压电发电装置的设计
压电发电装置的设计作者姓名：XXXX
专业名称：通信工程
指导教师：XXXXX
摘要
人们自1880年发现天然石英具有压电效应以来,相继又发现并人工制造了一系列的压电材料。如某些木材、钛酸钡、铌酸锂、人造石英、高分子聚合物等。尤其近半个世纪里,压电材料的发展极为迅速,应用日益广泛。从日常生活用的压电式电子打火和厨房里的天然气炉灶压电式点火器到无线电用的压电式扬声器、耳机、乃至飞机、宇宙飞船、导弹中的振动测量传感器,都用到压电材料。但这些压电材料的机械性能比较脆,若机械加工质量不高,在装配或应用中很易破碎。而近二、三十年来在人们发现并制造出来的新型压电材料中,最引人注目的就要算高分子压电材料,如聚二氟乙烯、聚氟乙烯、锆钛酸铅、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯、尼龙等,这些材料不像石英及压电陶瓷材料那么脆,在装配和应用中不易破碎。尤其是聚偏二氟乙烯这一类的压电材料,非常柔软,又可做得很薄,而且它具有大的动态范围,高绝缘性、高机械强度和耐冲击、抗辐射、低噪声阻抗、压电系数大等特性。因此,近年来受到人们的特别关注,应用越来越广泛。压电效应分为正压电效应和逆压电效应，本文所要研究的就是利用正压电效应制成的利用聚偏氟乙烯（PVDF）作为压电薄膜的压电发电装置，这种压电发电装置相对于其他微型发电装置，具有结构简单、不发热、无电磁干扰和易于实现微小化等优点，越来越受到各国研究人员的关注。本文通过对压电发电装置电学等效模型的建立与分析，利用Multisim软件对压电发电的特性（包括压电电流输出特性和电荷输出特性）、能量传输效率、提高电能的产生方法进行分析。并对功率调理电路、能量存储媒介、稳压充电电路进行了相关理论和仿真研究。具体工作如下：
首先，建立并分析压电发电的电学等效模型。
其次，借助电路仿真软件进行电路分析。研究压电振子电能不同存储媒介的可行性，利用超级电容容量大，充放电效率高的特点作为电荷的初级存储。当积累到一定量的电荷即通
I
过稳压充电电路为可充电电池进行充电，电池的输出能量稳定。
最后，最后针对能量传输效率及存储问题，比较了各整流电路的特点。设计了三倍压整流电路以提高能量的传输效率。设计了稳压充电电路以实现电能的最终存储和利用。并利用仿真软件对整个系统进行了仿真。结果表明整个电路设计能够为可充电电池充电，从而实现振动能到电能的转换和利用。
关键词：PVDF压电膜压电发电装置能量存储
Abstract
Since 1880 found in natural quartz piezoelectric effect, the people, have discovered a series of piezoelectric materials and artifacts. As some synthetic quartz, barium titanate, lithium niobate, wood, polymer, etc. Nearly half a century, in particular, the extremely rapid development of piezoelectric materials, an increasingly broad application. From daily life with piezoelectric electronic spark and piezoelectric ignition on gas stoves in the kitchen to a piezoelectric speaker, radio headphones, vibration measuring sensors in aircraft, spacecraft, missiles, using Piezoelectric materials. Comparison of the mechanical properties of piezoelectric materials brittle, if the machine is not of high quality, are easily broken in the Assembly or application. And near 20 or 30 years to in people found and manufacturing out of new pressure electric material in the, most striking of is is polymer pressure electric material, as poly II fluoride vinyl, and poly fluoride vinyl, and zirconium titanium acid lead, and PVC, and poly carbonate ester, and poly partial II fluoride vinyl, and nylon,, these material does not like quartz and the pressure electric ceramic material so crisp, in Assembly and application in the not broken. Particularly poly vinylidene fluoride which kind of piezoelectric material, very soft, and can be made very thin, and it has a large dynamic range, high insulation, high mechanical strength
II
and impact resistance, resistance to radiation impedance of piezoelectric coefficient, low noise characteristics. So, are of special concern in recent years, more and more widely. Piezoelectric effects are divided into direct piezoelectric effect and the inverse piezoelectric effect, to study in this article is the use being made of the piezoelectric effect of poly vinylidene fluoride (PVDF) as piezoelectric thin-film piezoelectric generators, this piezoelectric power relative to other micro-power generation plant, has a simple structure, heat, electromagnetic interference-free and easy to realize the advantages of miniaturized, concern of researchers from more and more countries. This article through the electrical equivalent model of piezoelectric generators and analysis on pressure characteristics of electric power generation using Multisim software (including electric current output and points and output characteristics), energy efficiency, and increase power generation method for analysis. Power conditioning circuits, energy storage and media, regulated charging circuit for the related theoretical and simulation studies. The work are as follows:
First, the equivalent model establishment and analysis of piezoelectric power generating electricity.
Secondly, with the help of circuit simulation software for circuit analysis. Study the feasibility of piezoelectric vibrator different storage media, power, super large capacitance, charge on charging and discharging characteristics of high efficiency as primary storage. When accumulated to a certain amount of charge to charging by constant voltage charge circuit for rechargeable batteries, battery output energy stability.
Finally, the last for energy efficiency and storage issues, compared the characteristics of rectifier circuit. Design three times voltage multiplying rectifier circuit to improve the efficiency of energy transfer. Regulated charging circuit was designed to achieve final storage and utilization of electric energy. And simulation use
