بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله حاضر از عملکرد قطعه پیزوالکتریک که یک مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی میباشد به منظور ساخت شارژر باطری دستگاه تلفن همراه استفاده شده است. پارامترهای موثر در میزان توان خروجی و بازده سیستم به ضخامت لایه حساس مبدل پیزوالکتریک، شدت انرژی صوتی تولیدی و همچنین به فاصله منبع صوتی از دستگاه بستگی دارد. سیگنالهایی که به وسیله مبدلهای پیزوالکتریک تولید میشوند بسیار ضعیف بوده و قابلیت استفاده را نخواهند داشت، از این رو برای تقویت سیگنالهای تولید شده از مدارات تقویت کننده AMP استفاده شده است.
نتایج شبیه سازی نشان میدهد که خروجی تقویت کننده AMP به دلیل متناوب بودن شدت انرژی صوتی و همچنین فاصله از منبع انرژی صوتی دارای تغییراتی است، لذا با استفاده از تراشه MAX756 که یک مبدل DC-DC سوئیچینگ افزاینده ولتاژ میباشد سعی بر آن است که این تغییرات در خروجی سیستم برطرف شود. مدار پیشنهاد شده در مناطق روستایی و مناطقی که بلایای طبیعی در آن اتفاق افتاده و امکان دسترسی به انرژی الکتریکی وجود ندارد بسیار کارآمد خواهد بود.
1. مقدمه
در حال حاضر ابتداییترین وسیله در زندگی روزمره انسانها دستگاههای تلفن همراه میباشد. مردم در هر سن و سال، گروه، جنسیت یا حرفهای از آنها در فعالیتهای روزمره خود استفاده میکنند. اغلب تلفنهای همراه از باطریهای قابل شارژ کوچکی استفاده میکنند که از طریق شبکه ملی برق شارژ میشوند. شارژرهای تلفن همراه به یک عنصر بسیار مهم و ضروری تبدیل شدهاند که بدون آنها دستگاههایتلفن همراه کاملاً غیر قابل استفاده خواهد بود.
گزارشهای آژانس بینالمللی انرژی، در اکتبر2011حاکی از آن بود که 1/6 میلیارد نفر در سراسر جهان نمیتوانند به دلیل کمبود انرژی از تلفن همراه خود استفاده کنند. با توجه به پیشرفت علم و تکنولوژی هنوز هم بخشهای بزرگی از مناطق روستایی در کشورهای جهان سوم به انرژی دسترسی ندارند. در بلایای طبیعی مثل سیل یا زلزله ممکن است به مدت چند روز به برق دسترسی نداشته باشیم. بنابراین اگر بتوانیم منبع دیگری را جایگزین شارژ مستقیم باطری گوشی تلفن همراه با انرژی الکتریکی کنیم، نه تنها مشکلات فوق را حل کردهایم بلکه مقدار زیادی در مصرف شبکه ملی برق صرفهجویی کردهایم.[1]
دانشمندان و پژوهشگران به شدت در جستوجوی منابع تجدیدپذیر انرژی سبز برای تولید انرژی هستند. تا به امروز، در ایران سوخت به عنوان منبع اصلی انرژی مورد استفاده قرار میگرفت. برق تولیدی از طریق یک روند الکترومکانیکی احتراق سوخت و تولید حرارت به وجود میآمد. معمولاً برای تولید انرژی مواد معدنی مثل زغالسنگ، نفت، گاز بعنوان سوخت در هر محفظه احتراق سوختی مورد استفاده قرار میگرفت. این منابع در زمین محدود هستند و به دلیل استفاده گسترده از آنها روزبهروز کاهش مییابند. بنابراین تنها راهی که نیازهای نسلهای بعد را در ضمینه انرژی برآورده خواهد ساخت جستوجو در میان منابع تجدیدپذیر است.
در حال حاضر نور خورشید و باد بعنوان منابع تجدیدپذیر برای تولید برق توسط سلولهای خورشیدی و آسیابهای بادی به مرحله بهرهبرداری رسیدهاند ضمن اینکه تحقیقات بر روی آنها ادامه دارد. منابع فوق به صورت گسترده وابسته به طبیعت هستند بنابراین برای مناطق مختلف با هر آبوهوایی مناسب نیستند3]و.[2 در این مقاله پیشنهاد استفاده از یک منبع جدید انرژی یعنی صوت یا فشار هوا را مطرح خواهیم کرد که میتواند بطور کامل باطری تلفن همراه ما را شارژ کند.
