تحلیل الکترومکانیکی ساختارهای برداشت کننده انرژی ارتعاشی از شرایط محیطی با فرکانس پایین

STUDENT

DEGREE

YEAR

One of the common methods for solving the problem of harvesting energy from low frequency environments is frequency up-conversion mechanism is which low frequency vibrations are converted to high frequency ones. In this research, at first, a design for rotary piezoelectric frequency up-converting energy harvester is presented. In this design, an array of piezoelectric bi-morph cantilever beams is fixed to a base plate in a circular manner in order to reduce the sensitivity of the device to its initial orientation regarding the excitation directions as well as to increase the generated power. A mathematical formulation is developed for the mentioned system in order to investigate the electromechanical behavior of the harvester when is subjected to different types of harmonic excitations. By comparing the generated power of the harvester with eight piezoelectric beams to the same harvester with one piezoelectric beam, it is found that increasing the number of beams can increase the generated power. This increase, however, is more prominent for higher amplitudes of excitations. The effects of out of plane vibrations on the electromechanical behavior of the harvester are investigated numerically. A real model of the proposed design is fabricated in order to demonstrate the applicability of this kind of harvesters for scavenging energy from low-frequency environments. The power output of 0.68 mW is obtained for excitation characteristics of 5.26 ms -2 and 2 Hz. The power density of 0.58 ?W.mm -3 is achieved. With the aim of increasing the overall generated power of the harvester from one side and decreasing the arrangement sensitivity of it from the other side, an alternative design is proposed which, in comparison to the previously presented one, can effectively decrease the overall manufacturing cost of the system. A linearly increasing sweep is conducted in the pendulum rotational speed and its effects on the generated voltage of the harvester are investigated numerically. It is demonstrated that higher angular velocity of the pendulum will not necessarily lead to higher generated voltage. Considering the aforementioned simulations, several peaks are observed in the voltage signal which their locations depend on the number of rotating magnet(s) as well as the natural frequency of the piezoelectric beam. The mentioned locations are accurately predicted by a proposed mathematical formulation. The numerical simulations show that, although the optimum number of rotating magnets generally cannot be found, using an appropriate number of rotating magnets can lead to at least two times higher generated power. In the third part of this research, a so-called assisting part is introduced which can make it easier for the pendulum to reach or pass over the beam tip. The generated power of the harvester with and without such system is compared to each other for different harmonic characteristics. It is shown that at some special cases, such system can increase the generated power to more than ten times. The novelties of the present research are: introducing a new design for the rotary piezoelectric vibration-based energy harvesters capable of harvesting energy from three dimensions, introducing a new idea to increase the generated power of this kind of harvesters in low-frequency environments and, presenting a semi-analytical formulations for large deflection problem of cantilever beams with step changes in geometry and/or material. Key words: Rotational piezoelectric energy harvester, Frequency up-conversion, Low-frequency high -amplitude excitations, Assisting part