III
simulation software to the system as a whole. Results show that the whole circuit designed to charge the rechargeable battery, thus achieving vibrational energy to electric energy conversion and use.
Keywords:PVDF piezoelectric film, Piezoelectric generator, energy storage
IV
目录
摘要............................................................................................................ I Abstract................................................................................................... I I 目录........................................................................................................... V 前言 (6)
1 绪论 (7)
1.1 研究背景及意义 (7)
1.2 国内外研究现状与水平 (8)
1.3 本文主要研究内容 (13)
1.4 本文的整体结构及章节安排 (13)
2 压电发电装置的建模和能量传输效率分析 (15)
2.1 压电电学等效模型分析 (15)
2.2 压电发电特性分析 (16)
2.3 能量传输效率分析 (23)
2.4 提高电能产生的方法 (25)
3 功率调理及存储电路设计 (29)
3.1 功率调理电路的分析与设计 (29)
3.1.1 单相半波整流电路 (29)
3.1.2 全波整流电路 (31)
3.1.3 倍压整流电路 (32)
3.1.4 二倍压整流电路仿真及结论分析 (38)
3.2 存储电路设计与分析 (42)
3.2.1 储能元件的选择 (42)
3.2.1 整流方式的选择 (45)
3.3 压电发电能量转换及存储总体设计及仿真 (46)
3.3.1 三倍压整流电路设计 (46)
3.3.2 功率调理电路和存储电路总体设计 (47)
总结 (51)
致谢 (52)
参考文献 (53)
V
前言
目前,大多数的微功率电子产品仍采用电池供电，如各种随身听、MP3、儿童玩具以及家用电器的遥控器等，它们的能量来源都是电池。众所周知, 电池里包含汞、铅、镉等多种有害物质。所以，研究新型、环保的能源装置来代替传统的电池势在必行。如压电发电装置，与其他发电装置相比，压电发电装置有很多优点:结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化等，尤其适用于各类传感器、监测系统和其它低功耗电子设备。压电发电由于其自身的优点，越来越受到人们的广泛关注，在医疗、军事等领域已经开展了相关的研究工作，并成为目前新型发电方式中的一个研究热点。研究压电发电，一个很重要的问题是压电材料的研究制造和选取，因为高性能的压电发电材料是压电发电技术实际应用的基本保证。
近二、三十年来在人们发现并制造出来的新型压电材料中,最引人注目的就要算高分子压电材料，尤其是聚偏二氟乙烯这一类的压电材料,非常柔软,又可做得很薄,而且它具有大的动态范围,高绝缘性、高机械强度和耐冲击、抗辐射、低噪声阻抗、压电系数大等特性。因此,近年来受到人们的特别关注,应用越来越广泛。同时，随着各种微小型便携式电子产品高集成度化和低功耗电子器件的发展，以及各种高性能压电材料的出现。传统的化学电池因其寿命短、经常需要充电和更换而逐渐不能满足瘁用场合的要求。因此，有关PVDF（聚偏氟乙烯）压电膜能量转换和电荷的存储技术的研究和应用受到越来越多的关注。这正是论文选题的主要依据和动机。
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1 绪论
1.1 研究背景及意义
在严冬季节，许多人经常出现动手动脚的情况。因此，人们非常希望在室外时能够与室内一样的温暖。而且，身体各个部位的耐寒程度不同，通常情况下，脚部耐寒程度较低，就算人们在室外穿着很多时，手脚也经常会感觉冰凉，所以，脚部取暖对人体在寒冷季节时身体保暖非常重要，因此，很久以前人们就设想过制造出一双能够发热的保暖鞋，以解决上述问题。但以前人们想到的都是用电池来提供电能，把电能转化为内能来发热保暖。由于电池的电能是有限的，电能消耗完毕，就失去了效用，就算是充电电池，也会遇到充电不方便等情况，所以这种想法一直没有实现。
近半个世纪里，人们发现了压电发电材料，比如压电陶瓷等，人们就设想，利用人体行走时产生的机械能来挤压压电材料使其产生电能并把这些电能收集利用起来作为把暖鞋子的能量源。但是由于以前发现的那些压电材料，比如压电陶瓷，石英等，他们都有一些共同的缺点，就是机械性能比较脆，在使用的过程中比较容易破碎。所以当时设想把压电材料应用于把暖鞋中又失败了。
最近，尤其是近二三十年来，人们发现并制造出来了一些新型的压电材料，最引人瞩目的就算是高分子压电材料，其中最典型的就是聚偏氟乙烯（PVDF），这种压电材料克服了以前的压电材料的一些缺点，非常柔软，又可以做得很薄，而且它具有大的动态范围，高绝缘性，搞机械强度和耐冲击，抗辐射，低噪声阻抗，压电系数大等特性，因此，受到了人们的特别关注，这种压电材料的发现，使人们重新看到了制造出压电发电保暖鞋的希望。
压电发电保暖鞋是通过设计采用锂电池与压电式发电为电源提供持续电能的方法，已达到保暖的效果，一般的锂电池只能进行5小时左右的供电，如果需要供电时间较长时，锂电池就不能满足，充分利用人体行走时产生的能量设计压电式发电装置，其产生的能量可以起辅助供电作用，这样能够保证在任何情况下均可将温度控制在30~35
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摄氏度左右的人体舒适范围内。
这种设计最关键的就是利用PVDF压电膜对人体行走时产生的能量进行收集，即PVDF压电发电装置的设计。
体重为50千克的人以每秒两步的速度行走时产生的能量是相当可观的。而且如果采用合适的材料，发热保暖鞋对于电量的功率需求会很小，远小于一瓦。尽管行走不像人呼吸那样是一种连续的运动，但可以采用某种方法把能量贮存起来，这样人体行走时的能量就可通过压电发电方式收集起来。
机械能是广泛存在于人行走过程中的，为了将振动能转换为电能加以利用，近年来，各国的研究学者开展了许多这方面的探索研究。目前，采集环境振动能量的装置主要是利用压电效应的采集器。压电换能器具有很多优势，首先它可以根据微电子设备对电源的需求产生合适的电压，其次开始工作时不像静电转换方式那样需要起始电压。再次，它在结构设计上没有限制，易于实现结构上的微小化和集成化。机械阻尼系数可以设计得比较小。同时压电式自供能装置无电磁干扰。压电式自供能装置在微电子设备无源化的研究中，压电发电装置的设计和产生的能量的转化和储存是目前研究的焦点，也是本文需要讨论的主要问题。基于以上背景，本文就是研究保温鞋的基于PVDF压电发电装置部分。
1.2 国内外研究现状与水平
众所周知，压电材料在外力作用下可以产生电荷（或电压），所产生的电能可以被直接利用制作电子打火机、煤气点火器等，但将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源的研究近年来刚刚开始。目前，有关利用PVDF压电膜发电与能量存储技术的研究在美国、荷兰、西班牙等许多国家已相继开始，但国内对这方面的研究还处于起步阶段。在国内，还很少发现有关压电发电技术实际应用方面的报道。国外对压电发电技术的研究相对较早，技术比较成熟，所研究的压电发电机大多属于人力发电机。几十年前科学家就发现压电材料在外部激励的作用下可以产生电荷这一现象，但由于发电能力有限，长期以来压电换能器及其应用的研究并没有得到研究人员的重视。压电发电技术涉及材料、机械、电子等诸多学科，因此，有许多学科
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之间交叉的问题还没解决，在这个新兴的研究领域尚需进行大量的理论研究和试验分析。然而随着电子元器件的高度集成化、低功耗电子器件和无线电射频技术的发展，为压电发电技术的应用提供了基础;另一方面，随着制造技术和材料科学的发展，不断出现了高发电性能、高机电祸合转换效率的压电材料。压电晶片的厚度甚至可以做到0.02mm的厚度，为获得微电子系统所需要的电压和电流可采用多片压
电晶片串、并联的方法。19%年，荷兰的研究者Thadstamer等人利用压电效应将笔记本电脑“开/合”时产生的机械能转化为电能加以利用。从此开启了压电发电换能技术这一新的研究应用领域。
同时，随着各种微小型便携式电子产品高集成度化和低功耗电子器件的发展，以及各种高性能压电材料的出现。传统的化学电池因其寿命短、经常需要充电和更换而逐渐不能满足瘁用场合的要求。因此，有关PVDF压电膜能量转换和电荷的存储技术的研究和应用受到越来越多的关注。目前，有关利用PVDF压电膜发电与相关的能量存储技术的研究还处于开发探索阶段。随着时代的发展，压电发电技术将有更广泛的应用前景。其中，国外有关压电发电技术的典型应用有如下几种：
纳米发电机《科学》杂志报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机：纳米发电机，他们利用竖直的氧化锌纳米线的独特性质，研制出将机械能转化为电能的纳米发电机。氧化锌纳米线有容易弯曲的特性，可以在纳米线内外部分别造成压缩和拉伸；竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构，同时具有半导体性能和压电效应。氧化锌纳米线的这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生极化电荷，他们用导电原子力显微镜的探针弯曲单个氧化锌纳米线，输入机械能，再利用氧化锌的半导体性质将其纳米线的压电特性耦合起来，从而将电能暂时储存在纳米线内，然后再用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，向外界输电，从而完美地实现了
