بخشی از مقاله
چکیده
بسیاری از تجهیزات برداشت کننده انرژی از اجزای پیزوالکتریک به منظور تبدیل ارتعاشات مکانیکی به انرژی الکتریکی مفید استفاده میکنند. تحریک ورودی معمولا بصورت هارمونیک در نظر گرفته میشود در حالیکه در موقعیت های عملی تحریک مکانیکی سیستم ، یک سیگنال اتفاقی است. هدف از این پژوهش، تأثیرات توان الکتریکی در برداشت انرژی در تجهیزات پیزوالکتریک با استفاده از تئوری ارتعاشات اتفاقی خطی است. در ابتدا مدل دو درجه آزادی در حالتی پیزوالکتریک بین پایه و جرم دوم قرار گرفته است مورد بررسی قرارگرفته شده و سپس تاثیرات پارامترهای سامانه اهم از، ضریب سختی فنر، ضریب استهلاک دمپرها بر میانگین توان به صورت ترسیمی ارائه شده است.
واژه های کلیدی
پیزوالکتریک، برداشت انرژی، چند درجه آزادی، توان الکتریکی، ارتعاشات اتفاقی خطی
مقدمه
پیزوالکتریک در لغت به معنی تجمع بارالکتریکی ناشی از فشار است. پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید الکتریسیته - ایجاد شده توسط پلاریزاسیون - توسط یک ماده بر اثر اعمال تنش یا کرنش، در مورد چنین مادهای گفته میشود که »رفتار پیزوالکتریک« دارد. خانواده پیزوالکتریک های دی هیدروژن فسفات اولین خانواده ی عمده از مواد پیزوالکتریک و فرو الکتریک بود که کشف شده بود. در طی جنگ جهانی دوم ، تحقیقات در زمینه ی مواد پیزوالکتریک بوسیله ی آمریکا شوروی سابق و ژاپن بسط داده شد . محدودیت های ساخت این مواد از تجاری شدن آنها جلوگیری می کرد امّا این مسئله نیز پس از کشف باریم تیتانات و سرب زیر کونات تیتانات - PZT - در دهه های 1940و1950 برطرف شد.
به طور کلی به تامین انرژی یک سیستم از محیط پیرامون آن، برداشت انرژی می گویند. تحقیقات در این زمینه با پیشرفت مخابرات بی سیم و ظهور ادوات الکترونیکی کم مصرف مورد توجه بسیاری از مهندسین و محققان قرار گرفته است.
همان طور که می دانیم در محیط منابع انرژی متفاوتی وجود دارد. بسته به اینکه کدام منبع به انرژی الکتریکی تبدیل شود، سیستم های متفاوتی برای برداشت انرژی وجود دارد. البته در هر سیستم مبدل انرژی نقش کلیدی دارد. برخی از این منابع عبارتند از:
- انرژی جنبشی مانند انرژی حاصل از ارتعاشات -انرژی حرارتی -انرژی نوری و استفاده از اثر فتوولتاییک
- انرژی میدانهای الکترومغناطیسی
- انرژی پاک و موجود در طبیعت
در سال های اخیر برداشت انرژی حاصله از ارتعاشات توجه محققان بسیاری را به خود جلب کرده است چراکه این روش راه حل امیدوار کنندهای برای تامین انرژی تجهیزات حسگر الکترونیکی بی سیم به نظر می رسد. برداشت کننده های ارتعاشی انرژی قبلی که در این مقاله ذکر شده اند معمولا به صورت مدل های یک درجه آزادی طراحی شده اند که فقط در نزدیکی رزونانس طبیعی بهینه هستند. یک روش برای طراحی برداشت کننده انرژی ای که در شرایط ارتعاشی متغییر هم عملکرد مناسبی داشته باشد، روش تنظیم رزونانس است. هو و همکاران پیش بار گذاری مکانیکی و للاند و رایت نیروی مغناطیسی را به صورت مداوم اعمال کردهاند تا سختی و به تبع آن فرکانس رزونانس طبیعی برداشت کننده را تنظیم کند. با این کار برداشت وسیع انرژی را میتوان از طریق اعمال شرایط غیر خطی به سیستم محقق ساخت.
