بخشی از مقاله
چکیده
همواره بحث تامین انرژی سنسورها و ترانسدیوسرها با محدودیت هایی همراه بوده است. تامین انرژی به صورت مستقیم، با منبعی جداگانه مشکلاتی نظ ری سیم های اتصالی و تعم ری و نگهداری سیستم ها را به همراه دارد. از طرفی دیگر استفاده از باتری ها هم با توجه به طول عمر محدود شان، در برخی موارد امکان پذ ری نمی باشد. مجموعه ی این مشکلات، تحقیقات اخ ری را به سمت تبدیل مستقیم انرژی محیط به انرژی الکتریکی و ساخت سیستم های بی سیم سوق داده است.
از جمله ا ین انرژی ها، انرژی های ارتعاشی و حرارتی محیط است که تبدیل ارتعاشات به انرژی الکتریکی توسط پیزوالکتریک ها، و نزی برداشت انرژی الکتریکی از نوسانات حرارتی به وسیله ی پیروالکتریک ها صورت می گیرد. این دو اخیرا مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. در این مقاله روشی نوین برای برداشت انرژی ارائه شده که ترکیبی از دو روش فوق است. ابتدا با فرض وا رد شدن نوسانات حرارتی و ارتعاشی سینوسی به سیستم، ماکز یمم توان قابل برداشت و همچنین مقاومت به ینه مربوط به آن برا ی دو مدار پالس سو یچینگ سری و مواز ی به دست آمده است.
سپس با مقا یسه این روش، و روش برداشت انرژی از پیزوالکتریک به تنهایی، مشاهده می شود که در شرایط یکسان، میزان ماکزیمم توان برداشتی در حالت ترکیبی، به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت. سپس در بخش دوم مقاله تاثیر سه پارامتر مهم را روی توان بررسی کرده و نهایتا شرایط مناسب برای ماده ی هوشمندی که در این روش نوین می تواند عملکرد بهتری داشته باشد، تحقیق گردیده است.
مقدمه
باتری ها در طول زمان مستهلک می شوند که به همین دلیل تعویض باتری ها همواره بخشی جدایی ناپذیر از بحث نگهداری و تعمیر است. یکی دیگر از راه های پیش رو بالا بردن ابعاد باتری ها است که این هم برای سیستم هایی در مقیاس میکرو امکان پذیر نمی باشد
از طرفی دیگر پیشرفت های اخیر تکنولوژی میکرپروسسورها به این سمت بوده است که مصرف انرژی این سیستم ها تا حد زیادی کاهش بیابد]ٍ[ ، تا جایی که در حال حاضر بسیاری از این تجهیزات که مقیاسی بین میلیمتر و میکرومتر دارند، توان مصرفی شان بین mw ًٌ تا μw ًٌ می باشد]َ.[ در راستای تامین انرژی ای در این مقیاس، راهی دیگر که در سالهای اخیر مورد توجه جامعه ی علمی قرار گرفته است، تبدیل مستقیم انرژی محیط به انرژی الکتریکی مصرفی سیستم ها می باشد.
تبدیل ارتعاشات محیط به انرژی الکتریکی بوسیله ی پیزوالکتریک ها ]ُ,ِ,ّ,ْ[، و نیز برداشت انرژی الکتریکی از نوسانات حرارتی به وسیله ی پیروالکتریک ها]َ,ُ[، دو روشی بوده که در این چند ساله مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. پیزوالکتریک ها موادی هستند که در اثر اعمال تنش مکانیکی، و پیروالکتریک ها هم موادی هستند که به واسطه ی خاصیت پیروالکتریسیته شان، در اثر اعمال اختلاف دما تولید انرژی الکتریکی می نمایند هردوی این خاصیت ها، به طور گسترده در سنسورها و عملگرها مورد استفاده قرار می گیرد
با توجه به اینکه در بسیاری از محیط هایی که این سیستم ها عمل می کنند، هم نوسانات حرارتی داریم و هم تنش های مکانیکی، روشی نوین ارائه گردیده است که بتوان با کمک آن همزمان هم ارتعاشات محیط و هم نوسانات حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل کرد و با این کار میزان انرژی برداشت شده را افزایش داد.
برداشت انرژی به روش پالس سویچینگ
- روش پالس سوچینگ موازی
این تکنیک که در شکل - ٌ - مدار آن آورده شده، ترکیبی از یک سیکل پردازشگر غیرخطی - سلف و سویچ - موازی شده با المان هوشمند است که خود این سیکل نیز ورودی یک پل یکسوکننده ی دیودی می باشد. سیکل پردازشگر غیرخطی که فقط شامل یک سلف و سویچ است، در زمان هایی که ماکزیمم و مینیمم جابجایی مکانیکی و نوسانات حرارتی رخ می دهد، سویچِ آن در حالت بسته قرار می گیرد. در لحظات بسته بودن سویچ، یک مدار LC ایجاد می شود. پریود نوسانات الکتریکی خیلی کوچکتر از پریود نوسانات مکانیکی سیستم انتخاب شده است. بعد از یک نیم پریود مدار الکتریکی، سویچ قطع می شود و در نتیجه ولتاژ به صورت آنی و ناگهانی معکوس می شود. شکل موج های مربوط به نوسانات حرارتی و جابجایی، ولتاژ و جریان در شکل - ٍ - آورده شده است.
شکل ٍ: مدار پالس سویچینگ موازی: شکل موج های جابجایی و ولتاژ
زمانی که سویچ در حالت بسته است مقدار مطلق ولتاژ V کمتر از VDC باقی می ماند و در نتیجه پل یکسوکننده مسدود است. در اثر پردازش غیرخطی - سلف و سویچ - مقدار کمی تلفات انرژی خواهیم داشت که یکی از مهمترین دلایل تلفات، سری بودن سویچ و سلف در مدار است. این تلفات در پارامتری تحت عنوان ضریب کیفیت الکتریکی Qi مدل می شود. رابطه ی بین Qi با ولتاژ قبل از فرآیند معکوس - - VDC و بعد از آن - Vm - ، به صورت زیر است
شارژ الکتریکی دریافت شده توسط بار معادل - RL - در یک نیم سیکل توسط رابطه ی زیر محاسبه می شود
انتگرال دوم در رابطه ی بالا برابر است با مجموع بار ذخیره شده در خازن ًC قبل و بعد از معکوس شدن ولتاژ که رابطه آن در زیر آمده است - َ - . همچنین براساس معادلات ساختاری حاکم بر پیزوالکتریک ها و پیروالکتریک ها، رابطه ی جریان الکتریکی المان هوشمند هم مطابق رابطه ی - ُ - محاسبه می شود
در این روابطα1 و α2 تابع خواص پیزوالکتریک و پیروالکتریک می باشند که روابط شان مطابق زیر است که در این روابط A مساحت المان، P ضریب پیروالکتریک، L ضخامت المان و e33 ضریب پیزوالکتریک است. با انتگرال گیری و ترکیب روابط - ٍ - و - َ - و - ُ - می توان VDC را برحسب um و θm نوشت که در آن، um و θm، به ترتیب، دامنه ی جابجایی مکانیکی، و دامنه ی نوسانات حرارتی می باشند. در این روابط ω فرکانس تحریک می باشد میانگین توان برداشت شده و همچنین روابط توان ماکزیمم و مقاومت بهینه بصورت زیر خواهند بود