%%，纳米尺度的发电功能。该纳米发电机的能量转换效率高达17~30
为开发自发电的纳米器件奠定了较好的物理基础。
压电式视线导航标识2003 年，由NEC TOKIN 与日本Heardea 联合开发出采用压电发电装置的新型道路标识，该标识是直径为
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13.5cm 的圆形，外围有受风的羽状物。内部配置了压电转换元件和钢球以及 6 个LED。将其安装在交通量大的公路隧道内，可利用汽车驶过时产生的风旋转标识。其原理就是通过钢球下落时撞击压电转换元件来发电。可发电风速为3m/s～6m/s，每秒发光 3 次，每次发光时间3ms 以上，亮度为4000mcd 以上。2003 年6月～9 月在日本山阳汽车公路隧道中进行验证试验，确认可在200m 以外处看到。
压电点火器压电点火器发展至今已有二十多年的历史，是一种将机械力转换为电火花而点引燃烧物的装置，是压电陶瓷作机电换能材料使用的典型实例之一，压电点火器的点火过程由高压产生、放电点火和可燃气体点燃等三个阶段组成。根据传递机械力的方式，压电点火器主要分为渐增式和冲击式，主要应用于电子打火机、压电高压发生器、家用压电陶瓷点火器等中。
能为无线网络供电的压电式袖珍风车美国德克萨斯州大学的电子工程师沙善克·普里亚发明了一种可以为无线网络供电的袖珍风车，这种风车周长大约为10 厘米，它附在一个旋转凸轮上，当凸轮旋转时可使一系列压电晶体不断伸缩。压电材料当被挤压或伸展时便会产生电能。时速为16公里的微风便可以产生7.5 毫瓦的持续电能，这足以保证一个电子传感器的运转，可以为完整的无线传感器网络供电。与利用风力涡轮机为电网供电的常规发电机相比，这种压电发电机的发电效率要更高一筹。一个压电发电机的转化效率则能达到18%，而同尺寸的常规发电机仅能将可利用风能的1%直接转化为电能。
可自身发电的防盗窗户2004 年将有一种无需插座和电池、靠自身发电通知开关状态的防盗窗问世。该产品是由住宅窗制造商新日轻和从事半导体开发等业务的USC 共同开发的。该产品准备了两种发电机构，其中一种利用窗户锁上下运动发电，另一种利用窗户或门的开关来发电。上述两种方式均利用压电转换元件将动能转换为电能，利用这一电力与发电机共同驱动内置无线发射电路。可通过特定小功率无线电波，随时向安装在家中的操作面板的内置接收机通知窗户的开关。使用时只需将操作面板设为打开，便会在打开窗户时发出警报或联络保安公司等，也可以确认窗户的开关状态等。新日轻于2003年11月11日～14日在东京举行的有关住宅设备的展览会“Japan Home Show 2003”上，展示了配备上述发电机构和无线发射电路的窗锁部分
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（称为 Cresent ）。
由国内外的研究现状可以看出，利用压电材料的压电效应所产生的电能可以驱动某些小功率的电子设备，在人们生活中的各个领域有着广阔的应用前景。
1.2.1 压电发电装置的研究现状
利用以上几种方式，各国的科学家们在许多领域尝试了压电发电装置的应用，较有成效的有以下几种。这些研究为探索新的压电发电应用领域和新的压电发电装置的设计提供了思路。
宾西法利亚州州立大学的学者 GeffreyK.Ottman ， HeathEHofinarm 等采用一种新的驱动器作为压电能量采集元件，采用脉冲宽度调制，实现震荡电路与压电振子振动同步，并使用DC/DC 变换器最大化压电元件的能量输出，将能量采集系统的功率从16.43mW 提高到70.42mW 。
美国德克萨斯州大学的教授采用压电元器件制造了一种微型发电机。这种小型发电机由时速8~16公里的风力驱动压电双晶梁结构产生振动，从而在压电陶瓷上产生电能。该装置能够为无线传感器网络节点提供最多50mW 的功率。
现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。它是一种将机械力转换为电能产生电火花而引燃气体的装置，是压电陶瓷作机电换能材料使用的典型实例之一。压电打火机的点火过程由高压产生、放电点火和可燃气体点燃等三个阶段组成。根据传递机械力的方式，压电点火器主要分为渐增式和冲击式，主要应用于电子打火机、压电高压发生器、家用压电陶瓷点火器等中。
压电发电鞋，压电发电鞋的制作方法就是把发电装置植入鞋底，通过人体在行走时脚对鞋底的冲击使压电陶瓷变形而产生电荷。这种发电装置的发电功率可应用于野外军事行动中的通信联络和无线电跟踪电子装置的使用。
1.2.2 压电发电能量存储效率和调理电路的研究
压电陶瓷产生的电能是瞬时和突变的还不能直接对负载供电，需进行AC DC -转换，AC DC -稳压变换并储存以备使用。因此，电路的转换效率及储存能力会直接影响其输出电量大小。在AC DC -转换方面，目前采用的主要是桥式整流电路，然而其转化效率较低还有待
改进。在能量储存方面，目前大多采用的可充电电池或是普通电容。而普通电容的电荷密度较低，储存能力有限。可充电电池对充电电路有一定的要求。因此，改进整流电路，选用合适的电能储能介质也是当前压电发电能量储存领域需要研究的问题。压电陶瓷的机电转换效率的研究主要集中在D31，D33方向上机械能转换为电能的转换效率。
1996年，日本科学家对压电式发电装置转化效率和电荷存储进行了研究，并测试了以电容为储存介质的压电能量储存方法。试验装置由一个钢球和简支梁式压电陶瓷板组成，外储存电路由桥式整流与电容组成。钢球撞击压电晶体，使其发生机械变形产生电信号，压电陶瓷振动发出的交变电流经整流桥存入电容中。测试发现压电振子产生的电压峰值频率与外加振动频率一致，电压波形相似于振动波形。压电振子输出电荷量随外界储存电容值的增加而增加，同时也随压电振子摆动时间的增加而增加。此试验中压电元件的最大转换效率为35%，为太阳能电池转化效率的三倍。
2001年，英国材料学家Elvin在电容储能电路中加入了控制电路，压电振子在外界激励作用下产生的电荷通过整流桥储存入电容，当储能电容电压达到1.1V时，控制电路开始工作，电容为传感器提供电能。当电容电压下降至0.5V时时，控制电路关闭，、电容再次进入充电状态:试验发现能量转换系统能够为电路提供足够的能量。
从国内外压电发电的研究现状可以看出，各种压电发电装置的应用验证了利用压电材料的压电效应所产生的电能为小功率的电子设备供能的可行性。在各个领域有着广阔的应用前景，特别是像无线传感器网络节点这种低功耗、维护困难的供电设备。先前的研究表明，压电发电装置的发电能力主要取决于压电振子的性能参数、结构设计、施加的外力大小和加速度、频率以及负载对电能输出的影响等;同时，压电体的发电能力有限，输出为功率相对较小的瞬时交流电。如何提高压电发电装置在有限体积内的发电量、输出功率以及如何高效的实现电能的转换及存储是目前在压电发电技术的实际应用中所面临的主要问题。本文以此为目标，进行了理论和仿真研究，并设计了适合压电发电的功率调理电路和存储电路。
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1.3 本文主要研究内容
要将压电式换能器用于高效率的能量转换并存储加以利用，不仅涉及机、电系统各自的特性，还需要从机电藕合角度去研究机电混合系统特性。由于环境振动的频率和幅值变化有很强的随机性，而具体的机、电系统都具有固定的频率响应特性，要实现高效能量转换和高效存储，一方面采能系统的换能器和功率调理电路之间需要匹配，另一方面希望系统能尽可能适应较宽的频率激励。根据换能原理针对压电式振动换能器的结构，以获得最大能量输出为目的，本文主要进行以下研究工作:
介绍压电发电研究的内容，国、内外研究动态，以及压电器件能量采集的特点和在应用环境中存在的问题。
对发电特性进行理论分析并进行数值模拟。对压电装置的电压电流输出特性做了推导，并对能量转化效率进行了分析，分析提高电能的方法。
功率调理电路和存储电路的设计，研究多种压电能量存储方法的可行性，利用超级电容作为第一级的电能储存媒介进行压电能量储存仿真研究，对整流硕士学位论文第一章绪论方式进行分析推导，并通过仿真研究为功率调理电路提供最优化的电路参数。实现电能的最终存储与为传感器网络节点实现稳定的能量供给，并进行仿真分析验证可行性。
1.4 本文的整体结构及章节安排
根据以上的研究内容，各章节的内容安排如下:
第一章，绪论，本章主要简要阐述课题来源、背景及意义。并详细介绍基于压电材料的振动能量捕获技术的国内外研究现状。在此基础上，分析和提炼了本文所要解决的问题，并确定了具体的研究思路和技术路线。
第二章，压电发电的建模分析和产生能量效率分析，对压电换能器的结构及其工作原理进行分析，建立电学等效模型。进而导出压电式换能器的电压和电流输出表达式，分析了能量转换效率和提高能量产生的方式。
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第三章，功率调理及存储电路设计，重点对半波整流，全波整流和倍压整流电路做了比较。详细推导了倍压整流电路的公式，对储能元件，整流方式的选择做了阐述。并详细对压电式转换器的功率调理电路原理进行了分析，对整体系统进行了优化设计，设计了稳压充电电路，并给出了仿真实验及结果分析。
最后对本文的研究工作进行了总结和概括。
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-15- 2 压电发电装置的建模和能量传输效率分析
2.1 压电电学等效模型分析
压电振子电学等效模型的研究是设计压电发电装置外部功率调理电路和存储电路的理论出发点，同时也是确定外部储能元件参数值的依据。
图2.1压电电学等效模型
从电学角度来看压电陶瓷可以等效为一个正弦电流源今与内在的极间电容Cp 的并联。如图2.1所示()sin ip t ip t =ω，ip 和ω分别为电流源的振幅和频率，相应的几的值跟压电元件的外部激励有关，在这里假设电流源幅值和电极电容Cp 恒定，忽略外部负载对内部相关参数的影响极化电流ip 的大小随压电元件机械激励而变化。
由戴维南等效定理，该电路中阻抗为:
1P R
Z j C R ω=
+（2.1）
可求出电路输出功率：
22021()p p I R V P R C R ω==+(2.2) 式(2.2)中p I 为电流有效值，当R=1wc
时，即外部负载阻抗和压