: یکی از روش های متداول جهت حل مشکل برداشت انرژی از محیط های فرکانس پایین، تبدیل فرکانس بالا است که در آن ارتعاشات فرکانس پایین به ارتعاشات فرکانس بالا تبدیل می شود. در این رساله در ابتدا یک طرح برای برداشت کننده انرژی ارتعاشی پیزوالکتریک دوار تبدیل فرکانس بالا ارائه می شود. در مدل پیشنهاد شده آرایه ای از تیرهای پیزوالکتریک در یک آرایش شعاعی به خدمت گرفته می شود تا اولاً امکان افزایش مقدار انرژی برداشت شده بیشتر شود و ثانیاً از حساسیت برداشت کننده نسبت به قرارگیری نسبت به راستای تحریک کاسته شود. سپس در ادامه یک مدل ریاضی جهت شبیه سازی رفتار الکترومکانیکی برداشت کننده بسط داده می شود. با انجام شبیه سازی های عددی روی مدل ریاضی مذکور رفتار الکترومکانیکی برداشت کننده در دامنه ها و فرکانس های مختلف تحریک های هارمونیک مورد بررسی قرار می گیرد. جهت نشان دادن تاثیر به کارگیری هشت تیر پیزوالکتریک به جای یک تیر، توان تولیدی از برداشت کننده با هشت تیر پیزوالکتریک با توان مذکور برای یک تیر مقایسه خواهد شد. نتایج به دست آمده نشان دهنده رابطه مستقیم توان تولید شده با افزایش تعداد تیرهای پیزوالکتریک به کارگرفته شده بوده ولی این افزایش عملکرد در حالتی که دامنه تحریک بزرگ تری اعمال شود به مراتب چشم گیرتر است. یکی از خصیصه های مهم مدل پیشنهادی یعنی امکان برداشت انرژِی از ارتعاشات خارج از صفحه، به صورت عددی شبیه سازی خواهد شد. در ادامه یک مدل واقعی براساس مدل پیشنهاد شده ارائه می شود تا اولاً تایید کننده برتری برداشت کننده در حالت ربایشی نسبت به حالت رانشی بوده و ثانیاً امکان برداشت انرژی در فرکانس های پایین را که توسط مدل ریاضی پیش بینی می شود به نمایش بگذارد. از این مدل، مقدار انرژی 68/0 میلی وات در فرکانس 2 هرتز و دامنه شتاب 26/5 متربرمجذور ثانیه استحصال شد. چگالی توان تولید شده برای شرایط مذکور 58/0 میکرووات بر میلی متر مکعب است. در بخش دوم از تحقیق حاضر با معرفی یک ساختار دیگر، امکان افزایش انرژی برداشتی از یک سو و کاهش حساسیت برداشت کننده نسبت به راستای تحریک خارجی از سوی دیگر مجددا مورد بررسی قرار می گیرد. تفاوت اساسی مدل پیشنهادی این بخش با مدل بخش قبل کاهش قابل ملاحظه هزینه ساخت است. در طی چند شبیه سازی سرعت زاویه ای به صورت خطی افزایش داده می شود تا اثر آن روی ولتاژ حاصل از تیر پیزوالکتریک مشخص بررسی شود. نشان داده می شود که سرعت های زاویه ای بالاتر لزوما منجر به تولید ولتاژ الکتریکی بیشتر در تیرهای پیزوالکتریک نمی شود. در سیگنال های مذکور چندین قله اتفاق می افتد که موقعیت آن ها وابسته به تعداد آهن رباها و هم چنین فرکانس طبیعی تیر پیزوالکتریک است. یک رابطه ریاضی ارائه می شود که می تواند با دقت بالایی موقعیت قله های مذکور را تخمین بزند. نشان داده می شود که تعیین تعداد بهینه آهن رباهای دوار که منجر به بیشترین توان تولیدی از یک تحریک مشخص خواهد شد در حالت کلی امکان پذیر نیست. اما می توان ادعا کرد که با استفاده از تعداد مناسبی از آهن رباهای دوار (شش، هفت و یا هشت عدد) توان تولید شده را می توان تا حداقل دو برابر افزایش داد. در بخش سوم تحقیق، استفاده از یک جفت آهن ربای اضافی تحت عنوان سیستم کمکی پیشنهاد می شود که سبب راحتی در نزدیکی پاندول به نوک تیر و حتی عبور از روی نوک آن می شود. توان تولید شده از برداشت کننده در حضور و عدم حضور سیستم کمکی برای دامنه و فرکانس های مختلف تحریک های هارمونیک تعیین شده و با هم مقایسه می گردند. نشان داده می شود سیستم کمکی در بسیاری از فرکانس ها و دامنه های تحریک هارمونیک توانایی افزایش انرژی استحصالی از برداشت کننده را داراست. از جمله نو آوری های تحقیق حاضر می توان به ارائه یک طرح جدید برای برداشت کننده های انرژی ارتعاشی دوار پیزوالکتریک با قابلیت برداشت انرژی در سه بعد (ارتعاشات در صفحه و خارج از صفحه)، ارائه یک ایده جدید جهت افزایش کارایی عملکردی برداشت کننده های پیزوالکتریک دوار در فرکانس های پایین و ارائه یک حل شبه تحلیلی برای تعیین مقدار جایجایی عرضی یک تیر یک سر درگیر تحت بار متمرکز در نوک آن و تحت جابجایی های زیاد اشاره نمود. کلمات کلیدی: برداشت کننده انرژی پیزوالکتریک دوار، تبدیل فرکانس بالا، تحریک های محیطی فرکانس پایین و دامنه بالا، سیستم کمکی