برداشت انرژی ارتعاشی با استفاده از تیر یک سردرگیر با دولایه پیزوالکتریک

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 کارشناس ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی مکانیک، تهران، ایران

3 کارشناس ارشد، دانشگاه جامع امام حسین(ع)، دانشکده فنی و مهندسی، تهران، ایران

چکیده

هم‌اکنون برداشت انرژی ارتعاشی با ماده پیزوالکتریک می‌تواند بیش از 300 میکرووات بر سانتیمتر مربع توان تولید کند و این امر موجب شده تا این روش، به یکی از روش‌های مناسب برداشت انرژی برای تأمین توان وسایل الکترونیکی با توان کم مطرح گردد. یکی از مشکلات مهم در تیرهای برداشت کننده انرژی با دو لایه پیزوالکتریک، تولید حداکثر توان با کمترین وزن می‌باشد. در این مقاله اثر شکل و هندسه تیر یک‌سردرگیر با دو لایه پیزوالکتریک بر کارایی الکترومکانیکی سیستم مورد بررسی قرار می‌گیرد. یک مدل تحلیلی با استفاده از تقریب‌های تیر رایلی-ریتز برای برداشت‌کننده‌های پیزوالکتریکی دارای دو لایه پیزوالکتریک با هندسه مخروطی ارائه شده است. برای مطالعه اثر تغییرات طول و هندسه تیر یک‌سردرگیر بر ولتاژ تولیدی، شبیه‌سازی با استفاده از نرم‌افزارهای MATLAB و ABAQUS انجام شده است. بهینه‌سازی طراحی برای رسیدن به حداکثر خروجی انجام شده و مشاهده می‌گردد که تیرهای مخروطی مثلثی منجر به توزیع یکنواخت‌تر کرنش در لایه پیزوالکتریک شده و لذا موجب افزایش کارایی می‌شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Beeby SP, Tudor MJ, White N (2006) Energy harvesting vibration sources for microsystems applications. Meas Sci Technol 17: R175.
[2]  Erturk A, Inman DJ (2011) Piezoelectric energy harvesting. John Wiley & Sons.
[3]  Jagtap SN, Paily R (2011) Geometry optimization of a MEMS-based energy harvesting device. in Students' Technology Symposium (TechSym) 265-269.
[4]  Patel R, McWilliam S, Popov A (2011) A geometric parameter study of piezoelectric coverage on a rectangular cantilever energy harvester. Smart Mater Struct 20(8): 085004.
[5]  Zhu M, Tiwari‌ A (2010) Design Study of piezoelectric energy-harvesting devices for generation of higher electrical power using a coupled piezoelectric-circuit finite element method. IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Control 57(2): 427-437.
[6]  Ben Ayed S, Najar F, Abdelkefi A (2009) Shape improvement for piezoelectric energy harvesting applications. in Signals, Circuits and Systems (SCS) 1-6.
[7]  Roundy S, Leland ES, Baker J, Carleton E, Reilly E, Lai E (2005) Improving power output for vibration-based energy scavengers. IEEE Pervasive Comput 4(1): 28-36.
[8]  Hosseini R, Hamedi M (2015) An investigation into resonant frequency of trapezoidal V-shaped cantilever piezoelectric energy harvester. Microsyst Technol 1-8.
[9]  Yang B, KS Yun (2011) Efficient energy harvesting from human motion using wearable piezoelectric shell structures. in Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference (TRANSDUCERS) 2646-2649.
[10] Hu H, Xue H, Hu Y (2007) A spiral-shaped harvester with an improved harvesting element and an adaptive storage circuit. IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Control 54: 1177-1187.
[11] Amin Karami M, Inman DJ (2012) Parametric study of zigzag microstructure for vibrational energy harvesting. J Microelectromech S 21(1): 145-160.
[12] Hosseini R, Hamedi M (2016) An investigation into resonant frequency of triangular V-shaped cantilever piezoelectric vibration energy harvester. J Solid Mech 8(3): 560-567.
[13] Hosseini R, Nouri M (2016) Shape design optimization of unimorph piezoelectric cantilever energy harvester. J Appl Comput Mech 47(2): 247-259.
[14] Thomson W (1996) Theory of vibration with applications. CRC Press.
[15] Rao SS (2007) Vibration of continuous systems. John Wiley & Sons.
[16] Yang K, Li Z, Jing Y, Chen D, T Ye (2009) Research on the resonant frequency formula of V-shaped cantilevers. in 2009 4th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems 59-62.
[17] Fakhzan AGAMMN (2013) Harvesting vibration energy using piezoelectric material: Modeling, simulation and experimental verification. Mechatron 23: 61-66.
[18] Ambrosio R, Gonzalez H, Moreno M, Torres A, Martinez R, Robles E (2014) Study of cantilever structures based on piezoelectric materials for energy harvesting at low frequency of vibration. in Advanced Materials Research 159-163.