به یک عبارت ساده صوت از تحرک ذرات ماده بهوجود میآید، این ماده میتواند هوا، آب و یا هر ماده دیگری باشد.[4] انرژی صوتی توسط انواع مختلفی از سنسورهای صوتی قابل تشخیص است. مواد پیزوالکتریک یکی از موثرترین سنسورهای صوتی هستند. سنسورهای پیزوالکتریک در پاسخ به اعمال فشار مکانیکی بارالکتریکی تولید خواهند کرد.
اثر پیزوالکتریک یک فرآیند تولید داخلی بار الکتریکی ناشی از نیروی مکانیکی اعمال شده به مبدل پیزوالکتریک است. ظرفیت بالای مواد پیزوالکتریک برای دریافت هرگونه ارتعاش و تبدیل آن به انرژی الکتریکی سبب جذب بسیاری از دانشمندان و محققان گردیده که سعی در پیادهسازی مدارات تبدیل فشار- لرزش به انرژی الکتریکی را دارند.[5]
یکی از مزیتهای مهم قطعات پیزوالکتریک امکان ساخت آنها بااستفاده از تکنولوژی سیستمهای میکروالکترومکانیک و همچنین امکان مجتمع سازی این قطعات با مدارهای الکترونیکی است که باعث شده این قطعات درسیستمهای بدون سیم کوچک و قابل حمل کاربرد بیشتری داشته باشد. راه کار پیشنهاد شده در این مقاله به این صورت میباشد که انرژی مکانیکی صوت یا فشار هوا بطور مستقیم به کریستال پیزوالکتریک با ویژگی قوی اعمال میگردد. کریستال پیزوالکتریک در پاسخ به انرژی مکانیکی یک سطح ولتاژ بسیار کمی تولید خواهد کرد که این ولتاژ تولید شده به عواملی چون اندازه کریستال پیزوالکتریک، ضخامت لایه حساس پیزوالکتریک و نیرویی که به آن وارد میشود وابسته خواهد بود.
.1 مواد و روشها
هدف اصلی ارائه مقاله فوق، ساخت شارژر باطری دستگاه تلفن همراه با بهرهگیری از منابع انرژی تجدیدپذیر میباشد. بدین منظور مدارهای مختلفی را در جهت تبدیل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی معرفی خواهیم نمود و با بررسی هر کدام به بهترین و موثرترین مدار جهت تبدیل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی دست یابیم تا در مکانهای فاجعه زده یا مناطقی که در آن به انرژی الکتریکی دسترسی نداریم از این شارژر جهت شارژ کردن باطری تلفنهای همراه خود استفاده کنیم.
مبدلهای پیزوالکتریک به فشار هوا یا صوت حساس هستند، لذا با فشار مکانیکی این کریستالها بارالکتریکی تولید خواهند کرد. بین نیرو و بارالکتریکی در کریستالهای پیزوالکتریک رابطهای برقرارخواهد بود. رابطه فوق بیانگر این است که اگر F نیروی بکار برده شده جهت تولید بارالکتریکی و Q کل بارالکتریکی بوجود آمده باشد و K ثابت پیزوالکتریک در نظر گرفته شود، Q و F با یکدیگر رابطه مستقیمی دارند، یعنی با توجه به رابطهQ=KF کاهش نیرو متناسب است با کاهش بارالکتریکی که در کریستال تولید میشود.
سیگنالی که توسط مبدلهای پیزوالکتریک تولید میشود بسیار کم خواهد بود و باید به این نکته توجه داشت که ماهیت سیگنال تولید شده AC میباشد. بنابراین ما باید سیگنال AC تولید شده را تقویت و اصلاح نماییم و به یک ولتاژ DC که امکان شارژ باطری گوشی تلفن همراه را داشته باشد تبدیل کنیم. روند کلی تبدیل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی در شکل2 نمایش داده شده است. در این طرح با بهرهگیری از مبدلهای کوچک پیزوالکتریک قادر خواهیم بود انرژی صوتی در دسترس و یا فشار هوا را به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم.
مبدل پیزوالکتریک
مدار چند برابرکننده ولتاژ برای ذخیره سازی انرژی الکتریکی اصلاح و تقویت خروجی مدار تولید شده در یک باطری قابل جمعکننده شارژ تلفن همراه شکل:2 دیاگرام بلوکی تبدیل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی در مدارهای پیشنهادی به منظور ذخیره سازی موقت بارالکتریکی تولید شده توسط مبدلهای پیزوالکتریک از ابرخازنها استفاده شده است. ابرخازنها یک تکنولوژی نسبتاً جدیدی به شمار میرود و بعنوان یک خازن دو لایه شناخته شده است6]و.[7 ابرخازنها بیشترین مقدار خازن در واحد حجم و بیشترین تراکم انرژی در مقایسه با دیگر خازنها میباشند.[8]