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电陶瓷等效阻抗相匹配时，负载能够吸收的能量最大。在设计整流和存储电路时要考虑负载和压电元件等效电阻，使压电振子的输出功率达到最大化。
2.2 压电发电特性分析
PVDF 压电薄膜的发电原理与电磁发电、静电电容式发电等发电方式完全不同，因此，只有充分了解PVDF 压电薄膜的发电能力、输出电压、电荷特性、负载电路对输出功率的影响及压电材料相关参数对发电性能的影响规律，才能设计出性能优异的压电发电装置。
1.电压电流输出特性
选择悬臂梁压电振子的长度为l ，宽度为a ，厚度为h 的压电晶体。 现对当压电振子在外力为：
1sin()F F t ω=（2.3）
激励下，处于电学短路和机械自由边界条件下即第二章介绍的第一类压电方程组时，压电晶体输出电能参数的表达进行分析。
T D dT E
=+ε(2.4)
1E S s T d E
=+(2.5)
设外力1sin()F F t ω=
为时间t 的函数，D ，T ，S ，E 都为时间t 的函数，上述两式表示为:
()()()
D t dT t
E t =+ε（2.6）
1()()()
E S t s T t d E t =+（2.7） 其中应力1sin()()
F t F T t ah ah
ω==
-17- 代入(2.7)得:
1sin()()()T F t D T d
E t ah
ω=+ε（2.8） 将式(2.8)沿压电晶体表面进行积分，得到累计电荷的表达式为:
1sin()()dlF t Q D t dxdz al E h
ε==+ε??（2.9）
引入章节2.2中压电振子的电学等效模型，如图2.2所示。外接负载RL ，阻值为R ，()i t 和0()i t 分别表示流出电流源Q 的电流和压电振子流向负载的输出电流。
图2.2
在式（2.9）中对时间进行微分，可求得电流()i t 的表达式为：
1cos()()()()dlF t dQ t dE t i t al dt h dt
ωω==+ε（2.10）
在电学等效模型中p C 表示压电晶体的两电极之间的极间电容值，
所以有：
p al C h ε
=（2.11）
设z 为p C 与负载电阻RL 并联的总阻抗，则z 为：
1p
z R j C ω=+
（2.12）
将（2.11）代入（2.12），整理得总阻抗为：
-18-
z =
（2.13） 由电学等效模型可知()i t 与()E t 有如下关系：
()()i t z E t h
=（2.14）
将（2.13）代入（2.14）整理得：
1cos()()()()al z dlF t dQ t di t i t dt h h dt
ωε=
=+（2.15） 式（2.15）为一个关于未知变量()i t 的一阶微分方程，解出这个方程的()i t 的数学表达式为：
122222233
()(cos()sin())()T T T al z dlF lh i t t t Ce h al z h a l z ωωωωωωεε=
+-++ε（2.16） 式（2.16）中C 为未知实常数，根据实际的应用环境进行分析，
可以得知C 为零，由电学等效模型分析知()i t 和0()i t 有如下关系： 0()()i t z i t R
=（2.17）
将（2.12），（2.17）代入式（2.16）整理得到压电振子输出电流的表达式：
02()s i n ()
i t t ω=
+?（2.18）
输出电压为：
-19-
00()())
u t i t t ω=+?（2.19） 利用以上推导的理论模型，进行数值模拟分析，讨论压电发电振子的发电特性。
压电发电振子收到交变的外力或规则的激励作用时，压电发电振子输出交变的电流，开路状态下呈现出交变的电压。以式（2.19）对该压电发电振子在峰值为20N ，频率为10Hz 时的作用力下进行模拟得到图2.3所示的输出电压波形图：
图2.3数值模拟电压示意图
再令模拟负载为10k 以式(2.18)对该压电发电振子进行数值模拟，得到图2.4所示的输出电流波形图：
传动装置机械设计
1.设计任务书 一、设计题目：链板式运输机传动装置 1—电动机；2、4—联轴器；3—圆锥-圆柱斜齿轮减速器； 5—开式齿轮传动；6—输送链的小链轮 二、原始数据及工作要求 组 别 链条有效拉 力 F（N） 链条速 度 V（m/s） 链节 距 P(mm) 小链轮齿 数 Z 1 i 开 寿命 （年） 110000173~610 210000193~610 312000213~610 411000213~610 511000193~610 612000213~610 每日两班制工作，传动不逆转，有中等冲击，链速允许误差为±5%。 三、设计工作量设计说明书1份；减速器装配图，零号图1张；零件工作图 2张（箱体或箱盖，1号图；中间轴或大齿轮，1号或2号图）。 四、参考文献 1.《机械设计》教材 2．《机械设计课程设计指导书》
3．《机械设计课程设计图册》 4.《机械零件手册》 5.其他相关书籍四、进度安排
学生姓名： 学号： 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 指导教师： 2009年12月14日 2.传动装置的总体方案设计 ．传动方案分析 （1）．圆锥斜齿轮传动 圆锥斜齿轮加工较困难，特别是大直径、大模数的圆锥齿轮，只有在需要改变轴的布置方向时采用，并尽量放在高速级和限制传动比，以减小圆锥齿轮的直径和摸数。所以将圆锥齿轮传动放在第一级用于改变轴的布置方向 （2）．圆柱斜齿轮传动 由于圆柱斜齿轮传动的平稳性较直齿圆柱齿轮传动好，常用传动平稳的场合。 因此将圆柱斜齿轮传动布置在第二级。 （3）. 开式齿轮传动
由于润滑条件和工作环境恶劣，磨损快，寿命短，故应将其布置在低速级。 （4）．链式传动 链式传动运转不均匀，有冲击，不适于高速传动，应布置在低速级。所以链式传动 布置在最后。 因此，圆锥斜齿轮传动—圆柱斜齿轮传动—开式齿轮传动—链式传动，这样的传动 方案是比较合理的。 ．电动机选择 链轮所需功率 kw 85.31000 35 .0110001000=?== Fv P W 取η1=（联轴器）, η2=（圆锥齿轮） , η3=（圆柱斜齿轮）, η4=（开式齿轮）, η5=（链轮）； η=η2×η3× η4×η5= 电动机功率 P d =P w / η= kw 链轮节圆直径 255.6mm )21/180sin(1 .38)/180(sin === z P D 链轮转速 26.25r/min 6 .25535 .0100060100060n =???=?= ππD v 由于二级圆锥—圆柱齿轮传动比i 1’=8~40， 开式齿轮传动比i 2’=3~6 则电动机总传动比为 ia ’=i 1’×i 2’=24~240 故电动机转速可选范围是n d ’=ia ’×n=(120~360)×=~6288r / min 在此范围内电动机有Y132S-4和Y132M2-6,且Y132M2-6的传动比小些 故选电动机型号为Y132S-4 ．总传动比确定及各级传动比分配 由电动机型号查表得n m =1440 r / min ；故ia=n m / n=1440 / =55 取开式齿轮传动比i 3=；圆锥斜齿轮传动比i 1=；故圆柱斜齿轮传动比i 2=4
压电材料发电
压电材料发电 压电材料的晶体结构使其具有正压电效应和逆压电效应,即将机械能转化成电能,和将电能转化为机械能。压电发电正是利用压电陶瓷的正压电效应。在压电发电领域中,电量储存的研究基本局限于以电容作为电量储存媒介的方法上,在国内,尚未发现以可充电电池为压电发电储能媒介的研究。 压电陶瓷发电装置的优点在于结构简单、无污染、能量密度大、易于加工等,尤其适用于各类传感器网络及监测系统。压电陶瓷换能器通过一定的工艺加工可以制成各种电子设备的供电能源,能够使电子设备适应环境进行自供电，提高设备的免维护性。由于这些特点，使得压电陶瓷发电技术的应用逐渐成为研究的热点[1]。 1.惯性自由振动式 曾平等人[2]在总结国外研究者的试验结果基础上，提出了利用小面积压电振子为电能源,给可充电电池充电的研究思想。在他的文章中所研究的压电发电装置中的压电振子由磷青铜基板和一个粘在其表面的矩形压电晶片构成,磷青铜板和压电晶片的厚度分别为0.3m m和0.3mm。 1.1压电发电装置的实验研究系统如下图所示。 压电陶瓷 图1压电发电实验装置 磷青铜板 将压电振子一端基板的露出部分作为固定支撑端,另一端自由,在自由端基板露出部分上端和激振器的激振头接触,形成悬臂梁激振系统。试验时,通过脉
冲信号发生器输出控制信号,激振器振子产生振动,并将振动传递给悬臂支撑的压电振子,使压电振子产生上下弯曲振动,则压电振子上的压电晶片在弯曲变形的作用下,将产生电量。通过示波器可观测到压电振子在上下弯曲振动时产生电信号的变化情况。 1.2充电电池储存电路设计 以充电电池为储存媒介的储存电路,其作用是将来自压电振子的电量,储存到一个镍氢钮扣电池中。为减少其他因素的干扰,电路的组成元件较少。图2为设计研制的以充电电池为储存媒介的储存电路。其基本结构为压电振子(电能发生源)、全桥校正器、储存电容元件、充电电池及连接线路等。 图2镍氢电池充电电路 试验研究时,压电振子在外加振动激励的作用下,产生交流变化的电荷信号,产生的电荷经全桥校正器,收集进入一个大容量的电容中,电容一般大于1 000μF,电池和电容并联,电容将收集来的电量储存入充电电池中。 2.冲击自由式振动[3] 冲击自由振动式，是利用自由振动金属球(或有一定势能的冲击头)撞击压电振子，使之产生弯曲振动，如图3所示。该发电方式能产生瞬间的大电流，产生的电量可以点亮数十个mW级的发光二极管。
新型太阳能发电装置设计研究
