طراحی و تحلیل یک ژنراتور بادی پیزوالکتریک با ساختار اگزتیک به کمک روش اجزای محدود

الموضوعات : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکی

مرتضی سعدی ¹ (گروه مهندسي مکاترونیک، واحد آبادان، دانشگاه آزاد اسلامي، آبادان، ايران)
حسام مکوندی ² (گروه مهندسی مکانیک، واحد آبادان،دانشگاه آزاد اسلامی،آبادان، ایران)
علی اکبر عظمتی ³ (هیئت علمی - استادیار)

تاريخ الإرسال : 11 الأحد , ذو القعدة, 1445 تاريخ التأكيد : 02 الإثنين , محرم, 1446 تاريخ الإصدار : 14 الثلاثاء , شوال, 1445

الکلمات المفتاحية: ژنراتور بادی, پیزوالکتریک, ساختار آگزتیک, افزایش توان,

ملخص المقالة :

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.

المصادر:

[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.

نص كامل:



	12
نشریه علمی - تخصصی یافته­های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم­های مکانیکی		سال چهارم: شماره 1، بهار 1403  │

 

طراحی و تحلیل یک ژنراتور بادی پیزوالکتریک با ساختار اگزتیک به کمک روش اجزاء محدود

 

مرتضی سعدی1، حسام مکوندی 1* ، علی اکبر عظمتی1

 

1. گروه مهندسي مکاترونیک، واحد آبادان، دانشگاه آزاد اسلامي، آبادان، ايران 

 

* نویسنده مسئول: [e-mail]

تاریخ دریافت: 30/02/1403       تاریخ پذیرش: 18/04/1403

چکیده

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 دستگاه­های الکترونیکی به طور مداوم کاهش می­یابند، در نتیجه آن می­توان با استفاده از ژنراتورهای پیزوالکتریک انرژی باد، انرژی مورد نیاز ریزدستگاه­ها را به راحتی تامین نمود. در این پژوهش ضمن تحلیل رفتار مبدل­های پیزوالکتریک به کمک نرم­افزار اجزاء محدود آباکوس، با استفاده از ساختارهای آگزتیک¹ 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 نشان­دهنده افزایش قابل قبول در ولتاژ خروجی لایه پیزوالکتریک با استفاده از ساختارهای آگزتیک می­باشد 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 می­باشد.

 

کلمات کلیدی: ژنراتور بادی، پیزوالکتریک، ساختار آگزتیک، افزایش توان

 

مقدمه

امروزه امنیت انرژی و نگرانی­های زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت­های فسیلی، توجه جهانی را به منابع انرژی­های پایدار و تجدیدپذیر جلب کرده است. طیف گسترده­ای از فرآیندها و تکنیک­ها برای استفاده از انرژی­های جدید مورد مطالعه و توسعه قرار گرفته­اند. انرژی محیط به عنوان یک منبع انرژی در دسترس و قابل برداشت، پتانسیل بالایی برای تولید برق برای تامین انرژی دستگاه­های الکترونیکی دارد. مواد پیزوالکتریک به عنوان یکی از مکانیسم‌های شناخته شده جمع‌آوری انرژی، نقش مهمی در تبدیل انرژی محیط به انرژی الکتریکی دارند، به‌ویژه در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک مانند دستگاه‌های اندازه‌گیری در محیط‌های دور یا متخاصم که باتری‌ها گزینه قابل قبولی نیستند. به همین دلیل، برداشت­کننده انرژی پیزوالکتریک می­تواند به بهینه­سازی وزن سازه­ها و تامین پایدار انرژی آن­ها کمک کند. 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. همانگونه که پیشتر اشاره شد، حجم دستگاه­های الکترونیکی به طور روزانه کمتر و کمتر خواهد شد. فلذا تقاضا برای انرژی کمتر و کمتر خواهد شد. از آنجاکه با توسعه فناوری میکروالکترونیک، مصرف برق کمتر و کمتر می­شود، می­توان با استفاده از ژنراتورهای پیزوالکتریک انرژی باد، ریزدستگاه­ها را تامین نمود.

