水流致动俘能系统的设计及其发电性能研究开题报告

全文总字数：6255字

1. 研究目的与意义（文献综述）

水覆盖了全球70%以上的面积，其中有潮汐能、海流能等多种多样的能量，是储量大且稳定的绿色能源。然而，水下的能量收集和储存的方式存在质量大、体积大、需要定期更换等诸多弊端，使得水下勘探、深海作业等存在着诸多不便，因此亟需利用水下的能源并研究出一种可持续的水下能源自供给方式。对于水下能源，主要是低速水流，目前主要有两种途径来收集的能量，一种是利用波浪振动的浮动式能量收集器。nv.viet等人^[1-3]对这种能量收集器进行了深入研究，他们的四对称弹簧杠杆压电能量收集器在深度0.25m，长度1.5m，波浪周期7s，波高1.5m的条件下可以获得900w的功率。另一种是涡流振动能量收集器。涡流是流体绕流非流线型钝体产生的，可以在低速流体中产生。因此，这类能量收集器可以在内陆河流中使用，应用范围更广。

在振动能量收集领域中，较为常用的是压电陶瓷，它可以通过压电效应实现电能和机械能之间的转换，可以有效地利用诸如风能、水能等能源，并转换成电能。但是由于陶瓷本身固有的脆性大、硬度高、不易变形等特点，压电陶瓷材料的应用受到了很大的限制，尤其是在曲面、柔性或轻质结构中的应用。为了克服以上缺点，美国麻省理工学院的bent等人^[4]首先设计出了压电陶瓷纤维复合材料afc。其结构如图1(a)所示，用圆柱形的压电纤维作为骨架，用聚合物进行包覆，最后在表面上加上叉指电极构成。afc在保留了压电晶体材料的压电性能、高频率响应、高灵敏度等优点的同时，解决了压电晶体材料脆性过大、柔韧性不足等问题。虽然afc的性能较好，可以应用于传感和驱动，但是困难的生产工艺和高昂的造价使得afc仍然难以大规模投入使用。于是，2000年美国国家航空和宇宙航行局兰利研究中心的研究者们^[5]又开发了另一种压电陶瓷纤维复合材料mfc。如图1(b)所示，mfc的基本结构和afc类似，但是将圆柱体的压电纤维改进成了长方体。由于截面从圆形改进为长方形，使得其电极材料与电极直接接触，电场强度得到了明显提高^[6]。在提高了材料的应变性能的同时，也改善了加工工艺，人们逐渐研究出排列-浇注法、切割-填充法^[7]等一系列制备工艺，使得其加工方式更简、应用领域更宽。(图片见附件文档)

早在2001年，美国普林斯顿的allen^[8]就提出了利用阻流器产生卡门涡街，使得放置在其下游的pvdf产生振动，进而产生电压。这被称为鳗鱼形(eel)俘能装置。利用这种办法可以显著提高压电材料的形变，从而提高能量收集能力。同年，george. w. taylor等^[9]提出将其应用于河流和海洋中进行能量收集。molino.minero.re等人^[10]提出了一种基于涡激振动的水下压电俘能装置，可以在低速环境下使用，但是有一定的深度要求，还不能满足实际应用。2015年宋汝君、单小彪等人^[11,12]使用圆柱体能量收集器，分别对涡激振动和尾流振动的能量进行收集，在0.31m/s的水流速度下获得了共计21.86μw的功率。随后他们^[13-15]又指出可以对于不同的水流速度存在最优外接电阻可以最大化输出功率。2018年sun等人^[16]的实验表明，在水流速度提升到一定程度时，使用三棱柱形收集效率会比圆柱形高。他们认为这是三棱柱形能量收集器不仅吸收涡激振动的能量，还能吸收驰振的能量导致的。同年hidemi mutsuda等人^[17]利用一种打印柔性压电材料进行水中能量收集。2019年罗竹梅等人^[18]使用四圆柱结构模拟柱群对海流能进行能量收集，发现在较小的约化速度下可以较稳定地俘获海流能。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

(1) 文献调研及理论学习:

通过国内外相关文献的调研，掌握压电材料的原理和压电纤维复合材料MFC的工作机制，了解压电俘能的研究现状和进展，学习国内外结构优化设计的方法，找出压电纤维排列对MFC性能的影响，并进一步探究提升压电俘能效率的方法。

(2)压电纤维复合材料的制备:

切割-填充法制备压电纤维复合材料，通过有限元仿真分析，确定压电纤维和叉指电极的最优参数，并制备样品。

(3)压电纤维复合材料的性能表征:

采用X射线衍射分析（XRD）、拉曼光谱分析（Raman）、热重分析（TGA）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）等对其进行物相与结构测试表征。

使用铁电测试仪、阻抗分析仪等设备测试材料的电学性能。

(4)水流致动俘能系统的搭建及其相关测试：

搭建实验系统，系统内包括：离心泵、储水箱、管道、阻流体、水流测试仪、示波器、交直流转换电路等，研究在不同的水流速度、水流致动方式、压电单元位置等情况下，进行压电能量收集的性能测试，对比测试结果。用于压电能量收集器的压电复合材料的电学性能主要由三个指标进行体现：开路输出电压（VOC）、短路输出电流（ISC）和瞬态功率密度（PI）。

2.2 研究目标

(1)采用切割-填充法制备以PZT为基础的压电复合材料MFC；

(2)基于MFC搭建水流致动俘能能量收集系统，通过优化MFC的性能参数、优化系统设计，提高能量收集效果。

2.3 技术方案

（1）试剂与仪器：

试剂：PZT压电陶瓷粉末、聚乙烯醇（分子量1750±50）等

仪器：

（2）实验方案：

（i） 将购置的压电陶瓷粉末与聚乙烯醇水溶液（5%PVA溶液）按照每0.8g粉末1滴溶液，进行混合搅拌，放入干净的袋子陈腐24h，获得压电陶瓷粉料。

（ii） 将粉料放入压力试验机的模具中，将粉料压成圆柱形，保压20min以上。将样品进行抽真空处理，放入冷等静压机中压制成型，得到圆柱形压电陶瓷胚体。

（iii） 用金刚石切割机对制备的压电陶瓷切割，填充聚合物，上下覆盖叉指电极后完成压电陶瓷纤维复合材料的制备，在3kV/mm电场下完成极化。用铁电测试仪和光纤位移传感器测试所得压电陶瓷纤维复合材料的电性能和应变性能。

（iv） 改变金刚石切割机的程序设置，根据有限元仿真结果指导实验，制备压电陶瓷纤维复合材料，测试性能，对结果数据进行分析总结。

（v） 搭建实验系统平台，利用大容量水箱、水泵和回流水管三部分搭建的测试系统^[19]，加入蜂窝网和阻尼网降低水流湍流度，通过变频器获得可变稳定的水流。

（vi） 将制备的MFC加入搭建的水流致动俘能测试系统，通过水流计、万用表、示波器等测试其不同情况下的能量收集效率，并对结果进行分析总结。

（3）结构表征与性能分析：

通过XRD、SEM等表征手段对压电陶瓷材料的物相，断面结构进行分析。利用铁电测试仪和光纤位移传感器测试压电陶瓷纤维复合材料的电性能和应变性能，结合有限元分析结果，寻找提升压电陶瓷纤维复合材料的性能的最优方案。使用万用表、示波器测量在不同的水流速度、水流致动方式、压电单元位置等情况下MFC在水流致动俘能系统中能量收集效率，对比测试结果,优化系统装置。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－9周：按照设计方案，制备压电复合材料，优化制备工艺，熟悉制备流程，用仿真软件建模分析，并用仿真结果指导实验的进一步开展；

第10－12周：搭建水流致动俘能系统，在水流中测试其能量收集的电学参数、振动特性等相关参数，计算出其输出功率和能量转换效率；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]viet nv,wang q.ocean wave energy pitching harvester with a frequency tuning capability[j].energy,2018 11(162): 603-617.

[2]viet n v , wang q , carpinteri a . development of an ocean wave energy harvester with a built-in frequency conversion function[j]. international journal of energy research, 2017, 42(7).

[3]viet, n.v., et al., energy harvesting from ocean waves by a floating energy harvester. 2016. 112: p. 1219-1226.