新型太阳能发电装置设计研究 摘要：本文为了提高传统太阳能发电装置的能源利用效率，研究设计出了一种 可多次吸收的视日跟踪型太阳能发电装置。首先给出了该装置的设计思路和设计 要求；随后给出了相应的解决方案：曲面和光电转换杆的设计和材料的选择，太 阳能跟踪方式选取。最后给出了各个部分的具体实施方案，以及实物图和总体流 程图。相对于以往的太阳能，此装置能源利用效率更高。 关键字：能源利用效率；新型太阳能；视日跟踪 引言： 随着人们对太阳能利用的深入研究，太阳能发电系统逐步应用到生活的众多方面，而且 达到了很好的效果。尤其在能源发电方面，太阳能得到了很好地利用，但是，传统的太阳能 发电设备仍然存在各方面的缺陷，这使得太阳能的利用效率较低[1]。近年来人们从太阳能电 池材料、钢化玻璃透光性、电池表面涂层、自动跟踪系统等方面进行了研究，其最终目的都 是为了提高发电设备的太阳能的利用效率。下文研究的新型太阳能发电装置亦为达到此目的[2]。 1.新型太阳能发电装置的设计思路 为了在原有的基础上提高设备的光电转换效率，试图通过改变传统太阳能发电设备的结构，设计一种新型太阳能发电设备，不但可以对太阳光经过多次吸收，而且具有太阳自动跟 踪装置，通过控制系统驱动电机对太阳能设备的朝向以及角度进行调整，提高太阳能的入射量，从而达到提高设备太阳能吸收效率的目的。 1.1、设计思路来源 传统的太阳能聚光器利用抛物镜面将太阳能进行反射，然后使太阳光聚集在抛物面的球 心位置，使该位置的太阳能不断增加，人们通常利用聚集在该点的太阳能进行加热操作。通 过这样的设备我们可以想到一个思路：如果将该聚光器抛物镜面改装成太阳能电池，制作成 抛物面型的太阳能发电设备，可以对太阳光进行吸收发电。[3-5]但是，经过分析发现，如果 我们想对太阳光进行二次或者多次吸收，这样的设计是不合理的，因为根据太阳能聚光器的 原理，太阳光经过抛物面设备反射后依然会聚集在一点，此处的能量会越来越高，最后会超 出光电转换设备最大承受温度。所以想要再次吸收反射后的太阳能，就必须将反射后的太阳 能分散开来。接下来介绍一个新的设计思路。 1.2、基本设计思路 通过上述分析，为了使经过反射后的太阳能分散开来，不再聚集在一个点上。通过研究 分析，我们改变了抛物面的形状，拟合出了一种新的曲面，这种曲面是由一个个同心圆累积 而成，反射后的太阳能经过该曲面后会聚集成一个线状，这个线状正好与各个同心圆的圆心 连接而成线状重合。 因此，我们可以设计这样的一个曲面，然后在同心圆的圆心位置设计一个杆状的光电转 换设备。至此，新型太阳能发电装置的初步模型就基本形成。 2.具体设计 2.1、曲面的设计 按照上面的基本思路分析，通过相应的数学工具再结合光学理论，我们拟合出了可以满 足设计条件的曲面。接下来我们通过提取曲面的截图，研究垂直太阳光入射到该曲面的情况，假设该曲面始终垂直朝向太阳，画出此种情况下太阳光光线轨迹，并设计草图 3.1如下所示。 从上图中我们可以发现，当太阳光垂直入射到该曲面时，左右相对称位置反射后的光线 总会相交于一点，而所有的点连接起来就汇聚成了一条线，如图中所示的那条粗黑线。 2.2、杆状光电转换设备的设计 通过上述的分析，我们知道太阳光通过上述设计好的曲面反射后，会汇聚形成线状。在 起初设计时，我们就是希望可以将反射后的太阳光进行二次吸收利用，将其转换成电能，提 高传统太阳能发电装置的能源转换效率。因此，对于经过反射后太阳光形成的线状可以用类
设计带式输送机传动装置-机械设计说明书
机械设计基础课程设计 计算说明书 设计题目带式运输机上的单级圆柱齿轮减速器系机械系专业材料成型及控制工程班级 15-1 设计者孙新凯 指导教师 2017年 06 月 12 日
目录 一、设计任务书 0 二、带式运输送机传动装置设计 (1) 三、普通V带传动的设计 (4) 四、斜齿圆柱齿轮传动设计 (6) 五、滚动轴承和传动轴的设计 (10) 六、轴键的设计 (18) 七、联轴器的设计 (18) 八、润滑和密封 (19) 九、设计小结 (20) 十、参考资料 (20) 一.设计任务书 一.设计题目 设计带式输送机传动装置。 二.工作条件及设计要求
1.工作条件：两班制，连续单项运转，载荷较平稳室内工作，有粉 尘，环境最高温度35℃； 2.使用折旧期：8年; 3.检查间隔期：四年一次大修，两年一次中修,半年一次小修； 4.动力来源：电力，三相交流，电压380/220V 5. 运输带速允许误差为 5%。 6.制造条件及批量生产：一般机械厂制造，小批量生产。 三.原始数据 第二组选用原始数据：运输带工作拉力F=2200N 运输带工作速度V=s 卷筒直径D=240mm 四.设计任务 1.完成传动装置的结构设计。 2.完成减速器装备草图一张（A1）。 3.完成设计说明书一份。 二.带式运输送机传动装置设计 电动机的选择 1.电动机类型的选择：按已知的工作要求和条件，选用Y型全封闭笼型三相异步电动机 2.电动机功率的选择： P=Fv/1000=2200*1000= E 3.确定电动机的转速：卷筒工作的转速
W n =60*1000/(π*D)=60*1000**240)=min 4.初步估算传动比：由《机械设计基础》表14-2，单级圆柱齿轮减速器传动比=6~20 电动机转速的可选范围； d n =i ∑· v w n =(6～20)=～ r/min 因为根据带式运输机的工作要求可知，电动机选1000r/min 或1500r/min 的比较合适。 5.分析传动比，并确定传动方案 （1）机器一般是由原动机，传动装置和工作装置组成。传动装置是用来传递原动机的运动和动力，变换其运动形式以满足工作装置的需要，是机器的重要组成部分。传动装置是否合理将直接影响机器的工作的性能、重量和成本。合理的传动方案除满足工作装置的功能外，还要结构简单，制造方便，成本低廉，传动效率高和使用维护方便。 本设计中原动机为电动机、工作机为皮带输送机。传动方案采用两级传动，第一级传动为带传动，第二级传动为单级圆柱齿轮减速器 选用V 带传动是V 带传动承载能力较低，在传递相同转矩时，结构尺寸较其他形式大，但有过载保护的优点，还可以缓和和冲击振动。 齿轮传动的传动效率高，使用的功率和速度范围广、使用寿命较长。 由于本运输送机是在室内，考虑工作的背景和安全问题，固在齿轮区采用封闭式，可达到更好的效果。 故其方案示意图如下图所示：
大型水、火电厂接入系统设计内容深度规定
大型水、火电厂接入系统 设计内容深度规定 SDGJ84—88 (试行) 主编部门：水利电力部西北电力设计院 批准部门：水利电力部电力规划设计管理局 试行日期：1988年6月16日 能源部电力规划设计管理局 关于颁发《大型水、火电厂接入系统设计内 容深度规定》SDGJ84—88(试行)的通知 (88)水电电规规字第21号 为了进一步做好大型水、火电厂接入系统设计工作，我局安排西北电力设计院起草了《大型水、火电厂接入系统设计内容深度规定(征求意见稿)》，经广泛征求意见后，形成送审稿。在此基础上，我局组织计划、生产调度、基建、水电规划设计和电力设计等单位进行了审查，对送审稿做了必要的修改和补充。现将审定的《大型水、火电厂接入系统设计内容深度规定》SDGJ84—88(试行)颁发试行，在执行中如发现问题，请告我局规划处。 1986年6月16日 第一章总则 第1.0.1条大型水、火电厂的系统工作，包括初步可行性研究、可行性研究和接入系统设计。初步可行性研究和可行性研究系统部分按有关前期工作内容深度规定进行；接入系统设计按本规定内容深度进行。本规定适用于220kV及以上电压级的大型水火电厂接入系统设计。 第1.0.2条大型水、火电厂的接入系统设计，一般应在工程主管部门上报该项工程设计任务书后开始进行，在该工程初步设计完成前完成。必要时也可按工程主管部门委托的进度要求进行。 第1.0.3条大型水、火电厂接入系统设计，是在该工程已完成可行性研究的条件下更深入地研究该电厂与电力系统的关系，确定和提出电厂送电范围、出线电压、出线回路数、电气主接线及有关电器设备参数的要求，以满足该电厂初步设计对系统部分的需要，并为编报该电厂送出工程的设计任务书提供依据。第1.0.4条电厂接入系统设计应以经过审议的中长期电力规划或审定的电力系统设计为基础。必须贯彻国家的有关方针政策，执行有关设计规程和规定。第1.0.5条电厂接入系统设计应从实际出发。根据电厂设计规模或水、火电厂不同的特点，有针对性地做工作。譬如：对于区域性大厂，应重点研究该电厂与大系统的有关问题；对于地区性电厂，宜重点研究该电厂与地区系统的有关问题；对于水电厂，则应重视研究扩大电网发挥调峰或补偿调节效益等问题。第1.0.6条电厂接入系统设计。应注意远近结合、由近及远地进行多方案技术经济比较。其推荐方案要技术上先进、合理利用能源、简化系统接线、过渡方便、运行灵活、切实可行和经济可靠地向系统供电，对电力系统中的不确定因素和变化因素应作敏感性分析。 第二章设计依据和一般设计原则
压电发电装置的设计
压电发电装置的设计作者姓名：XXXX 专业名称：通信工程 指导教师：XXXXX
摘要 人们自1880年发现天然石英具有压电效应以来,相继又发现并人工制造了一系列的压电材料。如某些木材、钛酸钡、铌酸锂、人造石英、高分子聚合物等。尤其近半个世纪里,压电材料的发展极为迅速,应用日益广泛。从日常生活用的压电式电子打火和厨房里的天然气炉灶压电式点火器到无线电用的压电式扬声器、耳机、乃至飞机、宇宙飞船、导弹中的振动测量传感器,都用到压电材料。但这些压电材料的机械性能比较脆,若机械加工质量不高,在装配或应用中很易破碎。而近二、三十年来在人们发现并制造出来的新型压电材料中,最引人注目的就要算高分子压电材料,如聚二氟乙烯、聚氟乙烯、锆钛酸铅、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯、尼龙等,这些材料不像石英及压电陶瓷材料那么脆,在装配和应用中不易破碎。尤其是聚偏二氟乙烯这一类的压电材料,非常柔软,又可做得很薄,而且它具有大的动态范围,高绝缘性、高机械强度和耐冲击、抗辐射、低噪声阻抗、压电系数大等特性。因此,近年来受到人们的特别关注,应用越来越广泛。压电效应分为正压电效应和逆压电效应，本文所要研究的就是利用正压电效应制成的利用聚偏氟乙烯（PVDF）作为压电薄膜的压电发电装置，这种压电发电装置相对于其他微型发电装置，具有结构简单、不发热、无电磁干扰和易于实现微小化等优点，越来越受到各国研究人员的关注。本文通过对压电发电装置电学等效模型的建立与分析，利用Multisim软件对压电发电的特性（包括压电电流输出特性和电荷输出特性）、能量传输效率、提高电能的产生方法进行分析。并对功率调理电路、能量存储媒介、稳压充电电路进行了相关理论和仿真研究。具体工作如下： 首先，建立并分析压电发电的电学等效模型。 其次，借助电路仿真软件进行电路分析。研究压电振子电能不同存储媒介的可行性，利用超级电容容量大，充放电效率高的特点作为电荷的初级存储。当积累到一定量的电荷即通 I
1103510.5变电站接入系统设计
