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系統識別號 U0002-2506201914113500
DOI 10.6846/TKU.2019.00834
論文名稱(中文) 雙層彈性鋼片獵能系統之實驗分析
論文名稱(英文) Experimental Study of Double Elastic Steel Sheet (DESS) Vibration Energy Harvester System
第三語言論文名稱
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中文) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英文) Department of Aerospace Engineering
外國學位學校名稱
外國學位學院名稱
外國學位研究所名稱
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生(中文) 翁銘壎
研究生(英文) Ming-Syun Wong
學號 607430138
學位類別 碩士
語言別 繁體中文
第二語言別
口試日期 2019-06-13
論文頁數 80頁
口試委員 指導教授 - 王怡仁
委員 - 李貫銘
委員 - 洪健君
關鍵字(中) 結構動力學
振動與控制
振動能量獵能系統
壓電材料
關鍵字(英) Structural dynamics
Vibration and control
Vibration energy harvester
Piezoelectric patch
第三語言關鍵字
學科別分類
中文摘要
振動能量獵能系統 (Vibration Energy Harvester (VEH)) 是將振動的機械能轉換成電能的一種裝置,其振動源來自各種機械振動,例如車子的振動、吊橋的晃動甚至是飛行器下游的振動流場等。在本研究裡,吾人提供了一組雙片彈性鋼的壓電能量獵能系統,利用兩片彈性鋼的形變及拍打所產生的振動,輔之以壓電片 (Piezo-Patch) 進而產生電能,並和儲能設備加以結合,提出了綠能整合的完整解決方案(Total solution)。
吾人採用實驗的方法,建立了此系統的實作模型,研究此系統的動態響應、平均功率輸出、能量收集效率等。吾人也提出了一簡單儲能裝置,將振動所收集的能量儲存於電容及鎳氫電池中。因為壓電片所產生的電能為交流電(Alternating Current),所以需要利用橋式全波整流器(Rectifier)將交流電轉換成直流電(Direct Current)加以應用。
此系統在未來可裝置在機翼的Trailing edge或旋翼機的主旋翼下方,讓飛行時所產生的氣流造成系統振動,加以收集其機械能轉換成電能,提供額外的電力給飛行中的飛機,此研究也建立了一綠能整合的完整解決方式的基礎模型,並展示其相關應用。
英文摘要
The objective of vibration energy harvesting (VEH) is to convert the energy of vibration motion such as car vibration, suspension bridge vibration, or any kind of mechanical vibration energy into electric energy. In this study, a total solution of Double Elastic Steel Sheet(DESS)piezo-vibration energy harvester base excited mechanical system is proposed to take advantage of the vibrational energy of two long elastic steels oscillation and tapping motion. The present work provides an energy harvesting, the electric power converting and an energy storing a total solution for the VEH system. The experimental method was employed and the analytical model was built in the proposed VEH system. The dynamic response, average power output, energy harvesting efficiency of the proposed harvester were studied. The output voltage of the VEH system was verified by a theoretical model and numerical results.  
  The vibration induced electric power was stored by the capacity installed in this VEH system. The capacity with a rectifier can transfer the output of AC voltage into DC voltage. This model can be applied on the trailing edge of a wing or on the downstream of any rotary wing aircraft main rotor. The vibration airflow behind the wing trailing edge or the downstream of the helicopter main rotor provides a continuing shedding vibration energy for the DESS system and thus generates the electric power. This study implements this model and shows its practical applications.
第三語言摘要
論文目次
目錄
表目錄 V
圖目錄 VI
第一章緒論 1
一、1研究動機 1
一、2文獻回顧 2
一、3研究方法 5
第二章系統模型建立 8
二、1雙彈性鋼片(DOUBLE ELASTIC STEEL SHEET (DESS)) 獵能系統之實驗建置 8
二、2 DESS 獵能系統之振動模態分析 9
二、3 定義輸入頻率範圍 12
二、4 壓電片擺放位置 12
二、5 DESS系統地拍打防護裝置之實作 13
二、6不同曲面對DESS系統發電之影響 14
第三章 PIEZO PATCH 擺放位置及各模態發電效益分析 16
三、1 各模態直流電發電效益 16
三、2 各模態交流電發電效益 17
三、3 DESS 與 SESS 之實驗結果比較 17
第四章 DESS 儲能系統的設計 19
四、1電子元件介紹 19
四、2儲能系統概述 20
四、3儲能效率 20
第五章結果與討論 22
第六章結論與建議 24
參考文獻	27
 
表目錄
表1 壓電材料之規格 30
表2 SESS系統第一模態波峰處及根部發電效益比較表 30
表3壓電片擺放位置對DESS系統產生之電量 31
表4量測系統負載LED之電壓、電流及功率值 31
表5量測系統產生交流電之電壓、電流及均方根值 31
表6 不同曲線之保護裝置對DESS系統產生之電量 32
 
圖目錄
圖1DESS實驗模型設計圖 33
圖2 基座質量塊 34
圖3 滾珠滑軌置於基座質量塊下方以減少阻力 35
圖4 H型支架 35
圖5 H型支架固定於光學桌上 36
圖6 科鳴股份有限公司(Superex Technology)所生產的壓電片 36
圖7 Acuity公司所生產的AR700-24型雷射位移計 37
圖8 固定於支架上的振動器 37
圖9訊號放大器外觀 38
圖10 集研公司所製造的IMC資料收集器 38
圖11提供振動波形的訊號產生器 39
圖12實驗流程圖(Flow chart) 39
圖13此系統的模態圖 40
圖14 Ansys模擬DESS振動後的模態 40
圖15由衝擊錘實驗所產生的訊號圖 41
圖16將圖15經由傅立葉轉換(Fast Fourier Transform)所產生的自然振動頻率圖 42
圖17在自然振動頻率附近振動的樑會產生明顯的模態圖 43
圖18第一模態位移量 44
圖19第二模態位移量 44
圖20第三模態位移量 45
圖21壓電片擺放在SESS系統第一模態根處所量測LED直流電壓、電流及功率 47
圖23防護裝置的三面示意圖 49
圖24由3D列印之防護裝置成品 50
圖25不加防護裝置之DESS產生之電壓、電流、功率數據圖 51
圖26 無曲面保護裝置之DESS產生之電壓、電流、功率數據圖 52
圖27 低曲面保護裝置之DESS產生之電壓、電流、功率數圖 53
圖28 高曲面保護裝置之DESS產生之電壓、電流、功率數圖	54
圖29將壓電片置於DESS的節點處,量測LED所產生之功率 57
圖30將壓電片置於DESS的波峰處,量測LED所產生之功率 60
圖31 將壓電片擺放SESS系統第二模態波峰處量測LED產生之電壓、電流及功率 61
圖32將壓電片擺放SESS系統第三模態波峰處量測LED產生之電壓、電流及功率 62
圖33由IMC資料收集器量測SESS產生之交流電壓及電流值 64
圖34由IMC資料收集器量測DESS產生之交流電壓及電流值 66
圖35橋式整流示意圖 67
圖36電解電容示意圖 68
圖37 由鎳氫電池、蕭特基二極體、LED及電阻製作的儲能系統 68
圖38儲能系統電路圖 69
圖39利用Arduino Nano開發板所製作之電量計 70
圖40未充電之鎳氫電池電壓、電流及瓦特數 71
圖41 充電後之鎳氫電池電壓、電流及瓦特數 72
參考文獻
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