，应用科学 . 9王光庆，压电叠堆式发电装置的建模与仿真分析 J，中国机械工程， 19）： 229810杨拥民，张玉光等，基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望 J，中国机械工程， 1）： 11311 A of ， 2011（ 52） :50012，178313D. S. . of ， 2214Z. S. Y. M. . Q. , 15. :M 977 新型蝴蝶式压电悬臂梁的发电性能研究 6 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 一 、本课题要研究或解决的问题： 目前， 利用外界振动通过压电发电 装置产生的电流为交流电，其缺点是不连续、不规则。在工程应用中，必须设计相应的匹配电路，采用桥式整流电路，将交流电转换为直流电，将产生的电能储存起来，经一定时间的充电，达到足够的量时方可供应外部负载使用。 能量回收系统的关键技术，主要包括选择压电材料、设计和外部振动频率接近的压电振子及支撑方式、设计高效 的电能收集和储存电路系统等。 目前的验证性演示主要是驱动一些照明或显示器。要有大的发电量，在技术上应该没有太大的障碍，主要还是成本和效益问题。如何进一步提高发电效率，大幅度降低成本，提高系统的可靠性和耐用性，这些都是十分重要的难题 。 将压电发电技术真