پریا[1] یک ژنراتور پیزوالکتریک از نوع آسیاب بادی طراحی کرد. در طرح او دوازده تیر دو شکلی پیزوالکتریک به طور مساوی در اطراف لوله استوانه­ای حول محور افقی آسیاب بادی چیده شده­اند و یک صفحه متحرک نیز بر روی محور مجهز شده است. هنگامی که ژنراتور کار می­کرد، تیغه توسط باد به چرخش در می­آمد و گشتاور تولید شده از طریق مکانیسم بادامک و جرم معلق به محور آسیاب بادی منتقل می­شد تا مضراب و تیرهای دو شکل پیزوالکتریک را به ارتعاش درآورد و بار الکتریکی تولید کند. راندمان تبدیل انرژی ژنراتور 18٪ بود در حالی­که در ژنراتورهای مشابه تنها 1٪ بود. یانگ و همکاران[2] یک ژنراتور آسیاب بادی پیزوالکتریک از نوع ضربه­ای را پیشنهاد نمود. هنگامی که ژنراتور کار می­کند، تیرهای بیمورف پیزوالکتریک به توپ فولادی با حرکت آزاد برخورد کرده و برق تولید می­نماید. هنگامی که از 10 تیر بیمورف پیزوالکتریک و 7 توپ فولادی استفاده شد، 613 میکرووات الکتریسیته می تواند با سرعت 200 دور بر دقیقه و مقاومت مشابه 20 کیلو اهم تولید شود. ژو[3] و لو[4] ژنراتور پیزوالکتریک با فنجان باد را برای بهبود بازده جذب انرژی باد پیشنهاد نمودند. در حالی­که ژنراتور در حال کار باشد، چوب با فنجان­های باد می­چرخد تا لرزاننده­های پیزوالکتریک تحریک شوند. نتایج نشان داد که سرعت آستانه باد حدود 3 متر بر ثانیه و مقاومت بهینه تیرهای یکسر گیردار پیزوالکتریک مستطیلی یا ذوزنقه­ای به ترتیب 25 کیلو اهم با توان خروجی متناظر 11/0 میلی­وات و 13/0 میلی­وات بود. ژانگ و همکاران[5] برای بهبود قابلیت اطمینان و پهنای باند موثر برداشت‌کننده‌های انرژی پیزوالکتریک چرخشی، یک برداشت‌کننده انرژی دورانی جدید با استفاده از مبدل پیزوالکتریک تغییر شکل نامتقارن برانگیخته‌شده توسط نیروی جاذبه مغناطیسی را ارایه نمودند. بر خلاف برداشت‌کننده‌های انرژی پیزوالکتریک چرخشی­های قبلی که عناصر پیزوالکتریک کرنش دو طرفه متقارن را تجربه کردند، مبدل پیزوالکتریک ارایه شده تنها در معرض کرنش فشاری یک طرفه قرار گرفت. آنها به این روش بهترین استفاده را از ویژگی‌های تغییر شکل ویبراتورهای PZT در جایی که تنش فشاری مجاز آنها بسیار بیشتر از تنش کششی مجاز بود، انجام و از این طریق احتمال آسیب ویبراتورهای PZT تحت بارهای سنگین غیرمنتظره را کاهش دادند. کریم­زاده و همکاران[6] عملکرد یک برداشت کننده انرژی باد پیزوالکتریک مبتنی بر سیلندر متصل به یک تیر الاستیک را به صورت عددی شبیه‌سازی نمودند، که درآن باد عمود بر محور تیر باعث ایجاد نیروی آیرودینامیکی نوسانی بر نوک تیر می­گردید. آنها به منظور بررسی تاثیرات این نیرو، تیر و لایه پیزوالکتریک به عنوان اجسام پیوسته الاستیک مدل‌سازی نمودند و معادلات حاکم بر لایه‌های جامد و پیزوالکتریک را استخراج کردند. همچنین ایشان به منظور تخمین نیروی بالابر ناشی از ریزش گردابی در پایین دست سیلندر از معادله نوسان­ساز واندرپل اصلاح شده استفاده نمودند. مزار و همکاران[7] با توجه به دشواری ارایه یک مدل تحلیلی دقیق که بتواند دقیقا رفتار ژنراتور پیزوالکتریک از جمله تعامل غیرمستقیم با جریان هوا را توصیف کند، بر تحقیقات تجربی برای به دست آوردن نتایج برداشت‌کننده‌های انرژی از برداشت‌کننده‌های انرژی بادی پیزوالکتریک با تماس غیرمستقیم متمرکز شدند. آنها یک مدل تحلیلی که می‌تواند نتایج خوبی را با توجه به آزمایشات تجربی نشان دهد، ارایه نمودند. نتایج به‌دست‌آمده مربوط به جابجایی مبدل پیزوالکتریک است که به طور غیرمستقیم توسط یک ارتعاش ناشی از گرداب و ولتاژ تولید شده با توجه به جرم متفاوت پوسته استوانه‌ای برانگیخته می‌شود. نتایج عددی مدل مطابقت قابل‌توجهی با نتایج تجربی نشان می‌دهد. علاوه بر این، مقدار جرم بهینه مبدل پیزوالکتریک تقریبا توسط مدل تحلیلی پیشنهادی تعیین شد. سیلوا و همکاران[8] یک نوع ژنراتور پیزوالکتریک انرژی باد بدون تماس را طراحی نمودند که به راحتی مونتاژ می­شود و در مقایسه با سایر دستگاه­ها، چگالی انرژی بالایی را برای کاربردهای توان کم فراهم می­نمود. ایشان به بررسی عملکرد پارامترهای مختلفی که بر تولید انرژی تاثیر می‌گذارند، از طریق مدل‌ها و نمونه‌های اولیه پرداختند.

