Skip to main content
SUPERVISOR
Reza Tikkani,Hamidreza Mirdamadi
رضا تیکنی (استاد مشاور) سیدحمیدرضا میردامادی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Iman Fattahi Neisiani
ایمان فتاحی نیسیانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Improving Configuration of Piezoelectric Energy Harvesters
Piezoelectric energy harvesters (EHs) are designed to operate at resonance in order to have the most electric power harvested. Three challenges have been confronted by these EHs: (1) low output power scavenged from low frequency vibrations, (2) limited effectiveness of harvesting mechanism in a narrow band, and (3) being unidirectional. To overcome these challenges, in this thesis a novel space frame EH is proposed. A formulation is derived to calculate the responses of such a harvester to base accelerations based on the finite element method. The natural frequencies of the space frame harvester and its corresponding cantilevered one are calculated according to the novel formulation. The correspondence is based on their lengths, total masses, and fundamental frequencies. The results are in good agreement with the values obtained from the ABAQUS software. It is demonstrated that this novel multimodal EH has 11 natural frequencies less than 500Hz whereas the cantilevered beam has only 3 natural frequencies in that range. Furthermore, the space frame EH can be designed to be suitable for excitations with low frequencies as well as excitations in different directions. Finally, the electric responses of both harvesters such as output voltages, currents, RMS powers, open and short circuit natural frequencies, and optimal resistive loads are obtained. The internal volume of the novel harvester and the surfaces of the tip mass can be utilized for the interface electrical circuit and other electronic components. Other advantage of such a harvester is offering a larger area to attach piezoelectric layers. Furthermore, both free and clamped ends of the space frame undergo large amounts of strain in contrast with the conventional cantilevered beam which has large strains only in the clamped end. The dimensions of substructure, piezoelectric layers, and end mass, the total volume of the space frame and the position of piezoelectric layers can be used as design parameters for a desirable EH. Keywords: Energy harvesting, Piezoelectric, Wideband, Multimodal, low frequency, multidirectional, The finite element method, Space frame, Unsymmetrical cross section, Surface to volume ratio
برداشت کننده های پیزوالکتریکی به گونه ای طراحی می شوند که جهت تولید بیشترین میزان توان الکتریکی در تشدید کار کنند. سه چالش عمده برای این برداشت کننده ها وجود دارد: (1) کم بودن توان الکتریکی تولید شده در فرکانس های برانگیزش پایین، (2) محدود بودن کارایی برداشت کننده به یک باند یاریک اطراف فرکانس تشدید، و (3) تک جهته بودن. به منظور غلبه بر این چالش ها، در این پژوهش یک برداشت کننده ی انرژی جدید به صورت قاب فضایی پیشنهاد شده است. یک فرمول بندی بر اساس روش اجزای محدود برای محاسبه ی پاسخ های چنین برداشت کننده ای به برانگیزش شتاب پایه ارایه شده است. فرکانس های طبیعی برداشت کننده ی قاب فضایی و برداشت کننده ی تیر یک سرگیردار متناظر با آن با کاربرد فرمول بندی جدید محاسبه شده اند. این تناظر بر پایه ی طول، جرم کل، و فرکانس های مبنا می باشد. نتایج به دست آمده دارای تطابق خوبی با نتایج نرم افزار آباکوس می باشند. نشان داده شده است که برداشت کننده ی چندمودی جدید، 11 فرکانس طبیعی کمتر از 500 دارد در حالی که تیر یک سرگیردار متناظر با آن تنها دارای 3 فرکانس طبیعی در آن گستره می باشد. افزون بر این، برداشت کننده ی قاب فضایی می تواند به گونه ای طراحی شود که برای برانگیزش های با فرکانس پایین و برانگیزش در جهت های گوناگون مناسب باشد. در پایان، پاسخ های الکتریکی هر دو برداشت کننده مانند ولتاژ، جریان و توان خروجی، فرکانس های طبیعی اتصال کوتاه و مدار باز، و مقاومت الکتریکی بهینه به دست آمده اند. حجم داخلی برداشت کننده ی جدید و سطح های جرم انتهایی آن می توانند برای مدار الکتریکی واسط و قطعات الکترونیکی دیگر به کار روند. مزیت دیگر این برداشت کننده، در اختیار قرار دادن سطح بیشتر جهت چسباندن لایه های پیزوالکتریک می باشد. به علاوه، هر دو انتهای آزاد و گیردار قاب فضایی دست خوش کرنش های بزرگ می شود بر خلاف تیر یک سرگیردار که تنها در انتهای گیردار کرنش بزرگ دارد. ابعاد سازه ی زیرین، لایه های پیزوالکتریک، و جرم انتهایی، حجم کلی قاب فضایی، و نیز محل چسباندن لایه های پیزوالکتریک می توانند به عنوان پارامترهای طراحی جهت رسیدن به برداشت کننده ی انرژی مطلوب به کار روند. کلمه های کلیدی: برداشت انرژی، پیزوالکتریک، پهنای باند، حساسیت، چندجهته، اجزای محدود، چند مودی، قاب فضایی، سطح مقطع نامتقارن، نسبت سطح به حجم

ارتقاء امنیت وب با وف بومی