بهینه‌سازی شکل یک تیر تک لایه پیزوالکتریک برداشت کننده انرژی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد / سازه‌های هوایی، دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی

2 عضو هیات علمی / دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

3 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

با رشد روزافزون تکنولوژی و جمعیت، نیاز بشر به منابع انرژی مدام در حال افزایش است. منابع انرژی تجدیدپذیر بهترین گزینه برای تامین این نیازها هستند. استفاده از مواد پیزوالکتریک برای تبدیل ارتعاشات محیط به انرژی الکتریکی یکی از راه کارهای موجود است. در مقاله حاضر، بهینه‌سازی از نوع شکل برای تیر یکسر گیردار بایمورف صورت پذیرفته است. فرض شده است که این تیر تحت تحریک پایه هارمونیک قرار دارد. در این مقاله سیستم برداشت انرژی به همراه مدار الکتریکی در نرم‌افزار کامسول شبیه‌سازی شده است. در این نرم‌افزار شتابی به صورت هارمونیک و با فرکانس‌های مختلف به تکیه‌گاه تیر وارد می­شود و در هر فرکانس تحریک، ولتاژ و جریان و توان الکتریکی سیستم بدست می‌آید و سپس سعی بر این بوده است که با تغییرات طول، عرض و نسبت ضخامت توان بیشتری حاصل شود. هدف این مقاله، به دست آوردن حالت بهینه‌تر برای ساختمان تیر جهت به دست آوردن توان بیشتر است. این امر معمولا از طریق روش‌های بهینه‌سازی صورت می‌گیرد. از بین چهار روش بهینه‌سازی که مورد مطالعه قرار گرفته روش بهینه‌سازی محدود توسط تقریب درجه دوم بهینه‌تر و هزینه محاسباتی کمتری ارائه می‌نماید. در این تحقیق روش‌های مختلف بهینه‌سازی همگی مرتبه صفر می‌باشند که فقط از مقدار تابع هدف استفاده می‌کنند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Shape optimization of a unimorph piezoelectric energy harvesting beam

نویسندگان [English]

  • Majid Arvan 1
  • Mojtaba Farrokh 2
  • Saied Irani 3
1 MSc. Student, Aerospace Structures. Eng., K .N .Toosi University of Technology
2 Assistant Professor, Aerospace Structures. Eng., K .N .Toosi University of Technology
3 Associate Professor, Aerospace Structures. Eng., K .N .Toosi University of Technology
چکیده [English]

With the growth of technology and population, the human need for energy is constantly increasing. Renewable energy sources are the best option to supply this. In this regard, the use of piezoelectric materials to convert environmental vibrations into electrical energy as an energy source for electrically powered electronic components is one of the available options. In the present paper, the shape of a unimorph piezoelectric actuator has been optimized. It is assumed that this beam is triggered by a harmonic base. In this paper, the energy harvesting system, along with its electrical circuit, is simulated in Comsol software. In this software, frequency responses of the voltage, current, and electrical power of the system are obtained and power sensitivity analysis has been performed in regard to the shape parameters of the beam. The goal of this paper is to obtain a more optimal state for the beam shape in order to gain more power. This is usually done through optimization methods. In this research, the adopted optimization techniques are all zero-order, which use only the value of the objective function.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy Harvesting
  • Piezoelectric
  • Electrical power
  • Optimization
  • Electrical resistor
[1] S. Priya & D. J. Inman , Energy Harvesting Technologies, Springer Science, 2009.
[2] Williams, C.B. and Yates, R.B., Analysis of a Micro-electric Generator for Microsystems, Sensors and Actuators A, 52, pp. 8-11 ,1996.
[3] Rupesh Patel, Modeling, Analysis and optimization of contilever piezoelectric energy harvesters, The University of Nottingham, 2012.
[4] IEEE Standard on piezoelectricity, ANSI/IEEE Std 176-1987, pp. 0-1, 1988.
[5] Ebrahimi F (2013) piezoelectric materials and devices: apllications in engineering and medical sciences. CRC Press.
[6] Umeda, M. Nakamura, K., “Analysis of the Transformation of Mechanical Impact Energy to Electric Energy Using Piezoelectric Vibrator”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 35, No. 5S, pp. 3267, 1996.
[7] J. Ajitsaria, S. Y. Choe, Modeling and analysis of a bimorph piezoelectric cantilever beam for voltage generation, Smart Materials and Strctures, Vol. 16,No. 2,pp. 447,2007.
[8] A. Erturk, D. J. Inman, An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations, Smart Materials and Strctures, Vol. 18,No. 2,pp.025009, 2009.
[9] A. Erturk, D. J. Inman, On Mechanical Modeling of  Cantilevered Piezoelectric Vibration Energy Harvesters, Journal of intelligent Material  Systems and Strctures, Vol. 19,No. 11,pp.1311-1325, 2008.
[10] N.H. Diyana Nordin,  Asan G.A. Muthalif, Optimal Piezoelectric Beam Shape for single and broadband vibration energy harvesting, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 14, No. 12,pp.417-426, 2015.
[11] Patel R, McWilliam S, Popov A (2011) a geometric parameter study of piezoelectric coverage on a rectangular cantilever energy harvester. Smart Material and Strcture 20(8): 085004.
[12] Roundy S., Wright P. K, a piezoelectric vibration based generator for wireless electronics, Smart Material and Strcture, Vol. 13,pp.1131-1142, 2004.
[13] Shu Y. C., Lien I. C., Analysis of power output for piezoelectric energy harvesting system, Smart Material and Strcture, Vol. 15,pp.1499-1512, 2006.
[14] K. Jahani, M. Asgharzadeh, Energy Harvesting Investigation From Unimorph Trapezoidal Beam Vibrations Using Distibuted Parameters Method, journal mechanic modares, Vol.14,No.2,pp.96-102,2014.
[15] A. Kianpoor, K. Jahani, Investigating the Effects of Geometrical Parameters on the Performance of Piezoelectric Energy Harvesters Under Harmonic base Vibration Using Analytical, Magazine Engineering Mechanic , Vol.75,No.66,pp. 111-123,2015.
[16] F. Azarikam, M. Sadr, Energy Harvesting System from     Enviromental Vibrations with Piezoelectric Materials, 16th conference International  Association of Aerospace Iran.
[17] M. Pashna,M. Farrokh ,S. Irani, A comparison between finite element and separation of variables method in investigating frequency behavior of Bimorph piezoelectric beam, 16th conference International Association of Aerospace Iran.
[18]  M R Pearson, M J Eaton, R Pullin “Energy Harvesting for Aerospace Strctural Health Monitoring Systems. Journal of Physics: Conference Series 382  Jul 2012.
[19] Rao SS (2007) Vibration of continuous systems. John Wiley & Sons.
[20] Rios LM, Sahinidis NV, “Derivative-free optimization: a review of algorithms and comparison of software implementations. Journal of Global Optimization”Vol. 56, No.3, pp. 1247-93. Jul 2013.
[21]Optimization module user’s guide, www.comsol.com/patents, 2018.
[22] Powell, M. J. D. (June 2009). Least Frobenius norm Updating of quadratic models that satisfy interpolation conditions, Mathematical Programming Springer. 183-215.
[23] WH. Teukolsky, SA. Verreling, WT. Flannery, (2007). Section 10.5. Downhill Simplex Method
in Multi Dimensions, Computing (3re ed). New York. Cambridge University Press.