基于驻极体静电俘能器的优化设计与实验测试

针对环境中的低频振动能量,建立了一种双端固支梁振动式驻极体静电俘能器理论模型.利用Matlab/Simulink数值仿真对静电俘能器的各项关键参数进行了优化.分别研究了静电俘能器的输出功率、谐振频率、半功率带宽与驻极体表面电位、空气间隙以及负载电阻的关系.在研究中,外部激励加速度幅值及驻极体尺寸保持恒定.数值分析结果如下:(1)存在一个最佳表面电位使得静电俘能器的输出功率达到最大值,随着表面电位的增加,软弹簧效应逐渐增强使得俘能器谐振频率发生偏移,半功率带宽逐渐增大.(2)当表面电位一定时,存在一个最佳初始空气间隙使得功率达到最大,随着间隙的增大,半功率带宽随之减小.(3)当表面电位和空气间隙保持一定时,存在一个最佳负载使得功率达到最大,随着负载的减小,谐振频率发生偏移.(4)当空气间隙一定时,存在一个最佳负载使得带宽达到最大,且表面电位越大,相同负载下的带宽越大.实验测试了不同负载电阻下俘能器的输出特性:输出功率及半功率带宽都随着负载电阻的增大,先增大而后减小.当负载电阻为90MΩ时,对应的最大输出功率为0.188 mW;当负载电阻为330 MΩ时,对应的半功率带宽达到最大值为4.7Hz.     

谐振梁连接方式对压电俘能器发电性能的影响

为了提高复合结构压电俘能器的发电能力,本文研究了谐振梁与压电主梁的连接方式对系统发电性能的影响。使用有限元法分别得到了常规的单梁结构、附加水平谐振梁和竖直谐振梁后的复合结构压电俘能器的输出功率-激励频率以及输出功率-外负载关系曲线,并进行了比较研究。结果表明,相比于单梁结构及附加水平谐振梁的复合结构,附加竖直谐振梁的复合结构压电俘能器不仅可以得到两个更接近的谐振频率,而且两个最优功率分别比单梁结构提高了5.45倍和2.88倍,宽频效果显著。     

基于Morris方法的压电悬臂梁结构参数灵敏度分析

作为常见俘能器之一的压电俘能器，其结构参数的合理化设计决定着俘能器输出功率的大小，分析影响压电俘能器输出功率的关键结构参数具有十分重要的意义。以压电双晶梁为研究对象，运用Morris方法对其结构参数进行了全局灵敏度分析，并使用正交试验方法对灵敏度排序结果进行验证。结果表明，在给定参数变化范围内，压电梁厚度和长度分别是影响谐振频率和峰值功率的两个最重要参数。压电梁宽度对系统输出性能影响最小，且与其它参数的交互性相对较弱。灵敏度分析方法对压电悬臂梁结构优化设计具有指导意义。     

叠加式压电陶瓷智能骨料特性仿真研究

基于一维压电弹性理论建立叠加式压电陶瓷智能骨料的理论模型,并在此基础上采用数值分析方法研究压电陶瓷电学连接方式和叠加数量以及单片压电陶瓷厚度、水泥保护层厚度等关键结构参数对智能骨料的谐振频率、机电耦合系数、智能骨料激发器输出位移及传感器输出功率的影响。结果表明,智能骨料的谐振频率和反谐振频率随压电陶瓷的厚度和叠加片数、保护层厚度的增加而不断减小,且压电陶瓷串联叠加时谐振频率与反谐振频率之间的差值大于并联叠加时的对应差值;智能骨料的机电耦合系数随压电陶瓷的厚度和叠加片数的增加而增大;智能骨料激发器的输出位移与智能骨料传感器的输出功率随压电陶瓷叠加片数的增多而加大,且压电陶瓷串联叠加时的激发器输出位移和传感器输出功率均大于并联叠加时的输出值。     

