بخشی از مقاله
چکیده: منابع جدید انرژی همواره مورد توجه بوده است اما امروزه با توجه به محدودیت در منابع اصلی انرژی، کاوش برای یافتن و گسترش بهرهوری از منابع جدید انرژی، رو به افزایش میباشد. تلاشهای زیادی در زمینه یافتن منابع جدید انرژیهای نو انجام شده است. نمونهای از این تکنولوژیها، استفاده از ویبراتورهای پیزوالکتریک برای مهار انرژی ارتعاشات، حرکت پارازیتی، پارازیت صوتی و تبدیل آنها به انرژی الکتریکی میباشد. از این رو در پژوهش حاضر، استحصال انرژی ناشی از برخورد یک قطره آب به ویبراتور پیزوالکتریک مطالعه شده است. به منظور ارزیابی میزان امرژی قابل مهار توسط مواد پیزوالکتریک، از شبیه سازی عددی با کمک روش المان محدود استفاده شده است. به این منظور سقوط قطرات با سایزهای مختلف بر روی ویبراتور پیزوالکتریک مطالعه شده است. همچنین قطرات انواع مایعات نیز مورد بررسی قرار گرفته است که شامل آب، نفت و جیوه میباشند. نتایج حاصل نشان میدهد که با استفاده از ویبراتور پیزوسرامیک PZT-5H حداکثر تا حدود 40 درصد از انرژی پتانسیل گرانشی قطره را میتوان به انرژی الکتریکی تبدیل کرد.
مقدمه
مجموعهای از عوامل مختلف از جمله محدودیت منابع فسیلی، تأثیرات منفی زیست محیطی بهرهگیری از منابع هیدروکربنی، افزایش قیمت سوختهای فسیلی، منازعات سیاسی و تأثیرات آن بر روی ارایه انرژی پایدار از جمله دلایلی هستند که بسیاری متخصصین مباحث انرژی و محیط زیست را در حرکت به سوی ایجاد ساختاری نوین مبتنی بر امنیت ارائه انرژی، حفظ محیط زیست، ارتقاء کارایی سیستم انرژی وادار نموده است. عموما پذیرفته شده است که دسترس پذیری توان الکتریکی، یک ضرورت برای دستیابی به استانداردهای قابل قبول زندگی و توسعه اقتصاد کشور میباشد .[1] در نتیجه، کشف و توسعه تکنولوژیها و راه حلهای ضروری برای تامین توان الکتریکی لازم جهت فراهم کردن رشد پایدار اقتصاد، چالش مهمی میباشد. از این رو در این تحقیق تلاش شده است که از ویبراتور پیزوالکتریک به منظور تولید توان از انرژی قطرات آب، استفاده شود. یکی از راههایی که برای استحصال توان از حرکتهای محیطی وجود دارد، استفاده از مهار کنندههای انرژی بر مبنای ویبراتور پیزوالکتریک میباشد. پیزوالکتریک بار الکتریکی است که در مواد جامد به خصوصی مانند: کریستالها، پیزوالکتریک یکی از نوع سرامیکی و دیگری از نوع پلیمری را سرامیکهای خاص، و مواد بیولوژیکی از جمله استخوان در جهت برداشت انرژی با یکدیگر مقایسه کردهاند. پیزوالکتریک پاسخ به فشار مکانیکی اعمال شده، تجمع مییابد .[2]
پلیمری به دلیل راندمان بهتر مورد توجه قرار گرفته است. نیو8 و مهار کنندههای انرژی1 برای تبدیل انرژی محیطی2 به انرژی همکاران [12] امکان برداشت انرژی از حرکات مکانیکی در الکتریکی قابل استفاده برای تجهیزات الکترونیکی طراحی ومفاصل پا را بررسی کردهاند. در سال 2009 انرژی برداشت شده ساخته میشوند .[3] در دهه اخیر، تحقیقات پیرامون تبدیل از طریق فشار پا بر روی زمین در افراد با جرمهای مختلف توسط انرژی ارتعاشی3 محیطی به انرژی الکتریکی، رشد فزایندهای جیا9 و لیو بررسی شده و نشان داده شده که میزن انرژی به دست داشته است .[4] سه مکانیزم عمده برای تبدیل انرژی ارتعاشی آمده در برداشت انرژی از بدن انسان، به شرایط فیزیکی افراد محیطی به توان الکتریکی وجود دارد که توسط محققین مختلف وابسته است. استحصال انرژی از راه رفتن توسط فخار و ارایه و توسعه داده شدهاند. این سه مکانیزم عبارتاند از: روش همکاران [13] نیز مورد بررسی قرار گرفت. ایشان مداری جهت الکترومغناطیسی [5]، روش الکترواستاتیکی[6] 4 و روش مبدل-برداشت انرژی با راندمان بالا از راه رفتن با استفاده از برداشت های پیروالکتریکی.[7] 5 از بین مکانیزمهای تبدیل انرژی کننده پیزوالکتریک، طراحی و ساختند تا ضمن بررسی کامل ارتعاشی محیطی به انرژی الکتریکی فوق، مهارکنندههای انرژی کارآیی آن در تحویل انرژی هر چه بیشتر، امکان تامین انرژی پیزوالکتریک6، به راحتی میتواند ارتعاشات القا شده را به انرژی الکتریکی یک مدار الکترونیکی پایه به صورت پیوسته را مورد مفید الکتریکی تبدیل کند. مزیت عمده مکانیزم مهار کننده ارزیابی عملی قرار دهند. ایشان در پژوهش خود سیستمی برای انرژی مبتنی بر مواد پیزوالکتریک، چگالی توان زیاد و نیز کسب انرژی از راه رفتن با استفاده از مبدل پیزوالکتریک با سهولت کاربرد میباشد 8] و .[9 به همین دلیل، تحقیقات بسیار هدف تامین انرژی یک ابزار پزشکی پوشیدنی ارایه کردند.