با توجه به بررسی پیشینه پژوهش­های انجام شده مشاهده می­گردد، که در راستای بهبود عملکرد ژنراتورهای پیزوالکتریک بادی و به منظور افزایش توان خروجی این نوع از ژنراتورها با استفاده از ساختارهای آگزتیک، تحقیقات خاصی صورت نگرفته است.

 مدل­سازی اجزاء محدود

اولین گام در استفاده از نرم­افزارهاي اجزاء محدود، ایجاد مدل هندسي است. اين نرم­افزارها کم و بيش از امکاناتی جهت مدل سازی هندسی برخوردارند. اما براي مدل­هاي پيچيده به ناچار بايد از نرم­افزارهاي مدل­سازي که دارای قابليت­هاي زيادي براي مدل­سازي مي­باشند، بهره گرفت و از خروجي­هاي آن در نرم­افزارهاي اجزاء محدود استفاده نمود. مدل هندسي دربرگيرنده شکل ظاهري مسئله است، لذا اجزاء مدل هندسی باید به گونه­اي باشند که بتوان بهترین مدل اجزاء محدود را با استفاده از مدل هندسي ساخت. در شکل (1) نمونه­ای از ژنراتور در نظر گرفته شده نمایش داده شده است. در اين پژوهش، به منظور ساخت مدل هندسی از نرم افزارهای سالیدورکز استفاده شده است. بدين­منظور، با استفاده از ابعاد ارایه شده در جدول (1) مدل­های هندسی مشابه شکل (2) ساخته می­شود. پس از آن مدل­های هندسي جهت ایجاد مدل اجزاء محدود و تحلیل به نرم­افزار آباکوس ارسال مي­گردد. با توجه به شکل (1) مشاهده می­شود که ساختار تیرهای در نظر گرفته شده از یک سو تحت بارکششی بوده و از سوی دیگر در تکیه گاه ثابت قرار دارند.