压电俘能器涡激振动俘能的建模与实验研究

针对微机电系统和传感器等低能耗电子产品的持续供能问题,提出了一种涡激振动式压电俘能器。该俘能器由压电悬臂梁和末端圆柱体组成,结构简单,可在较低水流流速下产生涡激共振,得到较大的能量输出。通过数学建模和实验测试的方法,研究了水流速度和外接电阻对压电俘能器振动和俘能的影响规律。实验结果表明:压电俘能器的振动频率随流速的增大而增大,振动幅值在涡激共振时最大,输出功率受流速和外接电阻两者影响,较小外接电阻适合较高流速,较大电阻适合较低流速,压电俘能器在涡激共振处可获得最大的能量输出,当外接电阻为0.5 MΩ、流速为0.41m/s时,实验测试得到了8.3μW的最大输出功率。数值分析结果与实验测试结果吻合较好,验证了数学模型的正确性。     

圆柱斜切体涡激振动压电俘能器的输出特性研究

随着微机电系统的广泛应用以及能源日益短缺,为微机电系统持续稳定的自供能是亟待解决的问题。提出了一种新颖的带斜切角度圆柱体涡激振动压电俘能器,以拓宽工作频带和提高输出性能。对斜切角度分别为30°、45°、60°的圆柱斜切体及光滑圆柱的涡激振动压电俘能器进行建模,采用风洞实验对其进行验证。采用该模型对斜切角分别为30°、45°、60°圆柱斜切体及光滑圆柱涡激振动压电俘能器在最优负载及不同风速下的输出电压和功率进行研究。结果表明：当最佳负载为0.5 MΩ和风速在1.413～3.164 m/s时,不同斜切角度压电俘能器的输出电压和输出功率随着风速增大先增大后减小;在斜切角为30°和3.057 m/s下的输出电压最大为4.274 V,输出功率最大为0.037 mW。相对于光滑圆柱,带斜切角度压电俘能器拓宽工作频带和提高俘获性能。斜切角为30°压电俘能器的输出功率比光滑圆柱提高106%。该工作为设计高效的压电俘能器提供一种新的方法。     

主动式压电俘能电路研究分析

现有的压电俘能器大多是针对某一较窄频率范围内的振动情况而设计,但周围环境的频率范围非常宽泛且随时可能发生变化,导致一般俘能器很难实现能量俘获或俘能效率低,为了解决这一问题,设计了一种新的T型压电悬臂梁作为俘能装置。从结构设计和电路设计2方面出发,进行了静力学分析、模态分析和谐振分析,得出压电结构装置的固有频率和激振力频率等响应,对新型的主动式俘能电路进行设计,计算电路的功率损耗以及元器件损耗量。通过对主动式俘能电路进行计算仿真验证,以及对主动技术和被动技术进行对比分析,得到主动技术所获得的最大功率是被动技术的5倍。由此可知,运用电压控制型主动边界控制方法进行接口电路设计,主动利用每个压电换能周期中触发的电学边界条件,可有效增加输入压电俘能器的机械能,进而增大输出的电能。该研究创新了利用压电材料主动俘能的方式,对压电俘能的发展有积极的促进作用。     

基于多尺度法的预载压电梁俘能特性

低频、宽带和可调频一直是衡量压电能量采集器性能的重要指标,施加轴向预载是改善这些重要指标的有效措施。为了更好地揭示预载对俘能特性的影响,基于欧拉-伯努利梁理论和高斯定理,推导了预载压电梁的力电耦合方程,使用伽辽金离散和多尺度法,得到了位移、电压和平均输出功率的渐进解析解;同时通过理论分析,给出了短路开路谐振频率、开路电压幅值、最优输出功率和最优电阻的具体表达式。然后,针对悬臂梁模型,结合数值模拟验证了文中理论的有效性,之后进一步分析探究了预载对开路电压和最优输出功率的影响。结果表明：施加轴向预载可以提高压电悬臂梁的俘能效率,相较于无预载情况,预载20 N时,谐振频率降低31.6%,开路电压幅值增加120.8%,最优输出功率增加40.0%。     

谐振式无线电能传输系统负载特性的分析与优化

研究谐振式无线电能传输系统的电阻负载特性以及对传输效率和输出功率的优化方案.在耦合系数、工作频率一定的前提下,通过理论推导得到传输效率、输出功率与系统负载关系.研究表明,谐振式无线电能传输系统的最大传输效率与最大输出功率所对应的系统负载之间存在最佳负载值,它是改善系统输出功率和传输效率的有效途径.最后,搭建一个小功率谐振式无线电能传输系统平台,实验结果与理论分析结论相一致.     

