مدلسازی برداشت انرژی الکتریکی با استفاده از مواد پیزوالکتریک تحت تحریک اتفاقی از پایه

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

2 استادیار، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

چکیده

بسیاری از تجهیزات برداشت‌کننده‌ی انرژی از اجزای پیزوالکتریک به‌منظور تبدیل ارتعاشات مکانیکی به انرژی الکتریکی مفید استفاده می‌کنند. تحریک ورودی معمولا بصورت موج هارمونیک در نظر گرفته می‌شود، در حالیکه در موقعیت‌های عملی، تحریک مکانیکیِ سیستم، یک سیگنال اتفاقی است. هدف این پژوهش، مطالعه‌ی برداشت انرژی در تجهیزات پیزو‌الکتریک با استفاده از تئوری ارتعاشات اتفاقی است. در مرحله اول یک مدل پارامتری متمرکز از سیستم ارائه شده است. پس از آن معادلات دیفرانسیل بدون بعدِ حاکم بر ولتاژ القا شده در مدار برداشت انرژی و همچنین حاکم بر طول ماده‌ی پیزوالکتریک بدست آمده است. فرض شده است که تحریک ورودی بصورت یک شتاب با طیف فرکانسیِ نویز سفید، با باند محدود باشد. سپس از تئوری ارتعاشات اتفاقی برای بدست آوردن خواص آماری ولتاژ، توان و طول ماده‌ی پیزوالکتریک بر حسب خواص آماری تحریک، بصورت تحلیلی استفاده شده است. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که با انتخاب مناسب پارامترهای سیستم، مقدار مورد نظر توان برداشت‌شده میتواند بطور موثری افزایش یابد. انتظار میرود نتایج بدست آمده از این پژوهش بتوانند بطور کمی و کیفی در تحلیل، بهینهسازی و ساخت تجهیزات پیزوالکتریک برداشت‌کننده‌ی انرژی مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ando B, Baglio S, Maiorca F, Trigona C (2013) Analysis of two dimensional, wide band, bistable vibration energy harvester. Sensor Actuator 22: 176-182.
[2] علی قربان‌پور آرانی، محمد عبدالهیان، رضا کلاه‌چی (1393) کمانش الکتروترمومکانیکی نانوتیر پیزوالکتریک با استفاده از تئوری‌های الاستیسیته گرادیان کرنشی و تیر ردی. مجله‌ی علمی پژوهشی مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها، شماره‌ی 3، صفحات 23-33.
[3] محمد رضایی پژند، الیاس اعرابی (1390) تحلیل غیرخطی هندسی پوسته‌ی متقارن محوری چند لایه با لایه‌ی پیزوالکتریک گسترده. مجله‌ی علمی پژوهشی مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها، شماره‌ی 1، صفحات 1-11.
[4] Abdelkefi A, Nayfeh AH, Hajj MR (2012) Effects of nonlinear piezoelectric coupling on energy harvesters under direct excitation. Nonlinear Dynam 67: 1221-1232.
[5] Ciofani G, Menciassi A (2012) Piezoelectric nanomaterials for biomedical applications. Springe.
[6] Ebrahimi F (2013) Piezoelectric materials and devices: applications in engineering and medical sciences. CRC Press.
[7] Zhu D (2011) Vibration energy harvesting: machinery vibration, human movement and flow induced vibration. InTech.
[8] Sodano HA, Inman DJ (2004) A review of power harvesting from vibration using piezoelectric materials. Smart Mater Struct 36: 197-205.
[9] Abdelkefi A, Nayfeh AH, Hajj MR (2012) Design of piezoaeroelastic energy harvesters. Nonlinear Dynam 68: 519-530.
[10] Abdelkefi A, Nayfeh AH, Hajj MR (2012) Modeling and analysis of piezoaeroelastic energy harvesters. Nonlinear Dynam 67: 925-939.
[11] A Abdelkefi, AH Nayfeh, MR Hajj (2012) Enhancement of power harvesting from piezoaeroelastic systems. Nonlinear Dynam 68: 531-541.
[12] Li W, Liu TS, Hsiao CC (2011) A miniature generator using piezoelectric bender with elastic base. Mechatronics 21: 1183-1189.
[13] Junior CDM, Erturk A, Inman DJ (2009) An electromechanical finite element model for piezoelectric energy harvester plates. J Sound Vib 327: 9-25.
[14] Xu TB, Siochi EJ, Kang JH, Zuo L, Zhou W, Tang X (2013) Energy harvesting using a PZT ceramic multilayer stack. Smart Mater Struct 22: 1-15.
[15] Priya S, Inman DJ (2009) Energy harvesting technologies. Springer.
[16] Abdelkefi A,  Najar F, Nayfeh AH, Ayed SB (2011) An energy harvester using piezoelectric cantilever beams undergoing coupled bending–torsion vibrations. Smart Mater Struct 20: 1-11.
[17] Borowiec M, Litak G, Friswell MI, Ali S, Adhikari S, Lees AW (2013) Energy harvesting in piezoelastic systems driven by random excitations. Int J Struct Stab Dy 13: 1-11.
[18] Cottone  F,  Gammaitoni  L, Vocca  H, Ferrari  M, Ferrari V (2012) Piezoelectric buckled beams for random vibration energy harvesting. Smart Mater Struct 21: 1-11.
[19] Li P, Gao S, Cai H (2015) Modeling and analysis of hybrid piezoelectric and electromagnetic energy harvesting from random vibrations. Microsyst Technol 21: 401-414.
[20] Cryns JW, Hatchell BK, Santiago-Rojas E, Silvers KL (2013) Experimental analysis of a piezoelectric energy harvesting system for harmonic, random, and sine on random vibration. Adv Acoust Vib 1-12.
[21] Roundy S, Wright PK, Rabaey J (2003) A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes. Comput Commun 26: 1131-1144.
[22] DuToit NE, Wardle BL, Kim SG (2005) Design considerations for MEMS-Scale piezoelectric mechanical vibration energy harvesters. Integr Ferroelectr 71: 121-160.
[23] Rao SS (2007) Vibration of continuous systems. John Wiley & Sons, Hoboken.
[24] Newland DE (1984) An introduction to random vibrations and spectral analysis. Longman.
[25] Halvorsen E (2007) Broadband excitation of resonant energy harvesters. Power MEMS 319-322.