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压电俘能系统的能量传递规律及其控制
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    O441
  • 关键词:
  • 成果简介:
    无线传感在航空航天、环境监测等领域广泛使用,其电池供能存在体积大、服役期短、更换困难等缺点。从环境振动提取能量是一种全新的主动供能方法,是国际前沿的研究热点之一。压电结构可以进行力电转换,将振动能转换成电能。由于结构固有频率与电路频率所对应的时间尺度不一致,且环境驱动频率又存在易变性特征,所以以往俘能系统的能量转化率及环境适应能力均偏低。该项目在国家自然科学基金的连续支持下,在压电俘能系统动力学方面开展了深入研究,取得了一系列创新性成果,丰富和发展了电磁固体力学理论。主要发现点有: 1.首次建立了压电俘能/储能系统的耦合动力学模型,提出了结构与电路交互作用的时域多尺度算法,阐明了主动界面对极化电荷的调控机理及其对俘获能量的传递规律,俘能效率比被动情形最大可提高5倍。得到了美国Dane Quinn(ASME Fellow)、香港WH Liao(ASME Fellow)等人的正面评价,美国工程院士Pisano等以该项目的压电结构理论为基础设计了特殊用途的俘能器。 2.提出了俘能结构的轴力调频构型,建立了主/偏场耦合的压电结构动力学方程,揭示了偏场诱导频率漂移规律,为实现系统的频率自适应性奠定了理论基础。德国P Woias实验验证了该方法的可行性,发现轴向拉/压可分别实现4%/22%的频率漂移。该研究得到了许多著名学者关注,如:美国DJ Inman(ASME、AIAA等Fellow)、加拿大科学院士Q Wang、新加坡工程院士CK Soh等。 3.国际上首次提出宽频压电俘能器的设计理念,提出了具有宽频特征的压电阵列构型,为克服传统俘能系统的环境适应性差和输出不稳定等缺陷打下基础。美国A Baz(ASME Fellow)等评价道:“maximizing the harvested power,over broad frequency range, using multi-harvesters as in Xue etal.”;美国RJ Weber(IEEE life Fellow)等也肯定了该研究。8篇代表作被SCI他引302次,1篇入选高被引论文,被美欧等多国院士及同行正面评价。该项目负责人连续4年入选Elsevier中国高被引学者榜,是Acta Mechanica Solida Sinica常务副主编、湖北省力学学会理事长。主持了2009年全国压电和声波理论及器件技术研讨会和2010年全国固体力学大会暨固体力学学报创刊30周年会议。应邀在《固体力学学报》上发表综述论文,阐述压电俘能领域的关键问题、现状及发展趋势,并被纳入方岱宁院士等主编的“十二五”国家重点图书《Analysis ofPiezoelectric Structures and Devices》中。
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