目录 摘要 (1) 1.电气主接线的设计原则和要求 (2) 1.1主接线的设计原则 (2) 1.1.1设计依据 (2) 1.1.2设计准则 (2) 1.1.3考虑负荷的重要性分级和出线回路多少对主接线的影响 (3) 1.1.4考虑主变台数对主接线的影响 (3) 1.1.5考虑备用量的有无和大小对主接线的影响 (3) 1.2主接线设计的基本要求 (3) 1.2.1可靠性 (3) 1.2.2灵活性 (4) 1.2.3经济性 (4) 2主接线的设计 (4) 2.1原始材料及分析 (5) 2.2 设计步骤 (5) 2.3初步方案设计 (6) 2.4最优方案确定 (7) 2.4.1技术比较 (7) 2.4.2经济比较 (9) 心得体会 (10) 参考文献 (12)
摘要 本次设计为110kV变电站电气主接线的初步设计，并绘制电气主接线图。该变电站设有两台主变压器，站内主接线分为110kV、35kV和10kV三个电压等级。110KV 电压等级采用双母线接线，35KV和10KV电压等级都采用单母线分段接线。 110kV、35kV和10kV三个电压等级的变电站接入系统，而电气主接线设计是一个综合性问题，必须结合电力系统和变电所的具体情况，全面分析有关因素，正确处理他们之间的关系，经过技术、经济比较、运行可靠，合理的选择主接线方案。 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分。主接线的确定，对电力系统的安全、稳定、灵活、经济运行及变电站电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和控制方法的拟定将会产生直接的影响。
脚踏式发电装置机械结构设计
目录 1 绪论 (2) 2 脚踏式发电装置的设计要求 (2) 3 脚踏式发电装置系统结构 (3) 3.1 总体外观的设计 (3) 3.2各主要部分设计 (4) 3.2.1 脚踏式发电装置车座的设计 (4) 3.2.2 脚踏式发电装置车把的设计 (5) 3.2.3 脚踏式发电装置大梁的设计 (5) 3.2.4 脚踏式发电装置支架的设计 (7) 3.2.5 脚踏式发电装置脚踏板的设计 (8) 3.2.6 脚踏式发电装置传送轮以及V带的设计及其计算 (9) 3.3 发电机型号的选择 (15) 3.4 蓄电池型号的选择 (15) 4 脚踏式发电装置控制系统结构方案设计 (16) 4.1 脚踏式发电装置设计要求的方案分析 (16) 4.2 系统配置说明 (16) 4.2.1 健身发电系统 (16) 4.2.2 蓄电及逆变系统 (17) 4.3 应用说明 (17) 5 结束语 (17) 致谢 (18) 参考文献 (19) 附录1整体装配俯视图 (20) 附录2整体装配的正视图 (20) 附录3发电机与外壳的配合视图 (21)
1绪论 随着社会的发展，能源问题逐渐成为人们关注的问题，要实现可持续性发展必须节省、或找到替代性能源。随着人们生活水平的提高，人们越来越注重健身。各种健身器具开始进入家庭，逐渐成为热销商品。但美中不足的是，现有的健身器具大都忽略了对人体能的利用，致使大量人体能被白白消耗掉（尤其在运动员训练基地），这是一种容易被人视而不见的巨大而无形的浪费！正因如此，有必要设法将其收集利用起来，以物尽其用，造福社会。 脚踏式发电装置把发电机和健身器材结合起来，成为有益健康的健身器，集健身、发电、储电、应急及平时用电、环保于一体的多益器具，是在健身器中装入一般的发电装置，使健身时的运动力和发电时的阻力融为一起，达到既健身又能发电，有与其它健身器不可比拟的效果，真正地实现把每个人的力转化为光和热。当健身力作用在发电装置上所发出的电经储备，后逆变成标准电源，基本能满足家庭看电视、电风扇、照明的使用，不论是在城市、乡村或是野外都可使用，可起到良好的节能效果。 目前国内对于此类节能健身器材还没有相当成熟的技术，投入研究的单位和个人也比较少；市场上仅有些为数不多的同类产品，还处在仿制生产阶段，产品研发和技术创新能力不足，无论是在电瓶均匀充电还是逆变电路方面都不是很理想。 从国内外同类健身器材现状的研究分析，它具有较大的前景和发展空间，为此，本课题将在参考国内外同类装置技术的基础上，加以更新改进设计，新设计的装置将会解决健身器材均匀充电和能量逆变的问题，缓解当今社会能源紧缺的现状，相信它会很快得到推广和利用。 本设计采用人体仿生学对整体进行系统分析设计，通过对若干方案的比较，最终评选出比较合适的方案。针对整体外观的设计、V型带的选择计算和设计、传动比的选定、及各个零件的具体设计、最终确定设计方案。 2 脚踏式发电装置的设计要求 装置的具体设计要求为： （1）整体外观大小设计。 （2）各零件的设计。 （3）V带传送的设计。 （4）发电机的型号选择。 （5）蓄电池的型号选择。 基于以上的要求，所设计的系统必须有以下结构模块：脚踏式发电装置的车
新能源有限公司12兆瓦分布式光伏发电项目-接入系统设计(doc 33页)(完美优质版)
1.总的部分 (1) 1.1.项目简介 (1) 1.2.项目建设周期 (1) 1.3.设计内容 (1) 1.4.设计依据 (1) 2.项目建设规模和电力系统概况 (1) 1.1.项目建设规模 (1) 1.2.项目所在电力系统概况 (1) 3.接入系统方案 (2) 3.1.接入系统原则 (2) 3.2.接入系统方案 (3) 4.电气计算及设备选择原则 (4) 4.1.潮流计算 (4) 4.2.最大工作电流 (4) 4.3.短路电流计算 (5) 4.4.无功补偿容量 (6) 4.5.主要设备选择原则 (8) 5.系统对光伏电站的技术要求 (10) 5.1.电能质量要求 (10) 5.2.电压异常时的相应特性 (13) 5.3.频率异常时的相应特性 (13) 6.一次设备清单 (15) 7.系统继电保护及安全自动装置 (16) 7.1.配置及选型 (16)
8.调度自动化 (20) 8.1.调度关系及调度管理 (20) 8.2.配置及要求 (20) 9.系统通信 (25) 9.1.通信方案 (25) 9.2.通信通道组织 (25) 9.3.通信设备供电 (25) 9.4. 主要设备材料清单 (26) 附件1：周口火蓝科华新能源有限公司12兆瓦分布式光伏发电项目备案确认书 (27) 附件2：国网周口供电公司发展策划部关于周口火蓝科华新能源有限公司12兆瓦分布式光伏发电项目并网意见函 (28) 附图01：光伏电站区域10kV线路现状图 (29) 附图02：光伏发电子系统主接线图 (29)
1.总的部分 1.1.项目简介 周口火蓝科华新能源有限公司12兆瓦分布式光伏发电项目场址位于周口市川汇产业集聚区河南省长城门业有限公司厂房屋顶及厂区附属场所，场址中心位于东经114.67°、北纬33.66°，海拔高度50m左右。 项目占用河南省长城门业有限公司厂房屋顶及厂区附属场所，设计年发电量约1300万千瓦时，全额上网方式并入国家电网。主要建设内容：利用厂房屋顶及厂区附属场所建设12MWp分布式光伏发电设备及其他。工艺流程：太阳能光伏发电技术。主要设备：光伏组件、逆变器、变压器、汇流箱、配电柜及其他。 1.2.项目建设周期 2016年12月至2017年12月。 1.3.设计内容 根据国家标准及国家电网企业标准及河南省电力公司有关规定，进行周口火蓝科华新能源有限公司12兆瓦分布式光伏发电项目接入系统方案的编制。 1.4.设计依据 国网周口供电公司发展策划部《关于周口火蓝科华新能源有限公司12兆瓦分布式光伏发电项目并网意见函》 周口火蓝科华新能源有限公司12兆瓦分布式光伏发电项目备案
光伏并网发电模拟装置设计
. . 光伏并网发电模拟装置设计 【摘要】：本系统采用单级DC-AC+工频变压器的拓扑结构，主电路为 IR2111驱动的半桥式逆变电路。控制电路以ATmega16单片机为核心，由软件生 成SPWM波控制DC-AC逆变，跟踪最大功率点。系统通过反馈信号监测频率、相位，经由A/D采样欠压、过流信号，控制频率、相位的跟踪和欠压、过流保护。经测试，本系统的变换效率可达74.1%。输出正弦波形失真度小（THD=1.5%），实现了同频同相的跟踪控制和欠压保护。能够改变逆变电路的输入阻抗，调节工作点，但MPPT的效果未如理想。 【关键词】：DC-AC；SPWM；MPPT；变换效率；频率相位跟踪 The design of photovoltaic grid-connected power simulator Abstract:The topology of single-stage DC-AC+ power frequency transformer is used in this system, the main circuit is half-bridge inverter circuit driven by integrated circuit IR 2111. Microcontroller ATmega16 is the core of the control circuit, and the DC-AC inverter is controlled by the SPWM wave which is generated by software to track the maximum power point. Through the frequency and phase being monitored by the feedback signal, and A/D sampling being employed by the under-voltage and over-current signal, frequency and phase tracking and under-voltage and over-current protection are controlled by the system. By testing, the conversion efficiency of this system can reach 74.1%, and the distortion of output sine-wave is small (THD=1.5%), the same frequency and phase control can be achieved, as well as the function of under-voltage protection. The input impedance of inverter circuit can be changed to regulate the operating point, but the effect of MPPT is unsatisfactory. Key words: DC-AC; SPWM; MPPT；conversion efficiency; frequency and phase tracking.
