بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي مدارهاي برداشت کننده انرژي ولتاژ پايين به منظور يکسوسازي، ولتاژ ذخيره شده توسط نوسان پيزوالکتريک
چکيده
پيشرفت مخابرات بي سيم و ظهور ادوات الکترونيکي کم مصرف ، فرصتي را براي برداشت انرژي سبز و رايگان از محيط زيست بوجود آورده است و توجه بسياري از مهندسين و محققان را به خود جلب نموده است . بنابراين با دريافت انرژي مورد نياز از محيط نه تنها ديگر نيازي به باتري و منبع انرژي خارجي نيست بلکه به دليل عدم نياز به شارژ و تعويض باتري نياز به مراقبت هاي ويژه از سيستم از بين مي رود که اين خود در کاهش هزينه ها بسيار مؤثر است . برداشت کننده هاي ارتعاش کنوني قادرند با استفاده از اختلالات مکانيکي روزمره مانند جريان باد، سر و صداي ترافيک يا قدم برداشتن ما اندکي انرژي الکتريکي توليد کنند. مهارکنندههاي انرژي ارتعاشي رايج شامل مهارکننده هاي پيزوالکتريک ، الکترواستاتيک و الکترومغناطيس ميباشند. که در اين ميان پيزوالکتريک نسبت به ساير روش هاي برداشت انرژي از ارتعاشات محيط بيشتر مورد توجه قرار گرفته است . به طور کلي مطالعه و تحليل سيستم هاي برداشت انرژي مبتني بر پيزوالکتريک شامل آناليز ساختارهاي مولد ارتعاش ، مدل سازي رفتار ماده پيزوالکتريک ، طراحي مدار الکتريکي مناسب و به دست آوردن توان الکتريکي خروجي با توجه به نحوه کوپلينگ انرژي مکانيکي به انرژي الکتريکي است . اگر چه ماده پيزوالکتريک و خواص آن تاثير زيادي در بازده نهايي سيستم دارد ولي طراحي بهينه مدارهاي الکتريکي مانند مدار تطبيق امپدانس ، يکسوسازها، خازن ها و مبدل هاي DC به DC نيز با اهميت است . طراحي اين سيستم ها يکي از موضوعات مورد توجه اين حوزه در چند سال اخير بوده است . هدف از اين مطالعه تحليل و ارزيابي انواع مدارهاي برداشت کننده انرژي از قطعات پيزوالکتريک و بررسي اجزاي تشکيل دهنده مدار نظير مدار تطبيق امپدانس ، يکسوسازها، خازن ها و مبدل هاي DC به DC به منظور طراحي بهينه مدار الکتريکي و افزايش بازده توان دريافتي از برداشت کننده پيزوالکتريک ميباشد. همچنين نتايج حاصل از شبيه سازي مدار برداشت کننده انرژي پيزوالکتريک شامل مبدل DC به DC نيز به صورت نمودار بررسي شده است .
کلمات کليدي: پيزوالکتريک ، مدار هاي برداشت کننده ، يکسوساز، رگولاتور
١-مقدمه
تکامل و توسعه ي برداشت کننده هاي انرژي از دير باز تاکنون ادامه پيدا کرده و دستخوش پيشرفت هاي متعددي گرديده است . در دهه هاي اخير توليد توان الکتريکي از انرژي نوساني به منظور توسعه ابزارهاي ميکروالکترومکانيک ، مثل شبکه هاي سنسوري بي سيم ، توجه زيادي را به خود جلب نموده است ؛ زيرا نياز به انرژي الکتريکي پاييني براي تقويت خود دارند.
