臺灣博碩士論文加值系統

近年來再生能源議題受到人們的密切討論，越來越多人研究如何將環境中的能量轉換成有效利用之能源。本研究利用壓電材料的特性，擷取環境中的風能，將它轉換成電能。研究所使用的壓電片為雙晶片，它是一個三層板的結構，利用能量法與漢彌頓定理來推導壓電片的運動方程式，之後代入邊界條件推導其自然頻率，最後利用推導結果計算壓電片的自然頻率，並且使用有限單元軟體的模態分析得到壓電片的振動模態及相應的頻率。本研究所設計的發電機構是在壓電片自由端裝上一薄板，然後把壓電片固定在一驅體上，使用電風扇產生風力，將風速分別為3m/s、4m/s、5m/s的風力施加在發電機構上，再利用數位電表量測發電電壓及電流，得到的最大電壓為1.14V，最大電流為9.42#westeur024#10^-6 A。

Recently, renewable energy is discussed intensely. More and more literature investigates how to transform ambient energy into useful energy. This study uses the characteristics of piezoelectric materials to acquire wind energy, and then transform into electrical energy. The piezoelectric bender used in our study is bimorph, which is a three-layer beam structure. This study uses the energy method and Hamilton's principle to derive the equation of motion. Boundary conditions are utilized to calculate the natural frequency of piezoelectric benders. The finite element method is carried out to obtain the vibration modes of a piezoelectric bender and its corresponding frequency. This study designs a generator that fixes a thin plate on the free end of a piezoelectric bender and fixes a bender on a metal strut. An electric fan was used to exert wind speeds at 3m/s, 4m/s, and 5m/s, respectively, on the generator. A digital multimeter was thus employed to measure the voltage and current. The maximum voltage is measured at 1.14V. The maximum current is measured at 9.42#westeur024#10^-6 A.

摘要 I
ABSTRACT II
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 2
第二章 壓電理論 5
2.1 壓電材料特性 5
2.2 壓電材料本構方程式 7
2.3 壓電耦合模式 9
2.4 風壓計算公式 11
第三章 壓電雙晶懸臂樑 15
3.1 壓電雙晶懸臂樑結構 15
3.2 壓電雙晶懸臂樑應力應變推導 17
3.3 壓電片的運動方程式 21
第四章 壓電模擬 26
4.1 自然頻率計算 26
4.1.1 理論值 26
4.1.2 有限單元法模擬 27
4.2 壓電樑有限單元分析 30
第五章 實驗 40
5.1 壓電片振動位移實驗 40
5.1.1 實驗儀器 40
5.1.2 實驗架設 44
5.1.1 實驗結果 46
5.2 擷取風能壓電發電機量測 50
5.2.1 實驗儀器 55
5.2.2 實驗結果 56
第六章 結論 76
參考文獻 77

Chen, C.Q., Wang, X.M.,and Shen, Y.P., "Finite element approach of vibration control using self-sensing piezoelectric actuators."Computers&; Structures, Vol.60, Iss.3, pp.505-512, 1996.

Du, Z.G., and He, X.F., "Micro Piezoelectric Wind Energy Harvester with a Resonant Cavity." Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2012.

Gieras, J.F. "Advancements in electric machines" Springer Science &; Business Media, 2008.

He, X.F., and Gao, J. "Wind energy harvesting based on flow-induced-vibration and impact."Microelectronic Engineering, Vol.111, pp.82-86, 2013.

Hobbs, W.B., andHu, D.L. "Tree-inspired piezoelectric energy harvesting." Journal of fluids and Structures, Vol.28, pp.103-114,2012.

http://zh.wikipedia.org/wiki/壓電效應

http://zh.wikipedia.org/wiki/空氣

http://zh.wikipedia.org/wiki/蒲福風級

http://typhoon.ws/learn/reference/beaufort_scale，臺灣颱風資訊中心

Kymissis, J., Kendall, C., Paradiso, J., Gershenfeld, N., "Parasitic power harvesting in shoes." the Second IEEE International Conference on Wearable Computing, 1998.

Lim, J.H., Jeong, S.S., Kim, N.R., Cheon, S.K., Kim, M.H., Park, T.G., "Design and fabrication of a cross-shaped piezoelectric generator for energy harvesting." Ceramics International, Vol.39, pp.S641-S645, 2013.

Liu, Y.T. and Wang, C.W., "A self-moving precision positioning stage utilizing impact force of spring-mounted piezoelectric actuator." Sensors and Actuators A: Physical, Vol.102, pp.83-92, 2002.
Roundy, S. and Wright, P.K., "A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics." Smart Materials and structures, Vol.13, No.5,pp.1131-1142, 2004.

Roundy, S., Leland, E.S., Baker, J., Carleton, E., Reilly, E., Lai, E., Otis, B., Rabaey, J.M. and Wright, P.K., "Improving power output for vibration-based energy scavengers." IEEE Pervasive Computing, Vol.4, No.1, pp.28-36, 2005.

Tan, Y. K., andPanda, S. K., "A novel piezoelectric based wind energy harvester for low-power autonomous wind speed sensor." Industrial Electronics Society,IECON 2007, 33rd Annual Conference of the IEEE, 2007.

Umeda, M., Nakamura, K. and Ueha, S., "Analysis of the transformation of mechanical impact energy to electric energy using piezoelectric vibrator." Japanese Journal of Applied Physics, Vol.35,Part 1,No.5B,pp.3267-3273, 1996.

Wang, Q.M., and Cross, L.E., "Performance analysis of piezoelectric cantilever bending actuators." Ferroelectrics , Vol.215, issue.1,pp.187-213, 1998.

Xu, C.N., Akiyama, M., Nonaka, K. and Watanabe, T., "Electrical power generation characteristics of PZT piezoelectric ceramics." IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol.45, No.4, pp.1065-1070, 1998.

林蕙君和舒貽忠，「壓電振能擷取簡介」，力學學會專題文章，2010。

廖偉翔，「壓電換能器於低頻發電應用之設計與分析」，國立成功大學機械工程研究所碩士論文，2007年7月。

張存娥，「基於壓電材料的風能轉換裝置理論研究與創新設計」，西安理工大學碩士論文，2009年。

杜志剛、賀學鋒，「帶諧振腔的微型壓電風能採集器」，傳感技術學報，第25卷，第6期，2012年6月。

吳哲豪，「可調頻壓電樑之模型推導與振能回收研究」，國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士論文，2009年7月。

黃文政，「可自我調頻吸振器之研究」，國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士論文，2011年7月。

楊東翔、黃世疇和李政甫，「壓電懸臂樑發電系統之設計與應用」，工程科技與教育學刊，第九卷第二期，2012年6月。

蕭葆羲，「風工程」，海洋大學河海工程學系出版，2005年。

張相庭，「結構風工程理論．規範．實踐」，中國建築工業出版社，2006年。

周卓明，「電腦輔助工程分析實務」，全華圖書，2011年。