應用於低轉速環境之微型壓電能量擷取器

Abstract

近年來隨著人們對於環境永續的意識日漸提升，風力發電逐漸成為永續能源的選項之一，但風力發電機在長期運作時，葉片常會受到帶有沙石的強風衝擊，進而降低葉片的使用壽命，定期進行葉片表面損傷偵測為目前主要的監測方式，然而若要做到即時的偵測，必須從發電機牽電力線至旋轉的葉片上，但此牽線方式較難以實現，故本論文將研發一個壓電能量擷取器，預計裝設於風機葉片上，透過擷取風機的轉動能轉換為電能，提供表面損傷偵測系統使用。 本論文所研發之旋轉式能量擷取器，透過壓電元件形狀的最佳化設計，使結構具有更好的彈性，並避免結構中應力集中之問題，在0.5g垂直震盪測試下，三角形結構設計能有效的提升34.7%的輸出功率，並且對於更大外力的刺激下，也具有更穩定的輸出表現，為了使元件能夠運作在風力發電機低轉速(5 rpm – 30 rpm)的環境下，本研究引入了非接觸式的磁斥力升頻率技術，使元件可以運作在其非共振頻率範圍(0.08 Hz – 0.5 Hz)的外力刺激環境中，在經過不同磁力形式的最佳化後，除了於PSIM及Simulink上建立其等效電路模型之外，其一體化之封裝設計也將於此論文中呈現，此封裝設計大小約為直徑52 mm厚度14 mm。 為了驗證此封裝設計能夠在實際風機轉動的情況下，提供足夠的能量驅動表面損傷偵測系統運作，此封裝將放置在實驗室小尺寸的旋轉葉片上進行輸出表現的量測，並採用實際風機葉片於一日內的轉速做為測試條件，最終之結果顯示一天的輸出能量約為1.05 J，此能量已大於表面損傷系統一天的能量所需量約為0.2J，此量測結果顯示所研發之旋轉能量擷取元件，足以實現此表面損傷系統自供電之能量需求。