波浪作用下柔性压电发电装置的研究

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近年来,随着海洋环境污染问题的日益严重,海洋环境的监测工作也越来越受到重视。以往的环境监测装置大多采用传统的化学燃料电源供电,但是由于被监测环境大多恶劣且多变,因而传统电源很容易被腐蚀破坏;而且传统电源的能量有限,大面积铺设的监测设备均需要定期更换电源,工作量十分巨大,因此,为海洋环境监测装置寻找新型的供电方式迫在眉睫。海洋中蕴藏着巨大的能量,当前,波浪能作为海洋中质量较好的能源,逐渐进入研究者的视线。本文设计了一种利用海洋波浪能的柔性压电振动发电装置,通过将波浪能转化为电能,可以源源不断地为海洋环境监测装置供电,既可以为解决监测装置传统电源寿命短、更换难度大等问题提供行之有效的思路,又能将波浪能、振动能与压电发电技术结合起来,为科研人员在能源开发利用方面提供一些参考。本文首先介绍了研究背景与国内外压电振动发电装置的研究现状,着重介绍了波浪激励作用下的压电振动发电装置的现状,总结出当前国内外研究中存在的不足与本文的主要研究内容,并对波浪作用下的柔性压电发电理论进行深入分析,为接下来的研究提供理论支撑。其次,依据实验水槽尺寸建立了数值波浪水槽模型,通过对水平面参考点的位移时程曲线以及数值水槽的波形的分析,证实了数值波浪水槽的可靠性,为后续在波浪场内的耦合分析提供了保障。然后,基于建立的数值波浪水槽,进行波浪与柔性板的双向耦合计算,柔性板与波浪的高质量耦合关系证实了在ANSYS Workbench模块下进行波浪与高柔韧性材料的双向流固耦合计算是可行的,为柔性压电振动发电装置与波浪的双向耦合分析提供依据。并且进一步探究了柔性板的厚度、长度、波频、波速等因素与柔性板自由端形变量的关系。最后,将柔性板改换成柔性压电振动发电装置,进行流-固-电三场耦合计算,发现压电发电装置能够输出稳定电压,并且串列排布压电发电装置之间的距离、不同样式的压电发电装置(单晶、双晶串联、双晶并联)、压电发电装置的长度等因素均会对压电发电装置的输出电压产生影响,得到了串列排布的双压电发电装置的最优排布方式。之后搭建实验平台,对仿真计算结果进行验证,为本文所设计的柔性压电振动发电装置提供实验依据。
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