بخشی از مقاله
خلاصه
برداشت انرژی بوسیله مواد پیزوالکتریک یا الکترومگنت ها غالبا در تجهیزات الکتریکی با توان کم مورد استفاده قرار میگیرند . از جمله کاربردهای مهم برداشت انرژی تامین توان مورد نیاز حسگرهای بی سیم مورد استفاده در سیستمهای سلامت سنجی در سازه های عمرانی مانند پل ها و یا کابل های فولادی بکار رفته در روی پل ها میباشد.
ما در این پژوهش برداشت انرژی الکتریکی از ارتعاشات عرضی کابل را با استفاده از الکترومگنت ها مورد بررسی قرار داده ایم وتوان تولیدی از ارتعاشات کابل ها را در موقعیت های مختلف مقایسه کردیم .ابتدا معادلات حاکم بر ارتعاشات عرضی کابل را از روش نیوتن و سپس معادلات مربوط به الکترومگنت که به کابل مورد نظر متصل میباشد را با استفاده از روابط الکترومغناطیس و قانون فارادی بدست آورده ایم .
برای بدست آوردن مقدار جریان الکتریکی و توان تولید شده ناشی از ارتعاشات کابل ،این معادلات کوپل شده را بوسیله روش گلرکین گسسته سازی کرده و معادلات حاکم بر مساله را حل میکنیم و پاسخ سیستم که همان جابجایی نقاط مختلف کابل میباشد را به ازای شرایط اولیه و نیروی خارجی وارد بر کابل بدست می آوریم. در نهایت مقدار توان تولیدی را طبق روابط الکترومغناطیسی محاسبه کرده و این توان را برای مشخصات مختلف الکترومگنت ، مورد بررسی قرار میدهیم.
.1 مقدمه
برداشت انرژی به معنای به دام انداختن مقداری انرژی ازمنابع انرژی محیط و ذخیره کردن آن به صورت انرژی الکتریکی قابل استفاده است .حال منابع اصلی انرژی های در دسترس جهت برداشت و تولید انرژی الکتریکی عبارت اند از: انرژی مکانیکی - منابعی مانند ارتعاشات سیستم های مکانیکی،تنش و کرنش های مکانیکی - ، انرژی نور - از نور خورشید ×توسط پنل های خورشیدی - ، انرژی حرارتی - انرژی حرارتی تلف شده موتورها ،کوره ها و ....... - انرژی الکترو مغناطیسی - از سیم پیچ ها و ترانسفورماتورها - ؛انرژی بدن انسان به واسطه اعمال حرکتی و سایر انرژی ها از منابع شیمیایی و زیسیتی و غیره ، که در این پژوهش موضوع برداشت انرژی الکتریکی از منابع مکانیکی مورد بررسی قرار گرفته است.
برداشت کننده های انرژی مکانیکی از ارتعاشات ،تنش ها و کرنش های مکانیکی سطحی که روی آن مستقر شده اند، الکتریسیته تولیید میکنند . ارتعاشات ناشی از حرکت سیستم های مکانیکی سبب ایجاد انرژی مکانیکی می شوند، این انرژی میتواند بوسیله ی کرنش ماده پیزوالکتریک، میدان الکتریکی ویا میدان مغناطیسی به انرژی الکتریکی تبدیل شود.
برداشت کننده های انرژی الکترو مغناطیس از ارتعاشات ، بر پایه قانون الکترو مغناطیس فارادی کار میکنند. براساس این قانون زمانی که چگالی شار مغناطیسی درون یک حلقه بسته تغیر کند درون حلقه یک نیروی محرک الکتریکی القا میشود. عموما این نوع برداشت کننده ها از آهن ربای دائمی و سیم پیچ و سیستم تعلیق تشکیل شده است که با اتصال این نوع برداشت کننده ها به سیستم های مکانیکی، ارتعاشات سیستم مکانیکی مورد نظر سبب ایجاد یک حرکت نسبی بین آهنربا و سیم پیچ در این نوع برداشت کننده ها شده که در نهایت نیروی محرک الکتریکی در سیم پیچ القا میشود .
