Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Reza Tikkani
سعید ضیائی راد (استاد راهنما) رضا تیکنی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Leila Torfenezhad
لیلا طرفه نژاد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
Today, with development of technology and reduction of natural energy sources, it is more than ever necessary to recycle lost energy in nature. On the other hand, the increased need for portable and lightweight electronic devices cause to replace battery in these devices with another energy source. Using battery in the electronic devices like wireless sensors, medical-electronic equipment and tire pressure control systems cause some problems like high weight, periodic replacement and also environmental pollution. An idea for solving these problems, is harvesting environmental wasted energy and conversing it to electrical energy. The aim of this study is designing and constructing a system to harvest wasted mechanical energy in human body movements and convert it to electrical power. For this purpose, one of the simplest piezoelectric energy harvesters composed of a cantilever beam with piezoelectric layers on two sides of the beam was analytically studied. The electormechanical relations for its motion under base excitation was extracted. For using energy harverster systems in optimaized conditions, researchers have tried to expand the frequency bandwith in recent years. To solve the challenge of increasing the frequency bandwidth and improve the performance of the harvester a nonlinear piezoelectric energy harvester composed of a cantilever beam with piezoelectric layers and two curved shape supports was designed. First superiority of the proposed system to a linear one was shown. In the next step, some tests were performed to obtain the acceleration of walking at an approximate speed of 4 km/h and the acceleration signals were recorded. Since the fundamental frequency of measured signal was concentrated in the frequencies below 15 Hz, a linear harvester with a first natural frequency of less than 15 Hz was designed. Then using this linear system, a nonlinear energy harvester composed of curved supports was designed. This nonlinear energy harvester was optimized for geometry of curved supports and electrical resistivity to harvest the maximum energy at approximate speed of 4 km/h. After constructing the optimized nonlinear system, the energy harvester was tested under the base excitation at the acceleration of 7 m/s 2 , 10 m/s 2 and 12 m/s 2 by a shaker. The results were validated with the results of the finite element modeling in Ansys. Finally to measure the energy harvesting from walking, the constructed energy harvester was connected to a person’s leg and an accelerometer was attached to the other leg. Energy harvesting from the system was measured for 7 speeds using treadmill and the average leg acceleration and the output voltage were recorded for each test. The results of these tests in the speed of 4 km/h was in a good correlation with the results of finite element modeling at this speed. Keywords: Piezoelectric effect, energy harvesting, piezoelectric layer, piezoelectric patch, base excitation
امروزه با گسترش فناوری و کاهش منابع انرژی طبیعی، بیش از پیش نیاز به بازیافت‌کردن انرژی‌های تلف‌شده در طبیعت است. از طرفی افزایش نیاز به وسایل الکترونیکی قابل‌حمل و سبک‌وزن، نیاز به جایگزینی یک منبع انرژی دیگر با باتری، برای تامین انرژی این وسایل را ایجاد کرده‌است. استفاده از باتری در این گونه وسایل که شامل حسگرهای بدون سیم، وسایل الکترونیکی-پزشکی به‌کار‌رفته در بدن، سیستم‌های حسگر کنترل فشار تایر و غیره می‌شود، علاوه بر ایجاد محدودیت‌هایی مانند وزن زیاد و تعویض دوره‌ای سبب آلودگی محیط نیز می‌شود. یکی از ایده‌هایی که می‌تواند مشکلات مذکور را حل کند، برداشت انرژی‌های موجود در محیط و تبدیل آن ها به انرژی الکتریکی مورد نیاز است. هدف این پژوهش طراحی و ساخت یک سیستم برداشت انرژی برای برداشت انرژی مکانیکی تلف‌شده در حرکت‌های بدن انسان و تبدیل آن به انرژی الکتریکی است. برای این منظور ابتدا یکی از ساده‌ترین مدل‌های برداشت انرژی پیزوالکتریک خطی که شامل یک تیر ساده یک‌سرگیردار و لایه‌های پیزوالکتریک در دو طرف تیر می‌شود، به صورت تحلیلی مطالعه شد و روابط الکترومکانیکی مربوط به آن تحت تحریک پایه استخراج گردید. سپس با توجه به چالش افزایش پهنای باند انرژی در سیستم‌های برداشت انرژی پیزوالکتریک، یک مدل برداشت انرژی پیزوالکتریک غیرخطی که شامل یک تیر یکسرگیردار همراه با لایه‌های پیزوالکتریک و تکیه‌گاه‌های منحنی‌شکل می‌شود، جهت برطرف‌سازی این چالش و ارتقای کیفیت برداشت انرژی، طراحی و عملکرد آن با سیستم برداشت انرژی پیزوالکتریک خطی مقایسه و برتری آن نسبت به این سیستم‌ها نشان داده شد. در مرحله بعدی آزمایش‌های لازم برای به‌دست‌آوردن شتاب حاصل از راه‌رفتن در سرعت تقریبی 4 کیلومتریرساعت انجام شد و سیگنال شتاب به‌دست‌آمد. با توجه به این که انرژی این سیگنال در فرکانس‌های زیر 15 هرتز متمرکز بود، ابتدا به وسیله سعی‌وخطا و تغییر ابعاد و پارامترهای مربوط به سیستم خطی برداشت انرژی پیزوالکتریک که قبلا طراحی شد، سیستمی با فرکانس طبیعی اول زیر 15 هرتز طراحی گردید. سپس با استفاده از این سیستم، یک سیستم برداشت انرژی غیرخطی که شامل تکیه‌گاه‌های منحنی‌شکل می‌شود، طراحی شد. این سیستم از نظر هندسه تکیه‌گاه‌های منحنی‌شکل و مقاومت الکتریکی، برای برداشت ماکزیمم انرژی در سرعت تقریبی 4 کیلومتر بر ساعت بهینه‌سازی شد. در مرحله بعد به جزئیات ساخت سیستم برداشت انرژی پیزوالکتریک غیرخطی بهینه‌سازی‌شده پرداخته شد. پس از ساخت، برداشت انرژی از این سیستم برای سه تحریک پایه با شتاب‌های 7، 10 و 12 متربرمجذورثانیه، توسط لرزاننده آزمایش شد و نتایج آن با نتایج مدل‌سازی این شتاب‌ها در نرم‌افزار المان‌محدود انسیس، مقایسه و اعتبارسنجی شد. برای انجام آزمایش‌های برداشت انرژی از راه‌رفتن، ابتدا سیستم برداشت انرژی غیرخطی و یک شتاب‌سنج قابل‌حمل، بر روی ناحیه ساق پا نصب شد. سپس با استفاده از دستگاه تردمیل، راه‌رفتن برای 7 سرعت متفاوت انجام شد، که در هر آزمایش متوسط شتاب حرکت ساق پا و ولتاژ موثر مشخص گردید. در نهایت، نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش در سرعت 4 کیلومتربرساعت، با نتایج حاصل از تحلیل المان‌محدود در همین سرعت، مقایسه و اعتبارسنجی شد. کلمات کلیدی: اثر پیزوالکتریک، برداشت انرژی، لایه پیزوالکتریک، وصله پیزوالکتریک، تحریک پایه

ارتقاء امنیت وب با وف بومی