تامين انرژي به صورت مستقيم ، با منبعي جداگانه مشکلاتي نظير سيم هاي اتصالي و تعمير و نگهداري سيستم ها را به همراه دارد. از طرفي ديگر استفاده از باتري ها هم با توجه به طول عمر محدود شان ، در برخي موارد امکان پذير نمي باشد. مجموعه ي اين مشکلات ، تحقيقات اخير را به سمت تبديل مستقيم انرژي محيط به انرژي الکتريکي و ساخت سيستم هاي بي سيم سوق داده است . از جمله اين انرژي ها، انرژي هاي ارتعاشي و حرارتي محيط است که تبديل ارتعاشات به انرژي الکتريکي و نيز برداشت انرژي الکتريکي از نوسانات حرارتي به وسيله ي پيروالکتريک ها صورت ميگيرد. اولين مشاهده ي برداشت انرژي از محيط اطراف ، به شکل کنوني در سال ١٨٢٦ گزارش شد. پير کوري ١ به طور آزمايشگاهي ثابت کرد که مواد کريستالي خاصي وجود دارند که در صورت تحت تنش هاي مکانيکي قرار گرفتن ، بار الکتريکي توليد ميکنند؛ اين پديده امروزه تحت عنوان پيزوالکتريسيته ناميده ميشود[١]. سودان ٢ در سال ٢٠٠٣ به بررسي برداشت انرژي الکتريکي توسط مواد پيزوالکتريک پرداخت [٢] . مريولي ٣ و تاروني ٤ در سال ٢٠٠٦ سنسوري مستقل همراه با برداشت کننده انرژي پيزوالکتريک و انتقال دهنده RF مدلسازي نمودند [٣] . لييو٥ در سال ٢٠٠٨ يک برداشت کننده انرژيMEMS را بر اساس مولد توان پيزوالکتريکي به منظور برداشت انرژي ارتعاشات ساخت [٤] . شن ٦ در سال ٢٠٠٩ يک دستگاهي را به نام micromachine PZT cantilever ، به منظور برداشت انرژي درفرکانس پايين ساخت [٥] . جوليان ٧ در سال ٢٠١٠ به طراحي و مدل سازي يک برداشت کننده انرژي پيزوالکتريک براي ميکروسيستم هاي مستقل انرژي پرداخت [٦] . يانگ ٨، ژاو٩ و تانگ ١٠ در سال ٢٠١٤ مدار معادل يک برداشت کننده انرژي باد را نمايش دادند آن را تجزيه و تحليل نمودن [٧] . مهارکننده هاي انرژي ارتعاشي رايج شامل مهارکننده هاي پيزوالکتريک ، الکترواستاتيک و الکترومغناطيس مي باشند. که در اين ميان پيزوالکتريک به دليل بالا بودن ضريب کوپلينگ مکانيکي، حجم کم و نيز قابليت کاربرد در سيستم هاي ميکرو الکترومکانيکي نسبت به ساير روش هاي برداشت انرژي از ارتعاشات محيط بيشتر مورد توجه قرار گرفته است . اين مطالعه ، هدف تحليل و بررسي انواع مدارهاي برداشت کننده انرژي از قطعات پيزوالکتريک و طراحي بهينه مدارهاي الکتريکي مانند مدار تطبيق امپدانس ، يکسوسازها، خازن ها و مبدل هاي DC به DC ، به منظور افزايش بازده توان دريافتي از برداشت کننده پيزوالکتريک ميباشد.
٢-مواد و روش
١-٢-شماي کلي يک مدار برداشت کننده انرژي باد پيزوالکتريک
شماي کلي يک مدار برداشت کننده انرژي باد از نوع پيزوالکتريکي در شکل ١ نشان داده شده است . مطابق با شکل ، انرژي خروجي از برداشت کننده باد پيزوالکتريک ١ (PWH)، وارد بخش پردازش توان ٢ (PPU) ميشود. اين بخش شامل يکسوکننده ac to dc، ذخيره ساز انرژي و رگولاتور تنظيم کننده ولتاژ ميباشد. انرژي برداشت شده از پيزوالکتريک بعد از يکسوسازي بايد در يک المان ذخيره کننده انرژي انباشته گردد تا به مقدار کافي برسد. در مرحله بعد نياز به تنظيم و هموار کردن ولتاژ يکسوشده است . يک رگولاتور مناسب ميتواند ولتاژ نوساني توليد شده در تحريک پريوديک برداشت کننده را رگوله کند و به فرم مناسبي در اختيار مصرف کننده قرار دهد.
٢-٢-مدار برداشت انرژي تطبيق نيافته
معمولا دو نوع مدار برداشت انرژي از پيزوالکتريک وجود دارد: مدار هاي برداشت انرژي تطبيق يافته و مدار هاي برداشت انرژي تطبيق نيافته . مدارهاي تطبيق نيافته شامل يکسوساز پل ديودي و مدار پسيو ميباشند. از آنجا که محدوديت عمده در برداشت کننده توان پيزوالکتريک کوچک بودن اين توان است ، بنابراين به طور متناوب از ذخيره ساز ها براي جمع آوري و ذخيره انرژي برداشت شده استفاده ميشود. در بخش عمده اي از تحقيقات از خازن براي ذخيره انرژي استفاده مي شود. در اين بخش از باتري قابل شارژ به عنوان وسيله اي براي جمع آوري انرژي استفاده شده است . با توجه به شکل ٢ يک المان پيزوالکتريک ميتواند توسط يک منبع جريان سينوسي موازي با خازن داخلي مدل شود.