 

شکل 1: ساختار ژنراتور بررسی شده

 

 

شکل 2: ساختارهای آگزتیک متفاوت بررسی شده و پارامترهای مربوطه: (الف) آگزتیک 1 (ب) آگزتیک 2 (ج) آگزتیک 3

پس از ايجاد مدل هندسي متناسب با شکل ظاهري مسئله، با المان­بندي مدل و تعريف خواص مواد موجود در مسئله مطابق جدول (2) و اعمال شرايط مرزي و بارگذاري بر مدل، مدل اجزاء محدود از يک مسئله ايجاد مي­شود. در بحث المان­بندي بر روي مدل، روش متداول بدين­صورت است که الماني براي مدل انتخاب مي­شود که بتوان با کمک آن رفتار مدل فيزيکي را توجيه کرد. لذا ابتدا بايستي نسبت به رفتار مدل آشنايي داشت. شناخت المان­ها نقش تعيين­کننده­اي در راستاي استحصال جواب­هاي صحيح و قابل اطمينان دارد. در نرم­افزار آباکوس المان هاي متنوعي براي تحليل­هاي متفاوت وجود دارد. در اين پژوهش، با توجه به اصول ذکر شده ، المان­هاي C3D20R و C3D20RE مورد استفاده قرار گرفته­اند.

 

جدول 1: ابعاد هندسی ساختارهای آگزتیک ارایه شده در شکل 2

قطعه	پارامتر	اندازه	واحد
وصله پیزوالکتریک	طول Lp	25	میلی­متر
	عرض Wp	25	میلی­متر
تیر	طول	95	میلی­متر
	عرض	25	میلی­متر
	ضخامت Al	7/0	میلی­متر
	ضخامت St	0/7	میلی­متر
ساختار آگزتیک 1	طول Lp	25	میلی­متر
	عرض Wp	25	میلی­متر
	t1	2	میلی­متر
	c	11	میلی­متر
	شعاع فیلت	5/0	میلی­متر
	زاویه سل	39	درجه
ساختار آگزتیک 2	طول Lp	25	میلی­متر
	عرض Wp	25	میلی­متر
	t1	5/4	میلی­متر
	t2	5/5	میلی­متر
	شعاع فیلت	6/0	میلی­متر
	زاویه سل 1	35	درجه
	زاویه سل2	43	درجه
ساختار آگزتیک 3	طول Lp	25	میلی­متر
	عرض Wp	25	میلی­متر
	t1	2	میلی­متر
	t2	5/1	میلی­متر
	t3	1	میلی­متر
	t4	9/0	میلی­متر
	C	10	میلی­متر
	شعاع فیلت	5/0	میلی­متر
	زاویه سل 1	57	درجه

شکل (3) مدل­های هندسی پایه­های ساخته شده در نرم­افزار سالیدورکز را نمایش می­دهد. در این پژوهش یک ساختار ساده مشابه شکل (3-الف) و سه ساختار آگزتیک با هندسه متفاوت برای بررسی تاثیر تغییر شکل­های آگزتیک بر رفتار صفحه پیزوالکتریک در نظر گرفته شده است.

جدول 2: خواص مواد

ماده	خاصیت	مقدار	واحد
آلومینیوم	چگالی	2700	Kg/m3
	ضریب پواسون	33/0	-
	مدول الاستیسیته	1/69	GPa
فولاد	چگالی	7850	Kg/m3
	ضریب پواسون	3/0	-
	مدول الاستیسیته	200	GPa
PZT-5h	چگالی	7500	Kg/m3
	E1	61/60	GPa
	E2	31/48	GPa
	E3	61/60	GPa
	ν12	512/0	-
	ν13	289/0	-
	ν23	408/0	-
	G12	23	GPa
	G13	5/23	GPa
	G23	23	GPa
	d14	741	m/volt
	d21	274-	m/volt
	d22	593	m/volt
	d23	274-	m/volt
	d36	741	m/volt
	D11	10-8×505/1	Farad/m
	D22	10-8×301/1	Farad/m
	D33	10-8×505/1	Farad/m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نتایج

