非线性宽频流致振动能量收集技术研究

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寻找可持续健康发展的绿色能源一直是国内外研究者们的关注热点。流致振动能量在环境中无处不在,随着科学技术的发展,越来越多的流致振动能量收集方案被提出,因为这些收集装置大多具有无污染,寿命长,能量密度高等特点,所以被广泛关注。目前大多数的流致振动收集装置只能在比较窄的带宽内有稳定的电能输出,然而在现实环境中,各种流体的运动状态无法确定,这就使得收集器的收集效率大打折扣,如何使得收集器具有高带宽,进而提高其收集效率,就成了国内外学者们的研究重点。首先,设计了一个流致振动电磁式能量收集器,利用涡激振动效应,建立了系统的机电耦合方程,研究了采集器具有1:1内共振时的动力学响应,基于谐波平衡法对方程进行解耦,推导了系统位移和电流的一阶近似谐波响应的调谐方程,绘制了不同失谐参数下位移和电流的幅频响应曲线,将所提出的1:1内共振方案与非内共振方案进行了比较,结果表明,1:1内共振方案可以增强流致振动能量的收集。讨论了系统物理参数对于收集能力的影响,通过数值模拟验证了近似分析的有效性和准确性,结果表明数值计算和解析解有较好的一致性。接着,基于驰振效应设计了两自由度L型悬臂压电梁振动能量收集器,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对其进行建模分析,在流-固-电多物理场耦合的三维空间下计算了风速0m/s-5m/s范围内的位移和电流响应,对传统悬臂梁收集器进行建模并计算绘制了其输出响应曲线,将两者进行了对比,结果表示L型悬臂梁模型具有更低的起振速度,相同风速下的响应幅值更大,具有更大的收集带宽,然后,绘制了L型悬臂梁模型的输出功率,探索了系统的最优电阻值,发现在电阻50KΩ附近时系统存在最大输出功率。最后设计了一个水下流致振动双稳态能量收集器,研究了系统在不同波浪激励下的收集性能。基于法拉第电磁感应定律,建立了收集器系统的机电耦合方程,利用谐波平衡法,分析了波速远大于速度的小幅振动下的近似响应解析解,讨论了系统物理参数对于输出电流的影响规律,和线性能量采集系统的对比结果发现该收集系统具有宽频的优越采集性能,随后,计算了系统在波速与速度不确定下的动力学响应,得到了系统在不同频率下,具有周期,倍周期和混沌的复杂运动形式,基于均方根方法,计算了系统在大幅激励下的统计特性。
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