بررسی بازدهی برداشت انرژی ارتعاشی تیر پیزوالکتریک با استفاده از روش اجزای محدود

نوع مقاله : پژوهشی کامل

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد پرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران

2 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحد پرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران

چکیده

در این مقاله، طراحی و مدل‌سازی عددی برداشت انرژی توسط تیر یکسرگیردار پیزوالکتریک با استفاده از روش اجزای محدود به کمک نرم‌افزار Multiphysics Comsol انجام شده‌ا‌ست. با مدل‌سازی تیر برداشت کننده انرژی و اعمال شرایط مرزی تکیه‌گاه، خواص ماده، مش‌بندی تیر و اعمال تحریک هارمونیک به پایه گیردار، جابجایی تیر به جریان و ولتاژ وابسته به آن تبدیل می‌شود. در مدل‌سازی و شبیه‌سازی‌های انجام گرفته برای بلوک تیر از ماده آلومینیوم و برای بلوک پیزوالکتریک از ماده سلولوزی EAPap استفاده شده‌است. شکل مد ارتعاشات و فرکانس‌های طبیعی برای تیر پیزوالکتریک به‌دست آمده و تاثیر چیدمان لایه‌ها در مدار معادل در بهره‌گیری از برداشت انرژی الکتریکی بررسی شده‌است. همچنین، صحت‌سنجی و مقایسه نتایج به‌دست آمده از روش المان محدود با نتایج روش تجربی انجام شده‌است. نشان داده شده‌است که در فرکانس تحریک معادل با فرکانس طبیعی تیر با تقسیم کردن عرض تیر به دو و سه نوار با چیدمان به صورت موازی و یا سری در مدار الکتریکی معادل، ظرفیت برداشت بیشینه انرژی الکتریکی نسبت به مدل تیر تک نواره افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Yang Z., Zhou, S., Zu, J. and Inman, D.J., High-Performance Piezoelectric Energy Harvesters and Their Applications, Joule, Vol. 2, No. 4, pp. 642-697, 2018.
[2] Erturk, A. and Inman, D.J., Issues in mathematical modeling of piezoelectric energy harvesters, Smart Materials and Structures, Vol. 17, No. 6, pp. 065016-065030, 2008.
[3] Cha Y., Energy harvesting using flexible piezoelectric materials from human walking motion: Theoretical analysis, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 28, No. 20, pp. 3006-3015, 2017.
[4] Karimi, M., Tikani, R. and Ziaei-Rad, S., Piezoelectric energy harvesting from bridge vibrations under moving consecutive masses, Modares Mechanical Engineering , Vol. 16, No. 6, pp. 108-118, 2016. (in Persian)
[5] Suhag, S., and Chhabra, D., Design of a closed channel fluid flow system for piezoelectric energy harvsting, International Research Journal of Engineering and Technology, Vol. 5, No. 4, pp. 1960-1963, 2018.
[6] Orrego, S. et al., Harvesting ambient wind energy with an inverted piezoelectric flag, Applied Energy, Vol. 194, pp. 212-222, 2017.
[7] Wang, Z.L. and Song, J., Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays, Science, Vol. 312, No. 5771, pp. 242-246, 2006.
[8] Priya, S. et al., A review on piezoelectric energy harvesting: materials methods and circuits, Energy Harvesting and Systems, Vol. 4, No. 1, pp. 3-39, 2017.
[9] Abdeljaber, O., Avci, O. and Inman, D.J., Active vibration control of flexible cantilever plates using piezoelectric materials and artificial neural networks, Journal of sound and Vibration, Vol. 363, pp. 33-53, 2016.
[10] Salmani, H., Rahimi, G. and Hosseini Kordkheili, S.A., An exact analytical solution to exponentially tapered piezoelectric energy harvester, Shock and Vibration, Article ID 426876, pp. 1-13, Vol. 2015, 2015.
[11] Ando, B, Baglio, F.and Trigona, M.C., Analysis of two dimensional wide-band bistable vibration energy harvester, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 202, pp. 176-182, 2013.
[12] Borthakur, D., Baishya, S. and Chander, S., Optimization of piezoelectric energy harvesting structure by segmenting the piezoelectric Layer(s), 2017 IEEE 12th Nanotechnology Materials and Devices Conference (NMDC), 2017.
[13] Dayou J., Kim, J., Im, J., Chuan How, A.-T. and Liew, W.Y.H., The effects of width reduction on the damping of a cantilever beam and its application in increasing the harvesting power of piezoelectric energy harvester, Smart Materials and Structures, Vol. 24, No. 4, pp. 045006, 2015.
[14] Abas, Z., Kim, S., Zhai, L. and Kim, J., Experimental study of vibrational energy harvesting using Electro-Active paper, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 16, No. 6, pp. 1187-1193, 2015.
[15] Hosseini R., Hamedi, M., Im, J., Kim, J. and Dayou, J., Analytical and experimental investigation of partially covered piezoelectric cantilever energy harvester, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 18, No. 3, pp. 415-424, 2017.
[16] Hosseini R., Mamaghani, A.E. and M., Nouri, An experimental investigation into width reduction effect on the efficiency of piezopolymer vibration energy harvester, Journal of Solid and Fluid Mechanics, Vol.8, No. 3, pp. 41-51, 2017. (in Persian)
[17] Hosseini R., Hamedi, M., Mamaghani, A.E., Kim, H.C., Kim, J. and Dayou, J., Parameter identification of partially covered piezoelectric cantilever power scavenger based on the coupled distributed parameter solution, International Journal of Smart and Nano Materials, Vol.8, No. 2-3, pp. 110-124, 2017.