臺灣博碩士論文加值系統

本文主要探討微型壓電式發電裝置之機制，原理乃是利用壓電材料的正壓電效應，將外界的振動機械能量經壓電材料轉換成電能型式輸出，以期望輸出之電能作有效的運用。
本研究重點有二，一為結構振動，利用理論推導方式得知發電元件的形變量、頻率、應力、電荷、電壓、功率之間交互關係，以及實驗的方式得知發電元件的共振頻率與共振電壓，並利用ANSYS軟體作模態分析。
另一為電路分析，壓電元件輸出的是交流電型式，需透過整流後方能供應電子元件電源，或者是儲能用；在此利用實驗的方法，量測共振功率、整流特性、電容鏈波效應，並以Pspice模擬不同輸入頻率與電容值對輸出影響。
文中分別探討了外界振源頻率在高、低頻率時，微型壓電式發電裝置之應用可能性，同時也考量了在同樣空間限制下，如何藉由構形設計來改善發電效果。

The main topic in this thesis is to discuss the mechanism for mini-scale piezoelectric power generator. This device is made by piezoelectric material using the principle of direct piezoelectric effect which can transfer the mechanical energy due to vibration into electric energy.
There are two issues in this research. First is the structural vibration of device. The relationships between strain, frequency, stress, charge, voltage, and power are derived by theories. The resonance frequency and voltage of resonance are obtained by experiment. A CAE software ANSYS is used here to analyze the modal shape.
Second is the analysis of circuit. The output of piezoelectric device is alternating current which must be rectified for further usage, such as power supply of electric device or energy storage. The power of resonance, characteristic of rectification, and chain wave effect of capacitance are obtained by experiment. Also the Pspice software is used to simulate the outputs under different input frequency and capacitance.
The possible application of mini-scale piezoelectric power generator is discussed in here for shaker of high frequency and low frequency. Also using different configuration design to improve the effect of power generated under same space is studied in this research.

致 謝 I
摘 要 II
ABSTRACT III
目 錄 IV
圖 目 錄 VI
表 目 錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機與目的 3
1.4 章節大綱 4
第二章 基礎理論 7
2.1 壓電材料 7
2.1.1 本構方程式(constitutive equation) 8
2.1.2 PZT(Lead Zirconate titanate)和PVDF 8
2.2 振動(VIBRATION)理論 10
2.2.1 懸臂樑自由振動與強迫振動 11
2.2.2 懸臂樑激振分析 12
2.2.3 單自由度簡諧振動系統之頻率響應函數 14
2.2.4 機械系統與電路系統之等效 16
2.2.5 靜態剛性與動態剛性 17
2.2.6 阻尼量測 17
2.3 電路理論 19
2.3.1 交流電路中電流與電阻、電感、電容的相位關係 19
2.3.2 阻抗Z(Impedance) 22
2.3.3 共振電路 24
2.4 位移與電壓之關係 25
第三章 發電元件設計與電腦輔助模擬分析 30
3.1 發電元件設計流程 30
3.2 發電裝置元件尺寸設計 31
3.3 電腦輔助模擬分析 34
3.3.1 ANSYS有限元素軟體 34
3.3.2 ANSYS模態分析流程 35
3.4 ANSYS模態分析結果 37
第四章 發電元件製作與實驗量測 40
4.1 實驗目的 40
4.2 實驗儀器 41
4.3 實驗方法與流程 45
4.3.1 自然頻率量測及阻尼比估測 45
4.3.2 共振電壓量測 48
4.3.3 阻尼比估測 50
第五章 電路設計及發電裝置構型 52
5.1 電路設計 52
5.2 二極體整流測試 53
5.3 電容充放電測試與PSPICE電路模擬 55
5.4 三種模型結構之功率量測 58
5.5 發電裝置於低頻與高頻之應用 67
5.6 小型壓電式發電裝置構型設計 76
第六章 結果討論與建議 95
6.1 結果討論 95
6.2 建議與未來展望 98
參 考 文 獻 101

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