تاکنون درزمینه برداشت انرژی الکتریکی ازسازه های هوشمند تحقیقات زیادی صورت گرفته که عمداتا بصورت تجربی بوده است. ویلیامز و یاتز [1] سه راه اصلی تبدیل انرژی از ارتعاشات به الکتریسیته را پیشنهاد کردند که عبارتند از الکترومگنت ها[3-2] ، الکترواستاتیک [4] و پیزوالکتریک
هیو ژوژانگ و همکاران [10-8] در سال 2011و2012 به صورت تجربی ارتعاشات ناشی از نیروی بادها در کابل های موجود در پل های کابلی را بوسیله الکترومگنت ها بررسی کرده و همچنین انرژی الکتریکی برداشت شده را برای تامین توان مورد نیازحسگرهای بی سیم سلامت سازه محاسبه کرده اند. همچنین در تحقیقات انجام شده توسط آقای ژوژانگ که به صورت تجربی بر روی کابل های فولادی در پل ها انجام گرفته است ،توسط الکترومگنت ارتعاشات کابل کنترل شده و همچنین انرژی الکتریکی تولید شده است .
آقای ونای شن [11] در سال 2016 به صورت تجربی ارتعاشات ناشی از نیروی خارجی یک کابل فولادی را در یک آزمایشگاه بوسیله ی الکترومگنت ها مورد بررسی قرار داده اند ، در واقع یک نیروی خارجی هارمونیک به یک کابل مورب و کشیده شده و دو سر گیر دار وارد شده است و مقدار توان تولیدی مورد بررسی قرار گرفته است.
برداشت انرژی الکتریکی از ارتعاشات سیستم های مکانیکی امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است . البته انرژی تولید شده در زمینه ارتعاشات کابل ها که بیشتر در زمینه کنترل ارتعاشات استفاده شده اند . یا اینکه در سازه های کابلی ، توان مورد نیاز برای سنسورهای سلامت سازه را تامین کرده اند. در این پژوهش ما میخواهیم به صورت تحلیلی مقدار توان تولیدی در یک کابل کشیده ی دو سر گیردار همراه با یک برداشت کننده الکترومگنت را ، مورد بررسی قرار دهیم و با بررسی شرایط مختلف و مشخصات الکترومگنت ، مقدار بیشینه توان تولیدی را محاسبه کنیم. بدین منظور معادلات مربوطه را استخراج میکنیم و سپس با حل عددی معادلات حاکم برسیستم، توان الکتریکی تولید شده را در شرایط مختلف بدست می آوریم.
.2 بیان مسئله
سیستم مورد نظر ما که به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است ، یک کابل یکنواخت دوسرگیردار وکشیده شده با کشش ثابت و طول ثابت میباشد . همچنین این کابل دارای جرم واحد طول مشخصی میباشد که یک عدد الکترومگنت به نقطه ای از این کابل وصل شده است . ما می خواهیم رفتار سیستم را در حضور این الکترومگنت که به منظور برداشت انرژی از ارتعاشات کابل ، به کابل متصل است را بررسی کنیم و توان تولید شده در زمان ارتعاشات کابل را بدست بیاوریم. بدین منظورکابل را ابتدا تحت شرایط اولیه ی مشخصی قرار میدهیم و جابجایی نقاط مختلف کابل را بوسیله روش گلرکین بدست می آوریم . در مرحله ی بعد یک نیروی خارجی هارمونیک به کابل وارد میکینم و دوباره پاسخ سیستم را بدست می آوریم و طبق روابط الکترو مغناطیسی ، توان تولید شده در هر مرحله را مورد بررسی قرار میدهیم .
شکل - 1 شماتیک کابل دوسرگیردار به همراه الکترومگنت متصل به آن
.3 استخراج معادلات حاکم بر مسئله
در ابتدا معادله حرکت یه کابل دوسرگیردار را بدون در نظر گرفتن الکترومگنت، با نوشتن قانون دوم نیوتن طبق [12] در راستای عمودی بدست می آوریم. ابتدا یک المان کوچک از کابل را مطابق شکل 2 در نظر میگیریم و قانون دوم نیوتن را برای المان موردنظر به صورت رابطه ی - 1 - مینویسیم.
شکل- 2 دیاگرام آزاد نیرویی برای المان کوچک از کابل
