تحلیل حساسیت توان خروجی ژنراتور ارتعاشی پیزوالکتریکی با ولتاژ ثابت به روش PAWN و VBSA

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دکتری، مهندسی مکانیک ساخت و تولید، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

2 دانشجوی دکتری مهندسی هوافضا، هسته آیرودینامیک و انتقال حرارت وسایل پرنده، گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

3 استادیار، هسته آیرودینامیک و انتقال حرارت وسایل پرنده، گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

چکیده

با توجه به لزوم تأمین توان موردنیاز گره‌های شبکه‌های حسگر بی‌سیم و مشکلات متعددی که برای تعویض منبع انرژی این گره‌ها وجود دارد، نیاز به گره‌هایی است که بتوانند انرژی خود را تأمین کنند. در بالگردها و هواپیماها، حسگرهای زیادی برای ثبت اطلاعات نقاط مختلف سامانه وجود دارد که با توجه به وجود منابع ارتعاشی در این وسایل، تأمین توان گره‌های شبکه حسگر از منابع ارتعاشی روش مناسبی برای جایگزینی باتری است. در این مقاله یک ژنراتور پیزوالکتریکی به گونه ای طراحی شد که توانایی توان مصرفی یک گره متشکل از حسگرهای بی سیم را داشته باشد. همچنین به منظور طراحی بهینه، تحلیل حساسیت توان خروجی آن تیر پیزوالکتریکی در ولتاژ ثابت ارائه ‌شده است. با توجه به لزوم تأمین توان گره مورد نیاز در ولتاژ ثابت و تأثیر عدم قطعیت‌ها بر توان خروجی، با استفاده از دو روش VBSA و PAWN، میزان حساسیت پارامترهای هندسی نظیر طول، عرض و ضخامت لایه های مختلف تیر پیزوالکتریک بر توان خروجی به عنوان تابع هدف سنجیده می‌شود و نتایج با یکدیگر مقایسه می‌شوند. مقایسه نتایج نشان می‌دهد ژنراتور طراحی‌شده توانایی تأمین توان موردنیاز گره در ولتاژ ثابت را دارد و طول پیزوالکتریک و تیر بیشترین تأثیر و ضخامت تیر کمترین تأثیر را بر توان خروجی داراست.

کلیدواژه‌ها


[1] Christopher DL, Townsend CP (2006) Energy    Harvesting Wireless Sensors for Helicopter Damage Tracking. AHS International Forum 62.
[2] Wireless sensor network. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_sensor_network.
[3] Shaikh F K, Zeadally S (2016) Energy harvesting in wireless sensor networks: A comprehensive review. Renew Sust Energ Rev 55(1): 1041-1054.
[4] Arms SW, Galbreath JH, Townsend CP, Churchill DL, Corneau B, Ketcham RP, Phan N (2009) Energy harvesting wireless sensors and networked timing synchronization for aircraft structural health monitoring. 1st International Conference on Wireless Communication, 16-20.
[5] Chang SC (2010) A 1-mW vibration energy harvesting system for moth flight-control applications. Electrical Engineering and Computer Science. Massachusetts Institute of Technology. Massachusetts.
[6] Dickerson S (2011) CH-47D rotating system fault sensing for condition based maintenance. Air Force Institute of Technology.
[7] Smith SD (2006) Seat vibration in military propeller aircraft: Characterization. Aviat Space Envir Md 77(1): 32-40.
[8] Le MQ, Capsal JF, Lallart M, Hebrard Y, Ham AVD, Reffe N, Geynet L, Cottinet PJ (2015) Review on energy harvesting for structural health monitoring in aeronautical applications. Prog Aerosp Sci 79(1): 147-157.
[9] Esmaeili A, Sousa JMM (2017) Power density ratio optimization of bimorph piezocomposite energy harvesters using a multidisciplinary design feasible method. Compos Struct 165(1):171-179.
[10] Keawboonchuay C, Engel TG (2003) Electrical power generation characteristics of piezoelectric generator under quasi-static and dynamic stress conditions. IEEE T Ultrason Ferr 50(10): 1377-1382.
[11] حسینی ر، لطافتی م، حسینی مقدم س (1396) برداشت انرژی ارتعاشی با استفاده از تیر یک سردرگیر با دولایه پیزوالکتریک. نشریه علمی مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 9-1 :(1)7.
[12] خادم باشی س، معین فرد ح (1395) مدلسازی برداشت انرژی الکتریکی با استفاده از مواد پیزوالکتریک تحت تحریک اتفاقی از پایه. نشریه علمی مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 10-1 :(1)6.
[13] Erturk D, Inman J (2008) On mechanical modeling of cantilevered piezoelectric vibration energy harvesters. J Intel Mat Syst Str 19(1): 1311-1325.
[14] Erturk D, Inman J (2008) A distributed parameter electromechanical model for cantilevered piezoelectric energy harvesters. J Vib Acoust 130(4): 041002
[15] Erturk, D, Inman J (2009) An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations. Smart Mater Struct 18(2): 025009.
[16] Shu YC, Lien IC (2006) Analysis of power output for piezoelectric energy harvesting systems. Smart Mater Struct 15(6): 1499.
[17] Roundy S, Wright PK (2004) A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics. Smart Mater Struct 13(5): 1131.
[18] Zhao Z, Wang S, You C (2002) Piezoelectric Micro-power Generation to Charge Supercapacitor with Optimized Duty Cycle. J Intel Mat Syst Str 21(11): 1131-1140.
[19] Fang KT, Li R, Sudjianto A (2006) Design and modeling for computer experiments. 1th edn. Chapman & Hall, Boston.
[20] Janfada M, Shahsavani D (2017) Varinace-based sensitivity analysis of deterministic model. Andishe-Ye-Amari 21(2): 33-44.
[21] Saltelli A, Annoni P, Azzini I, Campolongo F, Ratto M, Tarantola S (2010) Variance based sensitivity analysis of model output. Comput Phys Commun 181(2): 251-270.
[22] Archer GEB, Saltelli A, Sobol IM (1997) Sensitivity measures, anova-like Techniques and the use of bootstrap. J Stat Comput Sim 58(2): 99-120.
[23] Pianosi F, Wagener T (2015) A simple and efficient method for global sensitivity analysis based on cumulative distribution functions. Environ Modell Softw 67(1): 1-11.
[24] Stephens MA (1992) Introduction to Kolmogorov (1933) On the empirical determination of a distribution. In: Breakthroughs in Statistics, New York 93-105.
[25] Wall J (1996) Practical statistics for astronomers-ii correlation data-modelling and sample comparison. Q J Roy Astron Soc 37(1): 519.