前沿文献:设计了一种基于方形螺旋束局域谐振声子晶体的低频振动能量收集装置

文摘   2024-10-13 12:00   江苏  

自供电微型无线传感器在物联网技术中起着至关重要的作用。利用低频环境振动实现传感器的自供电是当前的研究热点。本文设计了一种用于低频振动能量收集的方形螺旋束局域谐振声子晶体。首先用有限元法分析了理想声子晶体在无限周期下的带隙和振动模式;探讨了利用该结构收集振动能量的可能性。在此基础上,建立了单胞PnC板模型,并对其振动模态进行了分析,验证了其具有相似的振动特性。然后,组装了一种压电振动能量收集装置,并对其能量收集性能进行了分析。仿真结果表明,所设计器件的最大功率密度可达52.14 μW/cm2。物理实验验证了该装置具有良好的能量收集性能。该装置为设计无线微型传感器的自供电装置提供了一种新的选择。

本文提出了一种基于方形螺旋梁LRPnC的小型低频PVEH器件的设计方案。本设计充分利用了方螺旋螺旋LRPnC优异的非周期适应性、低频共振特性和结构特点,结合了PZT材料的特性。以晶格常数为30 mm的晶胞为工作体,成功地实现了优异的低频振动能量收集和输出性能。有限元分析结果表明,所设计的装置在0 ~ 200 Hz的频率范围内具有多个工作频率。其中,在185.4 Hz频率下,PZT片S4可实现12.82 V的峰值输出电压和243.9 μW的峰值输出功率,单体电池可实现52.14 μW/cm2的总最大功率密度。实验结果表明,从PZT片S4中获得的峰值电压为10.12 V,峰值功率为265.50 μW,单元电池的总最大功率密度达到33.81 μW/cm2。

本文设计的装置不仅在结构小型化方面取得了突破,而且具有良好的能量收集和输出性能。在能量密度方面,与Park等人[22]设计的装置相比,本装置有近14倍和20倍的改进。Yang等[23]。分别。

此外,该装置还具有加工方便、材料简单易得、成本低等优点。它不仅适用于微型传感器的能量供应,而且在许多工程领域具有应用潜力。

然而,这种设计仍然存在一些局限性,例如能量收集频率的窄带宽以及需要优化外部电路以充分利用从四个PZT片收集的功率。这些问题可能会影响实际应用,因此需要进一步解决。


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