桥型压电能量收集器性能数值研究.pdf

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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn桥型压电能量收集器性能数值研究**陈亚扣，师亚祥，陈科（合肥工业大学机械工程学院,合肥市230000）5摘要：为探索压电薄膜在路面能量收集中的应用，本文设计了一种桥型压电能量收集装置。建立了桥型压电能量收集器在移动载荷下的模型，将桥型压电能量收集器等效为简支梁，将简支梁的挠度方程与压电高斯定律积分形式方程联立，推导出移动载荷下压电简支梁能量收集器的电压表达形式，并通过算例仿真分析了简支梁跨度、载荷移动速度、压电薄膜层数等10因素对压电能量收集装置输出电压的影响。分析表明，大跨度简支梁、高速

2、移动载荷以及多层压电薄膜并联可以使装置的输出电压最大化。关键词：压电薄膜；路面能量收集；桥型；跨度；移动速度；层数中图分类号：TM91915NumericalinvestigationofbridgetypepiezoelectricenergyharvesterCHENYakou,SHIYaxiang,CHENKe(MechanicalEngineeringSchool,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230000)Abstract:Inresearchoftheapplicationofpiezo-filmint

3、hefieldofroadenergyharvesting,abridge20typepiezoelectricenergyharvesterhasbeendesigned.Amodelofenergyharvestersubjectedtomovingloadwasbuilt.Thebridgetypeenergyharvestercanbeequivalentofasimplysupportedbeam.Theexpressionofvoltageproducedfromharvestercanbeinducedfromthedeflection

4、equationofsimplysupportedbeamtogetherwiththeGauss’slawintheformofintegral.Acasestudyshowsthatthespanofbeam,thevelocityofmovingload,thenumberoflayershaveinfluenceontheoutput25voltage.Themaximumoutputvoltagecanbeproducedwhentheenergyharvesterhasalongspan,hiNumericalInvestigationo

5、fBridgeTypePiezoelectricEnergyHarvesterghspeedandmorelayersofpiezo-filmassoonaspossible.Keywords:piezo-film;roadenergyharvesting;bridgetype;span;velocityofmovingload;numberoflayers300引言近年来，路面压电能量收集已成为一个充满机遇与挑战的新兴领域。其收集的能量可用于交通照明、融冰消雪、信号灯控制以及为用于道路桥梁健康结构检测的无线传感网络供电35等。2008年以色列的In

6、nowattech公司和海法理工学院共同研发了应用于道路的压电能量收[1]集系统，该技术仍处于保密状态。2010-2012年上海交通大学赵鸿铎、同济大学的黄如宝、[2-5]牛衍亮等人验证了压电式路面能量收集技术的可行性，认为钹式结构换能器在众多换能[6]器结构中能量收集效率最大。2013年哈尔滨工业大学钟勇应用钹式换能器收集路面能量，[7]详细分析了影响钹式换能器能量收集效率的因素。2014年四川大学蒋学争等人设计了一种40压缩式路面能量收集装置。这种装置包含三个环形布置的压电叠堆，该装置埋入路面后将交[8-10]通载荷引起的振动能量转换为电能。北京

7、交通大学的向宏军、张之伟将路面等效成欧拉梁，求解欧拉梁在移动均布载荷下埋入式压电能量收集装置的电压和功率输出，分析发现电作者简介：陈亚扣（1991-），男，硕士研究生通信联系人：陈科(1965-)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为：机电产品的现代设计理论和方法；人工神经网络、进化算法等在机械产品中的应用；机电产品的CAD/CAE/CAM.E-mail:k.chen@163.com-1-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[11]压和功率输出与车辆移动速度有关。2015年哈尔冰工业大学李从健等人设计了一款用于[12-

8、13]路面能量收集的拱形压电能量收集器。2016年弗吉尼亚理工大学HaochengXiong、圣[14]45