机械设计输送传动装置设计书
机械设计输送传动装置设计书 一．总体布置简图 如图1 二．总传动比误差为±5%，单向 回转， 轻微冲击。 三．原始数据： 四．设计内容： 1. 电动机的选择与运动参数计算； 2. 齿轮传动设计计算； 3. V 带传动设计计算； 4. 轴的结构尺寸设计； 5. 键的选择； 6. 滚动轴承的选择； 7. 装配图、零件图的绘制； 8. 设计说明书的编写。 【电动机的选择】 1．电动机类型和结构的选择 ：按照已知条件的工作要求和条件，选用Y 型全封闭笼型三相异步电 输出轴功率P/KW 3 输出轴转速n/(r/min) 35 传动工作年限（年） 6 工作制度（班/日） 2 工作场所 车间 批量 小批
动机。 2．电动机容量的选择： 工作机所需功率：Pw＝3kW 电动机的输出功率：Pd＝Pw/η，η≈0.82，Pd＝3.66kW 电动机转速的选择：nw=35r/min，V带传动比i1=2—4，单级齿轮传动比i2=3—5（查表2.3） nd＝（i1×i2×i2）nw。电动机转速范围为630—3500r/min 3．电动机型号确定：由附录八查出符合条件的电动机型号,并根据轮廓尺寸、重量、成本、传动比等 因素的考虑，最后确定选定Y112M—4型号的电动机，额度功率为4KW，满载转速1440r/min 【计算总传动比和分配传动比】 1．由选定电动机的满载转速nm和输出轴转速nw，总传动比为i=nm/nw，得i=41.14 2．合理分配各级传动比：V带传动比i1=3，闭合齿轮传动比i2=3.5，开式齿轮传动比i3=3.92 3．运动和动力参数计算结果列于下表：
【传动件设计计算】 减速器齿轮设计： 1．按表11.8选择齿轮材料 小齿轮材料为45钢调质，硬度为220—250HBS 大齿轮材料为45钢正火，硬度为170—210HBS 2．因为是普通减速器，由表11.20选用9级精度，要求齿面粗糙度Ra=6.3 3．按齿面接触疲劳强度设计 确定有关参数与系数： 转矩：T=69154 N·mm 查表11.10得：载荷系数K＝1.1 选小齿轮齿数Z1＝30，则大齿轮齿数Z2＝iZ1=3.5×30=105。实际齿数比u=3.5 因单级直齿圆柱齿轮为对称布置，又为软齿面，由表11.19选取φd（齿宽系数）=1 4．许应接触应力[σH]： 由图11.23查得σHlim1＝560MPa σHlim2＝530MPa 由表11.19查得 Sh=1。 N1＝60·n1·j·Lh＝60×480×1×（6×52×80）＝7.2×10e8 N2＝N1/i＝7.2×10e8/3.5=2.05×10e8 由表11.26查得 Zn1＝1 Zn2＝1.05 计算接触疲劳许用应力： [σH]1＝Zn1·σHlim1/Sh＝560MPa
电厂接入系统规定
大型电厂接入系统设计 内容深度规定 Requirements of design contents for power plants connection to power system （讨论稿） 国家电网公司 中国电力工程顾问集团公司 2005.北京
目录 总则 发电厂接入系统一次部分设计内容深度规定 1 任务依据和主要原则 2 电力系统现状及电厂概述 3 电力发展规划 4 电厂建设的必要性及其在系统中的地位和作用 5 接入系统方案 6 对电厂电气主接线及有关电气设备参数的要求 7 结论和建议 发电厂接入系统二次部分设计内容深度规定1任务依据 2 系统继电保护 3系统安全自动装置 4 系统调度自动化 5 电量计费系统 6系统通信
总则 1.1 为适应电力体制变化、特别是政企分开和厂网分开改革，电厂接入系统工作的外部条件、工作基础、工作内容和工作程序的变化；为配合电源项目前期工作，促进电网与电厂协调发展，保证电网的安全稳定运行和电厂的可靠送出，特对原《大型水、火电厂接入系统设计内容深度规定》进行修订。 1.2 本规定适用于国家电网公司辖区内的大型水电、火电、核电、抽水蓄能及其他能源电厂。其他中、小电厂必要时亦可参照执行，但可适当简化。 1.3 大型电厂接入系统设计前期工作包括电厂输电系统规划设计、电厂接入系统设计和电厂接入电网三部分内容。大型电厂接入系统设计报告是该前期工作的一个阶段性文件，是国家发改委审批电厂项目可研报告的重要文件之一，必须在电厂可研报告之前完成并审定（最晚与可研报告同步审定） 1.4 大型电厂接入系统设计的主要内容包括；研究电厂建设的必要性，确定电厂在电力系统中的地位和作用，研究接入系统方案（包括电压等级、出现回路数及送电方向），提出对电厂电气主接线及有关电气设备参数的要求。提出系统保护、安全自动装置、调度自动化、电量计费、电厂报价系统、通信系统的接入系统方案。 1.5 开展大型电厂接入系统设计工作的依据和基础是电网规划设计和电厂输电系统规划设计及相应的评审意见。 1.6 大型电厂接入系统设计应适应“厂网分开、竞价上网”的要求，遵循以市场为导向、以安全稳定为基础、以经济效益为中心的原则，做到科学论证，经济合理。接入系统方案要与电网总体规划相协调、与输电系统规划设计评审意见相一致，成为电网总体规划的有机组成部分。 1.7 大型电厂接入系统设计经评审后有效，作为电厂核准的重要文件之一，大型电厂接入系统设计经评审后两年尚未核准的项目，应进行全面的复查和调整，重新提出接入系统设计补充报告。
发电机房设计规范
发电机房设计规范 、对柴油发电机房布置的规定：柴油发电机房可布置首层或地下一层, 符合下列 并应规定: 1、柴油发电机房应采用耐火极限不低于 2.00h的隔墙和1.50h的楼板与其他部位 隔开。 2、应单独设置储油间，储油量不超过8小时需要量，采取防泄、防漏油措施, 油箱应有通 气管（室外）；储油间应采用防火墙与发电机间隔开；当必须在防火墙上开门时，应设置 能自行关闭的甲级防火门。 3、采用独立防火分隔，单独划分防火分区。 、消防设施配置的规定: 1、机房外设有消防栓、消防带、消防水枪。 2、机房内设有油类灭火器干粉灭火器和气体灭火器。 3、设有醒目严禁烟火安全图标、和禁止烟火文字。 4、机房内设有干燥消防沙池。 5、与油库要有隔离措施。 6、发电机组距建筑物和其它设备至少一米，并保持良好的通风。 7、有应急照明，应急指示，地下室还要有独立抽风。火灾报警装置。
《柴油发电机组机房设计方案》： 安装方案的第一步应是选定机组的安装地点，通常情况下，安装地点的选定多数是以使用的方便性和配电连接的经济性及有利于机组的使用和保养等为依据的。 但是，安装位置的选定，还应兼顾以几个方面 ◎确保机房进、排风顺畅，必须将散热器排出的热空气导流出机房并阻止其回流; ◎确保机组运行时所产生的噪声和烟雾尽可能的少污染周围环境; ◎柴油发电机组的周围应有足够的空间，以便于机组的冷却、操作和维护保养。 一般说来，周围1?1.5米，上部1.5?2米以内不允许有任何其它物体; ◎确保机组免受雨淋、日晒、风吹及过热、冻损等损坏; ◎机组的周围杜绝存放易燃易爆物体。 设置原则 在高层建筑供电设计中，首先必须明显什么情况下应设置柴油发电机组，我们先从高层建筑的负荷等级谈起: 高层建筑中的消防水泵、防排烟设施、消防电梯、应急照明等消防用电，按照《高
机械传动系统设计实例
机械传动系统设计实例 设计题目：V带——单级斜齿圆柱齿轮传动设计。 某带式输送机的驱动卷筒采用如图14-5所示的传动方案。已知输送物料为原煤，输送机室内工作，单向输送、运转平稳。两班制工作，每年工作300天，使用期限8年，大修期3年。环境有灰尘，电源为三相交流，电压380V。驱动卷筒直径350mm，卷筒效率0.96。输送带拉力5kN，速度2.5m/s，速度允差±5%。传动尺寸无严格限制，中小批量生产。 该带式输送机传动系统的设计计算如下：
例9-1试设计某带式输送机传动系统的V 带传动，已知三相异步电动机的额定功率P ed =15 KW, 转速n Ⅰ=970 r/min ，传动比i =2.1，两班制工作。 [解] （1） 选择普通V 带型号 由表9-5查得K A =1.2 ，由式 (9-10) 得P c =K A P ed =1.2×15=18 KW ，由图9-7 选用B 型V 带。 （2）确定带轮基准直径d 1和d 2 由表9-2取d 1=200mm, 由式 (9-6)得 ()6.41102.012001.2)1(/)1(12112=-??=-=-=εεid n d n d mm ， 由表9-2取d 2=425mm 。 （3）验算带速 由式 (9-12)得 11π970200π 10.16100060100060 n d v ??= ==?? m/s ， 介于5～25 m/s 范围内，合适。 （4）确定带长和中心距a 由式(9-13)得
