بررسي تاثير پارامترهاي هندسي بر عملكرد برداشت كننده هاي انرژي پيزوالكتريكي تحت ارتعاشات هارمونيك پايه با استفاده از مدلسازي تحليلي و روش اجزا محدود

Investigating the Effects of Geometrical Parameters on the Performance of Piezoelectric Energy Harvesters under Harmonic Base Vibration Using Analytical and Finite Element Modeling

در اين مقاله، برداشت انرژي الكتريكي از ارتعاشات پايه تير يكسر گيردار مد نظر قرار گرفته است. با توجه به بالا بودن كوپلينگ الكترومكانيكي مواد پيزوالكتريك نسبت به ساير روش­هاي برداشت انرژي از ارتعاشات، ساختار سيستم برداشت كننده انرژي به صورت يك تير سه لايه متشكل از يك لايه فلزي و دو لايه پيزوالكتريك در طرفين آن، به همراه يك جرم اضافه شده در انتهاي آزاد تير در نظر گرفته شده است. برداشت­ كننده انرژي مذكور در نرم­افزار اجزا محدود ANSYS و با بكارگيري تكنيك CPC-FEM مدلسازي شده و چگونگي تأثير پارامترهاي هندسي برداشت­ كننده بر رفتار مكانيكي و الكتريكي آن بررسي شده است. با استفاده از الگوريتم ژنتيك، هندسه بهينه برداشت­ كننده ارائه گرديده و نتايج حاصل از بهينه­ سازي با نتايج روش­هاي تقريبي پيش ­بيني رفتار برداشت­ كننده­ هاي پيزو الكتريكي مورد مقايسه قرار گرفته است نتابج بيانگر تطابق قابل قبول بين روش اجزاء محدود و روش تحليلي مي باشد، ولي دقت روش اجزاء محدود بخاطر استفاده از رابطه تنش- كرنش در كل طول داراي الكترود برداشت كننده، دقيق تر مي ­باشد. برداشت ­كننده انرژي با هندسه بهينه قادر به برداشت توان الكتريكي 4/4 ميلي­وات، ولتاژ 9/3 ولت در فركانس 125 هرتز و مقاومت الكتريكي 10 كيلو­ اهم خواهد بود كه اين ميزان توان و ولتاژ الكتريكي جهت تغذيه شبكه­ هاي سنسوري بي­سيم كفايت مي­ كند.

In this paper, energy harvesting from base vibration of cantilever beam is considered.With taking into account the high electromechanical coupling of piezoelectric materials in comparison to other vibration energy harvesting methods, the considered structure of energy harvester is a three layers beam that consists of one metal substrate layer and two piezoelectric layers at up and down of it and a proof mass at free end.The considered harvester is modeled in ANSYS finite element software using CPC-FEM technique and effects of geometrical parameters of energy harvester on mechanical and electrical behavior of it are investigated. The optimized dimensions of harvester by using genetic algorithm (GA) are presented and the achieved results from CPC-FEM technique are compared with analytical method counterparts. Results indicate that finite element and analytical methods have an acceptable adaptation. But, because of considering the stress strain relation at whole of beam length with electrode, finite element method presents the accurate results. Also, results show that piezoelectric energy harvester can harvest 4.4 mW power and 9.3 Vvoltage at optimum electrical resistance of 10kohm that is sufficient to power sensor nodes and other low consumer electronic equipments.