یکی از مهم­ترین گام­های حل مسائل به کمک روش اجزاء محدود، بررسی همگرایی نتایج بدست آمده می­باشد. در ادامه نتایج بدست آمده برای مدلی که با استفاده از ساختار اگزتیک1 ساخته شده است ارایه می­گردد. به منظور بررسی همگرایی نتایج حاصل توزیع تنش ون مایزز در صفحه پیزو الکتریک متصل به ساختار آگزتیک مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان داد که با استفاده از 2500 المان می­توان به نتایج قابل قبولی دست یافت. نمودار همگرایی نتایج به ازای حداکثر تنش ون مایزز در شکل (4) نمایش داده شده است. همچنین توزیع تنش به ازای مقادیر مختلف المان استفاده شده در شکل (5) ارایه گردیده است.

(الف) تیر ساده	(ب) آگزتیک 1
(ج) آگزتیک 2	(د) آگزتیک 3

شکل 3: مدل­های هندسی تیرهای ساخته شده در نرم افزار سالیدورکز

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 4: همگرایی نتایج بدست آمده به ازای مقادیر متفاوت المان­های پیزوالکتریک

361 المان

961 المان 196 المان

2500 المان

 

شکل 5: توزیع تنش به ازای مقادیر مختلف المان­های پیزوالکتریک

برای هر 4 ساختار ارایه شده در شکل (3) بررسی همگرایی انجام گرفته است و نتایج ارایه شده در ادامه بر این اساس می­باشند. در ادامه در شکل (6) توزیع تنش برای صفحه پیزوالکتریک در هر چهار حالت فوق الذکر ارایه گردیده است.

با بررسی تصاویر ارایه شده در شکل (6) مشاهده می­شود که در حالاتی که از پایه­های آگزتیک استفاده شده است. میزان حداکثر تنش القا شده در صفحه پیزوالکتریک نسبت به پایه ساده بشدت افزایش می­یابد. میزان این افزایش برای ساختار آگزتیک1، آگزتیک 2 و آگزتیک 3، به ترتیب 214%، 586% و 401% می باشد که ناشی از افزایش تغییر شکل ورق پیزوالکتریک در اثر خاصیت اگزتیک ساختار می باشد. در ادامه شکل (7) پتانسیل الکتریکی القا شده در صفحه را نمایش می­دهد.

(الف) تیر ساده	(ب) آگزتیک 1
(ج) آگزتیک 2	(د) آگزتیک 3

شکل 6: توزیع تنش در صفحات پیزوالکتریک

(د) آگزتیک 3

بررسی توزیع پتانسیل الکتریکی القا شده بر صفحات پیزوالکتریک بیان کننده افزایش پتانسیل الکتریکی القا شده در صفحات با استفاده از ساختارهای آگزتیک می باشد. بطوری­که ساختار آگزتیک 1 موجب افزایش 63/%87 و ساختار آگزتیک 3 موجب افزایش 50/61% پتانسیل الکتریکی القا شده در سازه می­گردند. همچنین مشخص گردید که ساختار آگزتیک 2 با افزایش 62/100% پتانسیل الکتریکی القا شده، بیشترین افزایش را در پتانسیل الکتریکی موجب می­گردد و لذا در استفاده از این نوع ساختار، کارآیی بیشتری مورد انتظار است. در شکل (7) چگونگی توزیع بردارهای شار الکتریکی در صفحات پیزوالکتریک نمایش داده شده است.