استانتون و همکارانش یک برداشت کننده انرژی غیرخطی تک پایدار را پیشنهاد کردند که در آن سختی سازی یا نرم سازی منحنی پاسخ میتواند برداشت زیادی را موجب شود. ارتورک و همکارانش در مکانیزم دو پایداری مربوط به یک مولد پیزو-مغناطیسی-الاستیک توسط تحریکات سینوسی تحریک شده بود را مورد بررسی قرار دادند. کاتون و همکاران ، فراری و همکاران و آندو و همکاران عملکرد برداشت انرژی مربوط به سگدست های دوپایدار با آهنرباهای دافع را تحت طیف وسیعی از ازتعاشات مورد بررسی قرار دادند. سلیمان و همکاران و لییو و همکاران عملکرد پهنای باند برداشت گر های انرژی با سختی خطی تکه ای را از طریق اعمال نگه دارنده های مکانیکی بررسی گردند. گرچه امروزه پیدا کردن روش موثری برای دوام برداشتگر در مدارهای دورانی پرانرژی برای حال با قرار دادن s I معادلات به سه معادله، سه مجهول تبدیل شده و سه پارامتر V، Y و X را بدست میآوریم.
از سویی دیگر، سیستمی با مدهای متعدد نیز قادر به برداشت وسیع انرژی ارتعاشی می باشد. راندی و همکاران برای اولین بار ایده ی سیستم چند درجه آزادی که از چند جرم لرزهای بهره میگیرد را مطرح کردند تا به پهنای باند بیشتری دست یابند. بر اساس این ایده یانگ و همکاران یک پرتو الکترومغناطیسی برداشتگر انرژی را با چندین آهن ربا به عنوان جرم های لرزه ای و قطعاتی برای القای ولتاژ، ابداع کردند. اوی و همکاران به صورت تئوریک یک سگدست دو جرمی را برای برداشت وسیع مدل سازی کردند.
تادسیئی و همکاران یک برداشتگر که مجهز به قابلیت های برداشت هیبردی بود را ارائه کردند که هرکدام برای مد خاصی بهینه سازی شده است. آلداریم و باز و آرافا و همکاران یک برداشتگر دو درجه آزادی را مورد بررسی قرار داند که دارای یک جرم به عنوان درشتنمای دینامیکی داشت.با وجود اینکه امکان دسترسی به پاسخهای بسیار نزدیک وجود داشت اما درشتنمایی به وزنه بسیار سنگینی احتیاج داشت که کاربرد عملی آن را محدود میساخت. جانک و همکاران و کیم و همکاران برداشتگر های دو درجه آزادی الکترومغناطیسی و پیزوالکتریکی را طراحی کردند که در آنها مودهای ارتعاشی انتقالی و دورانی جرم تحت تاثیر بوده و امکان طراحی بسیار نزدیک دو فرکانس طبیعی در آن وجود داشت.
در این مقاله یک مدل برداشتگر انرژی چند درجه آزادی نوین - PEHM - ارائه شده است تا مشکل پهنای باند مدل های قبلی را حل کند.در ابتدا یک مدل 2درجه آزادی مورد بررسی قرار گرفته و 2 وضعیت آن توضیح داده میشود. در وضغیت اول المان پیزوالکتریک بین جرم و تکیه گاه قرار داشته و در وضعیت دوم المان پیزوالکتریک بین دو جرم قرار دارد.
نتایج
در این قسمت، به بیان نتایج در چهار بررسی مختلف خواهیم پرداخت:
الف- تاثیر پارامتر سختی فنرها بر مقدار توان میانگین در این حالت، ابتدا مقادیر ضرایب دمپر را مقدار ثابت در نظر گرفته، دمپر اول 0/08 و دمپر دوم 0/00272، برای جرم اول 0/04 کیلوگرم و جرم دوم 0/008 کیلوگرم، کوپلینگ الکترومکانیکی 0/000031623 مقاومت واحد و ظرفبت لایه پیزوالکتریک 25، خواهیم داشت:
شکل :2 تاثیر همزمان سختی هر دو فنر بر توان میانگین حال به منظور بررسی تاثیر فنر دوم بر میانگین توان، مقدار سختی اول را 100 در نظر گرفته و خواهیم داشت.
شکل :3 تاثیر فنر دوم بر توان میانگین برای بررسی تاثیر فنر اول بر میانگین توان، مقدار سختی فنر دوم را 14/45 در نظر گرفته و خواهیم داشت.