زیادی در زمینه تبدیل انرژی توسط سامانههای پیزوالکتریک به ایشان مبدل پیزوالکتریک را در درون کفش و در زیر پاشنه پا انجام رسیده است. در ادامه این بخش، اهم تحقیقات انجام شده قرار دادند. انرژی کسب شده در هر گام، در یک سری باطری در این زمینه، مرور شده است. ذخیره شده و برای استفاده ابزارهای الکترونیکی مورد استفاده کسب انرژی از حرکت راه رفتن برای اولین بار در سال قرار میگیرد. نتایج ایشان نشان میدهد که ابزار طراحی شده، 1998 توسط کیمیسیس7 و همکاران [10] بررسی شده است. امکان کسب و ذخیره انرژی فشار پا بر زمین حین راه رفتن را ایشان نشان دادند که با استفاده از برداشت کننده پیزوالکتریک، دارا میباشد. همچنین ابزار مذکور، با استفاده از تنها یک مبدل به میزان 1/2 میلیوات انرژی، از راه رفتن انرژی دریافت شده پیزوالکتریک، امکان تامین توان دایمی در حد 0/8 میلی وات را است. در سال 2001 شنک و پارادیسو [11] دو برداشت کننده فراهم مینمود. البته ایشان بیان داشتند که برای فراهم شدن این 1 Energy harvesters توان دایمی به صورت یک منبع تغذیه 3 ولت، نیاز به برداشته شدن حدود 40 گام به صورت اولیه میباشد. این ابزار جهت تامین انرژی الکتریکی یک مدار الکترونیکی پایه مورد استفاده قرار گرفته و پایداری آن در طول زمان مورد تایید قرار گرفته است. نتایج ایشان نشان میدهد که با توسعه ابزارهای پزشکی پوشیدنی کم مصرف، امکان تامین انرژی لازم برای آنها از خود بدن و جایگزین شدن این روش به جای استفاده از باتری وجود دارد. در تحقیق حاضر نیز استحصال انرژی از قطرات در حال برخورد به ویبراتور پیزوالکتریک با استفاده از روش المان محدود مورد مطالعه قرار گرفته است.
تعریف مسئله
برای مطالعه استحصال انرژی از قطرات با اندازه و جنس مختلف و نیز با انرژیهای متفاوت، در پژوهش حاضر از ویبراتور پیزوالکتریک استفاده شده است. شکل شماتیک ساده مسئله مورد نظر، در شکل 1 نشان داده شده است. بطور کلی مواد پیزوالکتریک به دو دسته پیزوالکتریکهای سرامیکی - PZT1 - و پیزوالکتریکهای پلیمیری - PVDF2 - تقسیم بندی میشوند. مواد پیزوالکتریک از نوع PZT برای استحصال توان از بارهای ضربهای مورد استفاده قرار میگیرند، در حالیکه مواد پیزوالکتریک از نوع PVDF برای تولید توان از بارهای خمشی مناسب میباشند. از این رو در مقاله حاضر، از مواد پیزوالکتریک سرامیکی استفاده شده است چرا که بار ناشی از برخورد قطره به صفحه بصورت ضربهای میباشد .[14] ابعاد صفحه آلومینیومی همسانگرد3 نگهدارنده لایه پیزوالکتریک، 20 10 سانتیمتر بوده و ضخامت آن نیز 0/1 سانتیمتر میباشد. ابعاد لایه پیزوالکتریک مورد استفاده نیز 10 5 سانتیمتر با ضخامت 0/8 میلیمتر میباشد. مشخصات صفحه نگهدارنده آلومینیومی لایه پیزوالکتریک در جدول 1 ارایه شده است. پیزوالکتریک انتخاب شده در پژوهش حاضر نیز از نوع PZT-5H میباشد. بطور کلی مواد پیزوالکتریک دارای چهار خاصیت مهم میباشند. سه خاصیت، ضرایب پیزوالکتریک بوده و عبارتاند از: ضرایب ماتریس تنش مواد پیزوالکتریک eij، ثابت پیزوالکتریک dij و ضریب گذردهی الکتریکی .εij خاصیت چهارم نیز چگالی ماده پیزوالکتریک میباشد. خواص پیزوالکتریک مورد مطالعه در پژوهش حاضر - PZT-5H - در جدول 2 ارایه شده است.