)(2)(7.021021d d a d d +≤≤+， )425200(2)425200(7.00+≤≤+a ， 所以有12505.4370≤≤a 。初定中心距a 0=800 mm ， 由式(9-14)得带长 2 122 1004)()(2 2a d d d d a L -+++=π， 2 (425200)2800(200425)2597.62 4800 π -=?+ ++ =?mm 。 由表9-2选用L d =2500 mm ，由式(9-15)得实际中心距 2.7512/)6.25972500(8002/)(00=-+=-+=L L a a d mm 。 （5）验算小带轮上的包角1α 由式(9-16)得 012013.57180?--=a d d α 000042520018057.3162.84120,751.2 -=-?=> 合适。 （6）确定带的根数z 由式(9-17)得 00l α ()c P z P P K K = +?， 由表9-4查得P 0 = 3.77kW,由表9-6查得ΔP 0 =0.3kW;由表9-7查得K a =0.96; 由表9-2查得K L =1.03， 47.403 .196.0)3.077.3(18 =??+= z ， 取5根。 （7）计算轴上的压力F 0 由表9-1查得q =0.17kg/m,故由式(9-18)得初拉力F 0 2c 0α 500 2.5 (1)P F qv zv K = -+
压电陶瓷发电鞋
压电发电鞋 魏涛材料科学与工程学院材工08—4 摘要：随着社会的发展，环境问题越来越突出，且传统化石燃料日渐枯竭，为了减少环境污染，寻找可替代的清洁能源，科学家们提出了各种能量转换方案。比如太阳能发电，潮汐发电，风能及核能利用。然而没人提出将自身能量加以利用。人在运动时产生大量能量释放到周围环境中。比如人走路或跑步时产生振动能，发热有热能。衣服褶皱时有压力能。如果将这些能量加以利用，虽然不能用来带动大型电子设备，带动微型电子设备却绰绰有余。尤其是手机，手机功能越来越强大，电池的电量也在增加，但免不了在路上时手机没电又没有地方可充电。从而耽误些重要信息。基于以上考虑，提出了走路发电的构想。研究了压电陶瓷片的能量转换效率，设计了鞋子发电模型，分析了走路发电的可行性。 关键词：走路发电；发电鞋；振动；压电陶瓷片；整流电路；电容器；手机电池； 0引言： 社会的发展引起一系列的环境问题，传统的化石燃料对环境污染严重，且日益枯竭，寻找新能源成为当务之急。环境周围的能量比如振动能，噪声却很少关注，尤其是人体运动产生的振动。人类在不停的向自然索取能量，却很少向自己索取能量。走路发电就是通过在鞋底夹层中放入一块压电陶瓷片，走路时脚跟对鞋底的压电片产生压力，通过正压电效应将压力能转化为电能，将电能储存在微型电池中。由压电陶瓷片产生的电能很微弱，且为交替变化的电流，因此，要将交流电变为直流电先储存在电容器中，当电压达到一定的阀值时，再储存到电池中。通过对压电发电鞋的研究可以解决微型电子设备缺电的情况。对利用环境中的能量具有重要意义。 1 基本原理 1.1 压电效应 1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在研究石英晶体的物理性质时发现：当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生形变后，晶片上相对的两个表面会出现等量的正、负电荷，电荷面密度与施加的力的大小有关，该现象称为压电现象。具有压电现象的介质为压电体。 在离子性的晶体中，正负离子有规则地交错配置，构成结晶点阵，就形成固有电矩，在晶体表面出现极化电荷，由于晶体暴露在空气中，经过一段时间，这些电荷便被降落到晶面上的空气中的异号离子所中和，因此，极化面电荷和电矩
风光互补发电系统设计
5.3.1风光互补发电系统设计 风能和太阳能都具有能量密度低、稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响．然而太阳能与风能在时间上和地域上一般都有一定的互补性，白天太阳光最强时，风较小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强．在夏季，太阳光强度大而风小；冬季，太阳光强度小而风大。太阳能发电稳定可靠，但目前成本较高，而风力发电成本较低，随机性大，供电可靠性差。若将两者结合起来，可实现昼夜发电．在合适的气象资源条件下，风光互补发电系统能提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性，在很多地区得到了广泛的应用．如图5.1为某地10 月份某日典型的太阳能和风资源分布，因此采用风光互补发电系统，可以弥补风能和太阳能间歇性的缺陷。 图5.1 某地10 月份典型日太阳能和风能资源分布图风光互补发电的优势： （1）利用风能和太阳能的互补性，弥补了独立风电和独立光伏发电系统的不足，可以获得比较稳定的和可靠性高的电源。 （2）充分利用土地资源。 （3）保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。 （4）对系统进行合理的设计和匹配，可以基本上基本上由风光互补发电系统供电，获得较好的经济效益。 5）大大提高经济效益。
风光互补发电系统主要组成部分（1）发电部分：由一台或者几台风力发电机和太阳能电池阵列构成风—电、光—电发电部分，发电部分输出的电能通过充电控制器与直流中心完成蓄电池组自动充电工作。 （2）蓄电部分：蓄电部分主要作用是将风电或光电储存起来，稳定的向电器供电。蓄电池组在风光互补发电系统中起到能量调节和平衡负载两大作用。 （3）控制及直流中心部分：控制及直流中心部分由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成，完成系统各部分的连接、组合及对蓄电池组充放电的自动控制。控制及直流中心具体构成参数由最大用电负荷与日平均用电量决定。 （4）供电部分：供电部分不可缺少的部分是逆变器，逆变器把蓄电池储存的直流电转换为交流电，保证交流负载的正常使用。同时，还有稳压功能，以改善风光互补系统的供电质量。 图5.2 风光互补发电系统 设计一个完善的风光互补发电系统需要考虑多种因素．如各个地区的气候条件，当地的太阳辐照量情况，太阳能方阵及风力发电机功率的选用，作为储能装置蓄电池的特性等．因此，必须选择建立一些先进的数学模型进行多种计算，确定合理的太阳能电池方阵和风力发电机容量，使系统设计最优化． 数学模型计算 1.蓄电池容量计算 蓄电池的容量C 通常按照保证连续供电的天数来计算：
皮带传动系统机械设计
目录 一设计任务 (2) 二电动机选择 (3) 三各级传动比分配 (5) 四V带设计 (7) 五齿轮设计 (10) 六传动轴设计 (14) 6.1输出轴的计算 (14) 6.2输入轴的计算 (18) 七轴承的校核 (22) 八键连接收割机 (22) 九联轴器设计 (23) 十箱体结构的设计 (23) 十一设计小结 (25) 参考文献 (26)
一设计任务 设计带式输送机的传动系统。要求传动系统含有单级圆柱齿轮减速器以及V 带传动。 1 、传动系统方案 带式输送机有电动机驱动，电动机1通过V带传动2将动力传入单机圆柱 齿轮减速器3，再通过联轴器4，将动力传至输送机滚筒5，带式输送带6工作。 2 、原始数据 设输送带最大有效拉力F=2800N，输送带工作速度v=10.5m/s,输送机滚筒 直径为D=450mm。 3 、工作条件 带式输送机在常温下连续工作、单向运转；空载起动，工作载荷较平稳； 两班制（每班工作8h）要求减速器设计寿命为8年，大修期为2~3年，中批量 生产；输送带工作速度v的允许误差为±5%，三相交流电源的电压为380/220V。
二 电动机选择 1、电动机类型和结构的选择： 选择Y 系列三相异步电动机，此系列电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，其结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，适用于不易燃，不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的机械。 2、电动机容量的选择： 根据已知条件，工作机所需要的有效功率为 KW Fv P w 76.41000 7 .128001000=?== 由电动机至运输带的传动总效率为： η=η23ηa ３3η３3η４3η5 式中：ηa 、η2、η3、η4、η5分别为带传动、轴承、齿轮传动、联轴器和卷 筒的传动效率。 取η a =0.98、η２=0.95、η３=0.98、η４=0.99、η5=0.96 则： η=0.83279 工作时，电动机所需功率为 kW P P w d 716.583279 .076 .4== = η 由《课程设计》表12-1可知，满足P e ≥P d 条件的Y 系列三相异步电动机额定功率P e 应取为7.5KW 。 3、电动机转速的选择： 根据已知条件，可知输送机滚筒的工作转速 nw=60000v/πD=（6000031.7）/（3.143450）=72.1868r/min 初选同步转速为1500 r/min 和1000 r/min 的电动机，对应与额定功率P e 为7.5KW ，电动机型号分别为Y132M-4型和Y160M-6型。 表1