压电获能振子的力学建模与参数敏感性分析

陈 明 徐业鹏 黄 丹

(河海大学力学与材料学院 南京 211100)

0 引 言

波浪能是一种储量丰富的可再生清洁能源[1]，但传统的机械式波能发电装置往往存在体积庞大、易腐蚀和依赖地形等问题[2-3]，限制了其推广应用.而压电式波能发电基于压电材料的机电转换特性，可以大幅简化装置结构，且具有耐腐蚀、强度高和成本低等优良特性，适合在海洋环境中工作，因而极具潜力[4-5].

压电振子是压电获能领域中应用最广的一种基本发电单元，一般由压电薄膜和基板复合而成，其结构简单、体积小，适用于各种复杂工况.近年来，针对各种类型压电振子发电的相关研究[6-7]越来越多，并取得系列成果.Wang等[8]设计了一种高灵敏度的多层垂直蝶形压电发电装置，可用于道路预警标识的供电；宁艺文等[9]设计了一种PVDF压电悬臂梁发电装置，可以有效收集一定风速范围内的风能发电；郭磊[10]设计了一种克服振源不稳定问题的多压电振子阵列式宽频振动能量采集器.然而，已有研究更多关注于新型压电获能装置的设计，而对获能机理与建模相关的研究相对较少.Vinayaga等[11]曾研究了压电振子的电能输出与参数的关系；Lee[12]提出一种压电层合板理论，推导了悬臂梁式压电层合板表面电荷与中性面上各点位移的关系，Wu等[13]基于该理论设计出一种兼具有较高获能效率和较低机械传动能量损失的小型浮标式压电获能装置.压电振子获能相关的机理性研究通常受限于各种……