双端固支梯形梁压电俘能器机电耦合模型与试验分析

针对环境中的低频振动能量,基于双端固支梁压电结构,建立了梯形梁压电俘能器的机电耦合振动模型,并通过试验对其进行了验证.结果显示,数学模型与试验结果相吻合.当梯形梁结构在1阶谐振（96.85 Hz）状态,且激励加速度2 m/s2时,结构单侧开路输出电压峰值可达44.43 V,最大输出功率为6.16 mW.另外,双端固支梯形梁结构与矩形梁结构的比较试验结果显示,双端固支梯形梁压电结构可以有效降低谐振频率,输出开路电压较矩形结构提高22.7%,输出最佳负载功率较矩形结构提高33.0%.      

双自由度磁悬浮式桥梁振动能量采集器数值仿真和优化

提出了一种能利用桥梁振动能量为传感器持续供电的双自由度磁悬浮振动能量采集器(TMEH),该系统的能量采集效率远高于传统单自由度磁悬浮振动能量采集器(SMEH).推导了TMEH系统的运动控制方程和机电耦合方程;建立了TMEH的多目标优化模型,提出了基于NSGA2算法的能量采集器参数优化设计方法;最后将TMEH和SMEH在简谐振动激励和桥梁随机振动激励作用下的响应特性和能量采集效率进行了对比.研究结果表明:1)通过NSGA2算法优化设计,TMEH能获得更宽的采能带宽和更高的输出功率;2)TMEH比SMEH的采能效率有明显提高.在简谐振动激励和桥梁随机振动激励作用下,TMEH的输出功率比SMEH增加了约2倍.     

悬臂梁双压电振动能量采集器发电性能研究

为了收集环境中的振动能量,实现无线传感器网络节点等低能耗器件的自供电,针对电动机的机械振动,设计了一种可采集电动机振动能量的压电振动能量采集器。研究了电动机转速、负载阻值和悬臂梁自由端固定不同质量永磁铁块对压电振动能量采集器输出电压和输出功率的影响。实验结果表明,负载上电压随着负载阻值的增大而增大;输出功率不随负载阻值和所加永磁铁质量的增大,而是存在一个最优负载和一个最佳质量的永磁铁,当电动机的振动频率等于悬臂梁双压电振子的固有频率时,输出功率达到最大,并与理论计算值接近。     

基于风光互补发电无线电能传输系统的研究与设计*

风光互补发电系统作为一种绿色能源可独立对外部供电,无线电能传输(Wireless Power Transfer)技术又提供了一种方便快捷的能量传输方式,本文结合两者的优点,将风光互补发电系统的输出作为WPT谐振电路的输入端,利用无线电能传输技术对负载供电,利用了绿色能源的同时又能节约电力运输成本。分析了磁耦合感应与磁耦合谐振之间的联系以及平面线圈频率分裂的相关因素,针对目前小型平面谐振无线充电设备随发射端和接收端距离的变化而产生传输波动的问题,在发射端采用XKT-408集成电路进行自动频率锁定,在发生频率分裂时调整线圈偏移角度可削弱两线圈的互感系数来抑制频率分裂现象,提高了接收线圈峰值电压。最后搭建了小光互补无线能量传输系统,在径向距离50mm处可成功对负载充电,该模型为基于风光互补发电无线充电系统的应用提供了参考。     

关于内共振压电能量采集器

内共振可以加强压电能量采集器.忽略电量的耦合,导出了内共振条件的解析表达式,与考虑电量耦合的精确情形相比,误差很小.数值计算输出电压的均方根表明,用该方法设计的内共振压电能量采集器在Gauss白噪声、2阶滤波产生的色噪声、窄带色噪声和指数相关色噪声激励下,都有良好的性能.     

