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博碩士論文 etd-0218113-103318 詳細資訊
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論文名稱
Title
旋轉敲擊式壓電發電機於水力動力擷取之研究
Study on the Hydraulic Power for Piezoelectric Generator in Rotating Tapping Mode
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
257
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2013-01-29
繳交日期
Date of Submission
2013-02-18
關鍵字
Keywords
水力動力、衝擊、壓電式獵能器、懸臂樑、振動
Piezoelectric energy harvesters, Impedance matching, Vibration, Cantilever Beam, Hydraulic power
統計
Statistics
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中文摘要
由於綠能觀念日益受到重視,結合日常環境中之能源成為重要之課題,而振動為能量中之機械能最常表現的方式,於是微機電系統(MEMS)這種技術整合與跨領域的應用,使得我們能利用壓電材料把振動轉換為電能,使其成為一個小型的壓電式發電裝置。因此,本論文將利用環境所散失的能源轉換成電能的獵能器之概念,設計藉由管路中水流帶動進而拍擊壓電元件之收集獵能器,將環境振動能轉換成電能。
研究中利用將壓電薄膜元件,設計新式拍擊獵能模型,以期藉由此新式拍擊方法所施加的衝擊力,來實現由低頻環境振動激發系統本身自然頻率的可能。並以理論分析並建立一套壓電發電裝置的機電轉換等效模型,與其實際量測數據作相互驗證。實驗結果顯示,由於壓電元件受拍擊端還是屬自由端,導致壓電元件之壓電樑發電效果會略受振動放大比( d R )的影響, 但整體發電輸出與頻率呈線性趨勢還是具其可信度。
其實際量測結果,在高頻激盪下其輸出電功率與其外力作用之頻率呈線性正比關係,實驗中之壓電樑發電裝置模型其最大發電功率,在參數之口徑比0.2646與流量35 l/min作用下,壓電元件在全裝載12 片之並聯輸142.13μW。
本篇論文中在此所提出的新式設計中就整體而言,此初步研究已驗證出利用壓電材料將環境振動轉換成電能儲存之應用的可行性。本研究設計之實際應用的實體元件,其成果在未來對於發展高效率的壓電獵能器設計具有其參考價值。
Abstract
Mechanical energy exists all over the place in our living, and vibration is the most common way of mechanical performance. Micro-electromechanical systems, the
application which integrate techniques and combine different field of research, make it possible to convert vibration into electrical energy by using piezoelectric materials;moreover, it become a small piezoelectric power generator. In this dissertation,designed by the pipeline flow driven a piezoelectric energy harvester is proposed and fabricated to convert environmental vibrations into electricity.
The thesis set up an equivalent circuit model based on the principle of piezoelectric and cantilever mechanics for experimenting the model’s exactness;consequently, model shows that resonant frequency effect will be slight on generate electricity.
By exerting impact force, the electric power is proportional to the frequency of the external force relations.Under the action of the diameter ratio of 0.2646 and flow 35 L/min, the piezoelectric elements in the parallel maximum output of the fully loaded is 142.13μW.
In summary, this preliminary study shows that it is a feasible scheme for the application of piezoelectric materials in harvesting electricity from environmental
vibrations. The results and conclusions of this work are still invaluable for guiding the development of high efficient piezoelectric harvesters in the future.
目次 Table of Contents
論文審定書 I
致 謝 II
摘 要 III
ABSTRACT IV
目 錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 序論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景 2
1.3 研究動機與目的 4
1.4 本文架構 5
第二章 壓電原理與相關基礎理論 10
2.1 壓電原理 10
2.1.1 壓電材料的種類與應用 11
2.1.2 PVDF壓電薄膜 11
2.1.3壓電材料本構方程式 13
2.2懸臂樑力學分析 15
2.2.1 懸臂樑結構之自然頻率 16
2.2.2 懸臂樑結構之振動分析 16
2.2.3 懸臂樑之撓度計算 18
2.3壓電換能器的操作模式與結構 19
2.3.1壓電操作模式 19
2.3.2 壓電換能器的結構 19
2.4克希荷夫電壓定律(KIRCHHOFF'S VOLTAGE LAW) 20
2.5衝擊式水輪機之葉片參數原理 21
2.5.1葉片幾何形狀之作用力選擇-射流撞擊 21
2.5.2 葉片-彎板數量選定 22
2.6 管路系統基礎理論 24
2.6.1 射流撞擊 24
第三章 壓電發電模型分析 37
3.1壓電樑之應用發電輸出 37
3.1.1 新式獵能方法 37
3.1.2 壓電元件撓曲特性 37
3.1.3 拍擊實驗動機 38
3.2壓電等效動態模型 39
3.2.1 壓電元件等效動態模型推導 39
3.2.2壓電元件之等效電路與發電能力 41
3.2.3壓電元件之等效電路模型建立 41
3.3 ANSYS模擬壓電片自然振動頻率 44
3.3.1 ANSYS 簡介 44
3.3.2 ANSYS分析方式流程與結果 45
第四章 發電系統架構與機構設計 52
4.1 實驗模型製作 52
4.1.1 動力傳動系統 52
4.1.2 發電系統 53
4 .2 壓電元件經水輪機拍擊試驗之發電流程 53
4.3 實驗儀器及設備 53
4.4 實驗參數設定 54
4.4.1 模型參數 54
4.4.2拍擊試驗頻率參數 55
4.4.3 壓電元件數量並聯拍擊之發電試驗參數 55
4.5 實驗步驟 56
4.5.1 壓電元件拍擊試驗之開路電壓量測 56
4.5.2 壓電元件拍擊試驗之電功率量測 56
4.5.3 測試試片並聯之電功率量測 56
第五章 實驗結果與討論 68
5.1拍擊實驗之數據量測 68
5.1.1水輪機轉速量測 68
5.2 實驗之發電系統電壓與電功率量測 70
5.2.1 壓電元件之開路電壓量測 70
5.2.2壓電元件之電功率量測 71
5.3 實驗與理論值之比較 72
5.3.1 電壓實驗輸出與理論值之比較 72
5.3.2 電功率實驗輸出與理論值之比較 73
5.4 發電功率結果分析 74
第六章 結論與建議 109
6.1 結論 109
6.2建議 110
參考文獻 111
附錄A 壓電元件量測之開路電壓圖 113
附錄B 壓電元件量測之電功率圖與表(單片) 156
附錄C 壓電元件並聯量測之電功率圖與表(三片) 178
附錄D 壓電元件並聯量測之電功率圖與表(六片) 200
附錄E 壓電元件並聯量測之電功率圖與表(十二片) 222
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