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用于路面机械能量回收的压电换能器研究
| 论文题名： | 用于路面机械能量回收的压电换能器研究 |
| 关键词： | 沥青路面;机械能量回收;压电换能器;ANSYS软件;车辆荷载 |
| 摘要： | 路面机械能广泛存在,回收可行性强。基于压电换能器的路面机械能量回收符合可持续发展和低碳化的理念,作为一种有效的能量回收方式有很大研究价值。结合路面荷载及环境特点,本文按照理论分析、有限元模拟、制作、性能分析和室内应用研究的思路,开展用于沥青路面机械能量收集的压电换能器的研究。具体为以下几个方面: (1)根据压电耦合基本理论,结合车辆荷载和路面结构层的响应,选择适合于路面用的压电换能结构,分析了压电换能结构及能量输出特性,确定了影响压电换能结构开路电压及功率的因素。 (2)利用ANSYS软件的压电耦合模块建立了钹式压电换能器的有限元分析模型,分析了各因素对换能器开路电压、存储的能量及极限应力的影响,根据使用环境及材料特性初步确定钹式压电换能器的几何结构参数,选择合适的材料制备了钹式压电换能器及对其进行封装,并分析了压电性能、介电性能及压电耦合性能,最终确定了适用于路面机械能量回收的压电换能器。 (3)根据车辆荷载特点及沥青路面结构层内应力响应特征,提出了适用于沥青路面内钹式压电换能器压电性能的分析方法,分析了路用钹式压电换能器在荷载频率范围内的有效输入阻抗并建立了有效阻抗与频率的函数关系式;探讨了在动态荷载作用下换能器开路电压与负载及频率的关系,及换能器在车辆荷载频率范围内的效率。研究结果表明:制作的路用钹式压电换能器试验时能产生378.5V~282.2V的开路电压;在一个荷载周期内最大能够转换2.03mJ的电量,能最大输出1.43mJ的电量,最大输出8.4mW的功率;在试验荷载频率范围内换能器最大的转换效率约为14％。 (4)根据实际的路面情况及荷载条件,基于室内小尺寸试验对钹式换能器路面能量回收进行初步应用研究。初步探讨了连接方式与换能器输出的关系,探明了影响埋入式钹式压电换能器的路面环境因素,并试验分析了埋入式钹式压电换能器的耐久性能及周期性荷载长期性能。根据钹式压电换能器的能量转换特点,设计并制作了能量收集电路,并在此基础上进行了基于室内小尺寸试验能量收集的研究,结果表明埋入式钹式换能器经过最少累计作用轴次15.2次即可收集到74.9uJ的电量。 |
| 作者： | 钟勇 |
| 专业： | 交通运输工程 |
| 导师： | 谭忆秋 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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