طراحی و تحلیل یک ژنراتور بادی پیزوالکتریک با ساختار اگزتیک به کمک روش اجزای محدود
محورهای موضوعی : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکیمرتضی سعدی 1 , حسام مکوندی 2 * , علی اکبر عظمتی 3
1 - گروه مهندسي مکاترونیک، واحد آبادان، دانشگاه آزاد اسلامي، آبادان، ايران
2 - گروه مهندسی مکانیک، واحد آبادان،دانشگاه آزاد اسلامی،آبادان، ایران
3 - هیئت علمی - استادیار
کلید واژه: ژنراتور بادی, پیزوالکتریک, ساختار آگزتیک, افزایش توان,
چکیده مقاله :
با بهبود مستمر فناوری مدارهای مجتمع و فناوری سیستم‌های الکترومکانیکی میکرو/نانو، توسعه دستگاه‌های ژنراتور کوچک به یک روند اجتناب‌ناپذیر در توسعه سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی تبدیل شده است. از آنجا که حجم دستگاه های الکترونیکی به طور مداوم کاهش می یابند، در نتیجه آن می توان با استفاده از ژنراتورهای پیزوالکتریک انرژی باد، انرژی مورد نیاز ریزدستگاه ها را به راحتی تامین نمود. در این پژوهش ضمن تحلیل رفتار مبدل های پیزوالکتریک به کمک نرم-افزار اجزاء محدود آباکوس، با استفاده از ساختارهای آگزتیک روشی به منظور افزایش توان استحصال شده از ژنراتورهای بادی نیز ارایه گردیده است. به این منظور سه نوع ساختار اگزتیک متفاوت مورد استفاده قرار گرفته و تاثیر جنس و ضخامت لایه آگزتیک بر رفتار سازه مورد تحلیل قرار گرفته است. بررسی نتایج بدست آمده نشان دهنده افزایش قابل قبول در ولتاژ خروجی لایه پیزوالکتریک با استفاده از ساختارهای آگزتیک می باشد به نحوی که با استفاده از این نوع ساختار افزایش 100 درصدی در خروجی قابل دستیابی است. همچنین افزایش چشمگیری در پتانسیل الکتریکی بدست آمده به کمک ساختارهای آگزتیک با شکل مشابه از جنس فولاد نسبت به ساختارهای آلومینیومی مشاهده گردید که این مسئله موید تاثیر شکل هندسی و جنس این ساختارها بر توان خروجی ژنراتور می باشد.
With the continuous improvement of integrated circuit technology and micro/nano electromechanical system technology, the development of small generator devices has become an inevitable trend in the development of microelectromechanical systems. Since the volume of electronic devices will be smaller and smaller on a daily basis, the demand for energy will be smaller and smaller, as a result, the energy needed by micro-devices can be easily supplied by using wind energy piezoelectric generators. In this research, while analyzing the behavior of piezoelectric transducers with the help of Abaqus finite element software, a method to increase the power extracted from wind generators has also been presented using auxetic structures. For this purpose, three different types of auxetic structures have been used and the effect of the type and thickness of the auxetic layer on the behavior of the structure has been analyzed. Examining the obtained results shows an acceptable increase in the output voltage of the piezoelectric layer by using auxetic structures, so that a 100% increase in output can be achieved by using this type of structure. Also, a drastic increase in the electric potential obtained with the help of similar-shaped auxetic structures made of steel compared to aluminum structures was observed, which confirms the effect of the geometric shape and material of these structures on the output power of the generator.
[1] Priya, S., Chen, C.T., Fye, D., Zahnd, J., (2005) Piezoelectric Windmill: A Novel Solution to Remote Sensing. Japanese Journal of Applied Physics , 44, L104.
[2] Yang, Y., Shen, Q., Jin, J., Wang, Y., Qian, W., Yuan, D., (2014) Rotational Piezoelectric Wind Energy Harvesting Using Impact-Induced Resonance. Applied Physics Letters , 105, 053901.
[3] Xu, G.J. (2017) Research on Piezoelectric Harvesting Technology from Environment. Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing.
[4] Luo, Z.S. (2018) Design and Research of a New Piezoelectric Wind Energy Collector. Electronic University of Science & Technology of Hangzhou, Hangzhou.
[5] Zhang, Z., Chai, J., Wu, Y., Wang, S., Kan, X., Tang, H., Kan, J., (2023), A rotational energy harvester utilizing an asymmetrically deformed piezoelectric transducer subjected only to unidirectional compressive stress, Energy Reports, 9, 657–668.
[6] Karimzadeh, A., Roohi, R., Akbari, M., (2023), Piezoelectric wind energy harvesting from vortexinduced vibrations of an elastic beam, Scientia Iranica, Transactions B: Mechanical Engineering, 30(1), 77-89.
[7] Mazar, H., Rzine, B., Bahsine, S., Radouani, M., Elfahime,B., El Gadari, M., (2022), modeling and simulation of piezoelectric generator with indirect contact excited by vortex-induced vibration, E3S Web of Conferences 336, 00047
[8] Silva, A.G.P., Sobrinho, J.M.B., Souto, C.D.R., Ries, A., de Castro, A.C., (2021), Design, modelling and experimental analysis of a piezoelectric wind energy generator for low-power applications, Sensors and Actuators A: Physical, 317, 112462.