由光伏直接供电的电动汽车无线充电系统控制策略

为提升光伏发电的就地消纳能力,弥补电动汽车有线充电存在的弊端,通过提出一种含电动汽车无线充电的直流微网拓扑结构,研究了由光伏直接向电动汽车供电的控制方法。该拓扑以光伏发电系统为基础,新增了以蓄电池、超级电容器组成的混合储能模块,光伏系统在为充电站自身负荷供电的同时,向电动汽车供电,对系统中各部分进行优化并提出相应控制策略。Simulink仿真与实验结果表明:混合储能模块可有效平抑光伏输出功率的波动;磁耦合谐振式无线电能传输方式可提高电动汽车充电效果;在保证电动汽车稳定充电的基础上促进了光伏消纳。验证了所提拓扑的可行性与控制策略的有效性。     

复合型能源电池研究进展

 与摩擦纳米发电机（TENG）单纯收集环境机械振动能量相比,与TENG相结合的新型复合能源电池能够收集多种形式的能量,具有更宽的工作频率范围和更好的输出性能。近年来,复合型能源电池逐渐向小型化、便携化、智能化发展。分别从TENG与太阳能电池、电磁发电机、压电纳米发电机、多种类型发电机以及其他能源电池相结合等几个类别,综述了复合型能源电池在工作模式、结构、能量输出、应用等方面的研究进展,讨论了复合型能源电池面临的挑战。对其发展前景进行了展望,认为复合型能源电池需要进一步在集成化、大功率、长寿命等方面深入开展研究。     

并联混合动力汽车的模糊转矩控制策略

提出了一种新的并联混合动力汽车(PHEV)模糊转矩控制策略(FTCS)及其设计方法.以并联混合动力系统的工作模式为基础,利用请求转矩与发动机最佳转矩的比值和电池电荷状态(SOC)为输入、电机归一化转矩指令为输出,构建了有22条规则的模糊推理器,用以确定发动机和电机的最佳转矩分配,实现系统的总体能量转换效率最高.仿真结果表明,与采用精确门限参数的策略相比,FTCS的燃油经济性有较大提高,并能更好地控制电池SOC在工作区变化.     

不同运行策略下的分布式系统多目标分析

为寻求能源供给系统在经济-安全-环保-节能的协调,依托"互联网+"思维,构建了一套分布式冷电联供系统,主要包括动力子系统、地源热泵子系统、蓄能子系统。建立了在偏离设计工况时不同设备的性能模型,在此基础上,以运行费用、CO_2排放和一次能源消耗为目标函数,分析了电负荷跟踪运行策略、热负荷跟踪运行策略、混合跟踪运行策略和动力设备(PGU)最大效率跟踪运行策略下系统中各设备的运行时间、运行状态及系统总性能的变化。结果表明,与传统电网购电的分供系统相比,分布式系统的经济性、环境性较好,一次能源消耗较低。热负荷跟踪策略的经济性和环境友好性最优,运行费用和CO_2排放分别降低了32.7%和45.3%;最大效率跟踪策略经济性最差,但由于PGU机组连续运行,其一次能源消耗降低最多,为86.7%。不同运行策略结果可为分布式系统的运行提供一定的理论参考。     

混合动力系统滑行模式模拟发动机倒拖制动

根据并联式混合动力系统结构特点进行模拟发动机倒拖制动（Emulated Engine Compression Braking EECB）的操作。当整车处于滑行模式时,离合器断开,电机处在发电模式提供负转矩来模拟发动机倒拖转矩对蓄电池充电,从而回收滑行能量。考虑电机发电效率和蓄电池充电效率,提出以进入蓄电池的实际电能最大化为目标的电机转矩优化控制算法（Electric-motor Torque Optimization ETO）,并确定了电机最优化转矩和机械式自动变速箱最优化档位控制规律。仿真结果表明：与EECB相比,运用EECB＋ETO,蓄电池SOC的增幅有了明显的提高。     

用于提高电网中风电渗透率的混合储能容量优化分析

为提升电网中风电渗透率,通过提出由电池、超级电容器和抽水蓄能构成的混合储能系统,构建缓和风电并网时不稳定性的双层容量优化模型。首先,提出了风电典型场景和极端场景的提取方案,获得充分逼近原风电出力场景的场景集合。然后,使用小波包分析法,配置电池和超级电容器的容量用来平抑风电功率波动,并在电力系统中利用抽水蓄能进行削峰填谷,建立双层混合储能容量优化模型对储能容量进行优化。最后,利用某风电场一年输出功率数据,对改进的 RTS-96 系统进行仿真验证并分析。算例结果表明：建立的双层混合储能容量优化模型在确保经济性的条件下提升了风电渗透率。