در اين رابطه Ip دامنه منبع جريان سينوسي است که با تغيير در سطح نوسانات مکانيکي تغيير ميکند. نيز فرکانس منبع
جريان ميباشد. از آنجا که منبع جريان AC است نياز به يکسوساز پل ديودي براي تبديل جريان AC به DC دارد.
شکل ٢-مدار برداشت انرژي تطبيق نيافته با ذخيره ساز باتري
مطابق شکل فوق براي برداشت کننده توان ، يک ولتاژ بهينه باتري ( vrect-opt ) وجود دارد که با دامنه جريان Ip، فرکانس و ظرفيت معادل پيزوالکتريک cp متناسب است .
دامنه ولتاژ مدار باز المان پيزوالکتريک هم به صورت زير مي باشد :
که طبق روابط فوق ولتاژ بهينه برداشت کننده ( vrect-opt ) ، نصف ولتاژ مدار باز( voc ) ميباشد. توان برداشت شده از ولتاژ
vrect هم به صورت زير محاسبه ميشود:
I̅̅b̅a̅̅t متوسط جريان داخلي باتري قابل شارژ است . براي هر منبع نوساني دامنه منبع جريان مقدار مشخصي ميباشد. اگر مقدار ولتاژ ذخيره شده روي باتري قابل شارژ را vrect در نظر بگيريم ، بازده توان برداشت شده تحت نوسان ورودي به صورت رابطه (٥) ميباشد که در آن A نسبت ولتاژ باتري قابل شارژ به ولتاژ بهينه يکسو شده است :
براساس ارزيابي مداربرداشت انرژي تطبيق نيافته در پي اسپايس نتيجه ميشود که توان برداشت شده با تغيير ولتاژ باتري، به ازاي ولتاژ بهينه باتري ماکزيمم خواهد بود.
٣-٢-مدار برداشت انرژي تطبيق يافته
مدار هاي برداشت تطبيق يافته توسط مبدل DC به DC توسعه يافته اند. در مقايسه با مدار هاي تطبيق نيافته ، مدارات تطبيق يافته انعطاف پذيرتر اند اما مشکلاتي هم نظير پيچدگي مدار و مصرف برق بالا را هم دارند. مدار تطبيق يافته همراه با مبدل DC به DC در شکل زير نشان داده شده است .
مطابق شکل ٣ توان برداشت شده از پيزوالکتريک در ابتدا يکسو شده و سپس توسط خازن co ذخيره ميشود. سپس بعد از تنطيم شدن توسط مبدل DC به DC روي باتري قابل شارژ ذخيره ميگردد به طوري که ولتاژ در مقدار يکسوشده بهينه ( vrect-opt ) ثابت ميشود و به مصرف بار ميرسد. عمل سوئيچينگ در مدار برداشت انرژي تطبيق يافته موجب مصرف توان ميشود. به همين خاطر مدار هاي برداشت انرژي تطبيق يافته نسبت به مدارهاي برداشت انرژي تطبيق نيافته توان کمتري را برداشت ميکنند[٩]،[١٠].
٤-٢-بررسي اجزاي تشکيل دهنده مدار برداشت انرژي از پيزوالکتريک
١-٤-٢-پل ديودي
براي آن که بتوانيم از نيمه منفي موج ورودي که در نيمي از سيکل جريان امکان عبور به خروجي را ندارد، استفاده کنيم بايد از مداري بعنوان پل ديود استفاده کنيم . پل ديود همان طور که درشکل ٥ مشخص است از چهار ديود به يکديگر متصل شده تشکيل ميشود. جريان متناوب به قسمتي که دو جفت آند و کاتد به يکديگر متصل هستند وصل ميشود و خروجي از يک جف آند و يک جفت کاتد به يکديگر متصل شده گرفته مي شود. اين روش که يکسوسازي تمام موج نام دارد بهترين روش جهت يکسوسازي جريان متناوب است و ديود مناسب جهت استفاده در پل ديودي، ديود ژرمانيوم با ولتاژ آستانه ٠.٢ مي باشد.
