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具有自供电传感功能的少片弹簧设计与应用研究
| 论文题名： | 具有自供电传感功能的少片弹簧设计与应用研究 |
| 关键词： | 摩擦纳米发电机;自供电;传感功能;参数分析;焦耳电路 |
| 摘要： | 本文研究立足于能源与环境发展现状，结合国家未来发展战略、汽车未来的发展趋势以及新技术的运用等，提出了研究课题“具有自供电传感功能的少片弹簧设计与应用研究”。论文的研究目的是通过摩擦纳米发电技术使普通的汽车零部件少片弹簧实现自供电传感功能，以便为将来大量分布式传感器的应用提供有利条件。本文在对具有自供电传感功能的少片弹簧进行设计时，首先对实验所需的少片弹簧进行结构设计和参数取值，然后制作了实验所需的摩擦纳米发电机(TENG),接着建立了一个类似于垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的功率键合图模型，TENG的功率键合图模型也是本文的核心创新点。该模型可以用统一的方式处理多能量形式并存的系统，直观揭示组成TENG系统工作时各元件间的相互作用及能量转化关系。 在对具有自供电传感功能的少片弹簧应用研究时，首先模拟TENG的实际应用场景，与所设计的少片弹簧相结合并进行相关实验研究。实验中发现环境中的频率和位移共同影响TENG在能量收集过程中的机械能收集总量以及机械能收集功率。然后通过实验数据以及键合图理论求得垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的功率键合图模型中所对应的参数数值。再将功率键合图模型转化为对应的方块图，结合方块图和实际情形，建立垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的动态仿真模型。并将TENG功率键合图模型中的相关参数代入动态仿真模型，比较仿真数据和实验数据，验证TENG键合图模型有效。然后改变不同参数，分析不同参数对TENG输出性能产生的影响。结论是在垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的理论设计时尽可能提高接触电荷量的最大值,这样可以提高摩擦纳米发电机的理论最大输出电能值。而在垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的应用研究中，尽可能提高参数R6的数值，这将会使垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的实际输出电能趋近理论最大输出电能。对相关领域研究人员设计和应用TENG提供了一种新的思路。针对TENG本身具有输出能量密度低的缺点，使用焦耳电路可以将TENG收集到的原本需要17V电压才可以输出的低能量，转化为仅需1V便可正常输出的低能量。未来当自供电传感器大规模使用时，数量众多的低能量综合起来利用将会产生非常可观的效益。 |
| 作者： | 徐鹏程 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 沈辉;张后亮 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 扬州大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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