本文選題：森林風 + 壓電振動能量�。� 參考：《北京林業(yè)大學》2016年博士論文

【摘要】：在環(huán)境監(jiān)測領域,無線傳感器網絡技術得到大力推廣,如果節(jié)點的電能供給問題得不到解決,那么為數量龐大的傳感器節(jié)點換電池也是個難題。因此,林區(qū)無線傳感器節(jié)點自供電問題得到了廣泛關注,從環(huán)境中收集諸如太陽能、風能、溫差能等方式得到了越來越多的研究。本文著眼于微風能收集的方式,雖然電磁方式的發(fā)電機技術已經很成熟,但是壓電發(fā)電方式由于其發(fā)電性能良好、結構簡單、便于加工制作等特點得到了國內外的關注,本文用風速杯式壓電能量收集的方式收集微風能,為風致多方向壓電能量收集的發(fā)展提供支撐。本文的研究內容和結果如下：1、森林風特性分析,主要以鷲峰林場入口處觀測到的風速和風向數據進行統(tǒng)計分析,通過風玫瑰圖可以得出各月份的風速和風向的分布情況,然后用數據擬合了韋伯風速概率密度函數和高斯風速概率密度函數,高斯風速概率密度函數的擬合度更高,經過檢驗,選取高斯風速概率密度函數來進行后續(xù)的風能預估計,說明收集微風能具有一定的可行性,而且應該研制多方向壓電振動能量收集結構。2、進行了懸臂梁式風致壓電能量收集結構的WSYS仿真分析。實驗對比了兩種振動模式的壓電能量收集效果,并針對在低頻下有較好發(fā)電效果的方式進行了電能收集實驗,通過3588-1芯片收集、薄膜電池CBC3112存儲,有良好的效果,CBC3112的輸出電壓可以在5分鐘內從2.06V上升到3.90 V。3、對標準能量收集電路、串聯同步開關電感電路、并聯同步開關電感電路和同步開關電荷電路進行了參數掃描分析,參數掃描分析可以得到不同負載情況下4種電路的電能收集情況,并聯同步開關電感電路具有更高的收集效果；介紹了一種優(yōu)化分析仿真方法,可以更加節(jié)省時間的優(yōu)化電路中的元件參數,以得到更多的電能收集效果；考慮到風的振動隨機性,用隨機信號代替正弦信號對4種電路的功率收集效果進行了對比,發(fā)現同步開關電感電路的電能收集效果更好；提出了一種改進的并聯同步開關電感電路,并進行了詳細的分析,分析它的工作原理并進行了實驗驗證。4、進行了風致壓電能量轉換的系統(tǒng)實驗與測試,結果說明本文所用的風速杯式壓電能量收集裝置可以在風速為3.5 m/s時啟動產生電能,由于風速和風向的隨機性較大,產生的電壓也存在較大波動。風速杯可利用的風能經過擊打壓電片讓壓電片產生形變,再經過本文改進的并聯同步開關電感收集電路和超級電容的存儲,這個階段的能量轉化率達到14.5%。本文的研究結果為無線傳感器網絡自供電從森林微風能的角度提供了一種不同于以往電磁發(fā)電模式的新思路,為風致多方向壓電能量收集的發(fā)展提供一定的技術基礎。
[Abstract]:In the field of environmental monitoring, wireless sensor network technology has been vigorously promoted, if the node power supply problem can not be solved, then for a large number of sensor nodes to replace the battery is also a problem. Therefore, the problem of wireless sensor node self-supply in forest area has been paid more and more attention, and more research has been done to collect solar energy, wind energy, temperature difference energy and so on from the environment. This paper focuses on the way of collecting wind energy. Although the electromagnetic generator technology has been very mature, piezoelectric power generation has been paid attention to at home and abroad because of its good power generation performance, simple structure, easy to process and manufacture, etc. In this paper, wind energy is collected by wind speed cup piezoelectric energy collection, which provides support for the development of wind induced multi-direction piezoelectric energy collection. The research contents and results of this paper are as follows: 1, Analysis of forest wind characteristics, mainly based on wind speed and wind direction data observed at the entrance of Jiufeng Forest Farm. The distribution of wind speed and wind direction in each month can be obtained by wind rose map. Then the Weber wind speed probability density function and the Gao Si wind speed probability density function are fitted with the data. The Gao Si wind speed probability density function is more fitting. After the test, the Gao Si wind speed probability density function is selected to carry on the follow-up wind energy pre-estimation. It is shown that the collection of wind energy is feasible, and the multi-directional piezoelectric vibration energy collection structure .2should be developed, and the WSYS simulation analysis of the cantilever beam wind-induced piezoelectric energy collection structure is carried out. In this paper, the effects of piezoelectric energy collection in two vibration modes are compared, and the electric energy collection experiments are carried out in order to achieve good power generation effect at low frequency. The CBC3112 storage of thin film battery is achieved by the collection of 3588-1 chip. The output voltage of CBC3112 can rise from 2.06 V to 3.90 V. 3 in 5 minutes. The parameters of standard energy collection circuit, series synchronous switch inductor circuit, parallel synchronous switch inductance circuit and synchronous switch charge circuit are analyzed. The power collection of four circuits under different loads can be obtained by parameter scanning analysis, and the parallel synchronous switch inductor circuit has higher collection effect, and an optimization analysis and simulation method is introduced. It can save more time to optimize the component parameters in order to obtain more power collection effects. Considering the randomness of wind vibration, the power collection effects of four circuits are compared by replacing sinusoidal signals with random signals. It is found that the power collection effect of synchronous switch inductance circuit is better, and an improved parallel synchronous switch inductance circuit is proposed and analyzed in detail. The working principle of the device is analyzed and verified by experiment. Finally, the system experiment and test of wind induced piezoelectric energy conversion are carried out. The results show that the wind speed cup piezoelectric energy collection device used in this paper can generate electricity when the wind speed is 3.5 m / s. Because of the randomness of wind speed and wind direction, the generated voltage fluctuates greatly. The wind energy of the wind speed cup can be deformed by hitting the piezoelectric chip. After the improved parallel synchronous switch inductance collection circuit and the storage of the super capacitor, the energy conversion rate of this stage reaches 14.5%. The results of this paper provide a new idea for wireless sensor network self-supply from the point of view of forest breeze energy, which is different from the previous electromagnetic power generation mode, and provide a certain technical basis for the development of wind-induced multi-directional piezoelectric energy collection.
【學位授予單位】：北京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333

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本文編號：1886075