(الف) پایه ساده	(ب) آگزتیک 1
(ج) آگزتیک 2

شکل 7: چگونگی توزیع بردارهای شار الکتریکی در صفحات پیزوالکتریک

        

در ادامه به منظور بررسی تاثیر جنس ماده سازنده پایه بر پتانسیل الکتریکی و تنش القا شده در صفحات پیزوالکتریک، نتایج برای پایه­هایی با ابعاد و هندسه مشابه از جنس فولاد ارایه می­گردد. در شکل(8) توزیع تنش برای صفحه پیزوالکتریک در چهارحالت قبل با استفاده از پایه فولادی ارایه گردیده است.

(الف) تیر ساده	(ب) آگزتیک 1
(ج) آگزتیک 2 (د) آگزتیک 3 شکل 8: توزیع تنش در صفحات پیزوالکتریک با پایه فولادی

 

 

با بررسی تصاویر ارایه شده در شکل (8) مشاهده می­شود که در حالاتی که از پایه­های آگزتیک استفاده شده است میزان حداکثر تنش القا شده در صفحه پیزوالکتریک نسبت به پایه ساده بشدت افزایش می­یابد. میزان این افزایش برای ساختار آگزتیک1، آگزتیک 2 و آگزتیک 3، به ترتیب 23/180%، 77/237% و 233% می­باشد که ناشی از افزایش تغییر شکل ورق پیزوالکتریک در اثر خاصیت اگزتیک ساختار می­باشد اما مشاهده می­شود که این میزان افزایش در مقایسه با آلومینیوم بسیار کمتر است.

(الف) پایه ساده

(ب) آگزتیک 1

بررسی توزیع پتانسیل الکتریکی القا شده بر صفحات پیزوالکتریک، نشان­دهنده افزایش پتانسیل الکتریکی القا شده در صفحات با استفاده از ساختارهای آگزتیک می­باشد. به­طوری­که ساختار آگزتیک 1 موجب افزایش 60/183% و ساختار آگزتیک 3 موجب افزایش 03/218% پتانسیل الکتریکی القا شده در سازه می­گردند. همچنین مشخص گردید که ساختار آگزتیک 2 با افزایش 57/265% پتانسیل الکتریکی القا شده، بیشترین افزایش را در پتانسیل الکتریکی موجب می­گردد و لذا در استفاده از این نوع ساختار، کارآیی بیشتری مورد انتظار است. در شکل (9) چگونگی توزیع بردارهای شار الکتریکی در صفحات پیزوالکتریک نمایش داده شده است.

(د) آگزتیک 3 (ج) آگزتیک 2          شکل 9: چگونگی توزیع بردارهای شار الکتریکی در صفحات پیزوالکتریک بر روی پایه های فولادی

نتیجه گیری

در این پژوهش روشی به منظور مدل­سازی تاثیر ساختارهای آگزتیک بر عملکرد صفحات پیزوالکتریک به کمک روش اجزاء محدود ارایه شده است. برای حل مدل ساخته شده، ابتدا مدل به کمک روش اجزاء محدود گسسته شده و پاسخ به ازای ورودی­های متفاوت محاسبه شده است. پس از اطمینان از صحت عمل مدل، نتایج به ازای ساختارهای آگزتیک متفاوت و جنس­های مختلف تیر استفاده شده بررسی گردید. بررسی نتایج نشان داد که ساختارهای آگزتیک موجب افزایش پتانسیل الکتریکی القا شده در سازه می­گردند. میزان این افزایش ساختار آگزتیک 2 با افزایش 62/%100 پتانسیل الکتریکی القا شده، بیشترین افزایش در پتانسیل الکتریکی القا شده می­باشد. همچنین مشاهده گردید که استفاده از فولاد در ساختار تیر پایه موجب افزایش بیشتر پتانسیل الکتریکی نسبت به حالت مورد استفاده از آلومینیوم می­گردد.

مراجع

[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(1L), 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(5).

[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, pp 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), pp 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. In E3S Web of Conferences (Vol. 336, p. 00047). EDP Science

[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, p 112462.

---

[1]  Auxetic