اثر كاهش عرض تير يك سردرگير كامپوزيت برداشت كننده انرژي پيزوالكتريك بر توان خروجي: بررسي تجربي و تحليلي

The Width Reduction Effect of a Piezoelectric Energy Harvesting Composite Beam on Output Power: An Experimental and Analytical Study

در اين مقاله از ماده پيزوالكتريك سلولوزي جديدي كه بر روي يك تير يكسرگيردار تعبيه شده، جهت برداشت انرژي از تير استفاده شده و اثر كاهش عرض تير در آن مورد بررسي قرار گرفته است. در كنار آن اتصال سري و موازي لايه‌هاي پيزوالكتريك در نظر گرفته مي­ شود تا برداشت حداكثر توان از پيزوالكتريك‌ها حاصل گردد. ابتدا آزمايش تجربي بر روي يك تير برداشت‌كننده انرژي با عرض ثابت صورت گرفته و جريان، ولتاژ و توان خروجي استخراج شده‌اند. سپس تير مورد نظر از عرض به دو و سه قسمت مساوي تقسيم گشته و به‌صورت سري و موازي به هم متصل شده‌اند و نتايج براي هر يك از حالات به تفكيك مورد بررسي قرار گرفته‌اند. در ادامه به بررسي تحليلي اثر فركانس بر روي كاهش عرض تير پرداخته شده و در نهايت ميزان برداشت انرژي از تير واحد به‌صورت تحليلي نيز مورد بررسي قرار گرفته و خروجي حل تحليلي با نتايج تجربي صحت‌سنجي شده است. در كار تحليلي انجام‌شده براي اولين بار اثر افزودن يك تكه پيزوالكتريك كه بخشي از تير را پوشانده با لحاظ كردن ضخامت لايه پيزوالكتريك در ميزان فركانس طبيعي و توان خروجي لحاظ شده است. نتايج بيانگر اين هستند كه تطابق خوبي بين داده‌هاي تجربي و تحليلي وجود دارد.

In this paper, a novel cellulose piezoelectric material embedded on a cantilever beam is used to harvest energy from the structure and the effect of reducing the width of the beam is investigated. In addition, in order to obtain the maximum output power, the series and parallel connections of the piezoelectric layers are considered. First, an experimental work is carried out on a fixed-width energy scavenger beam, and the current, voltage and output power are extracted. Then the target beam is divided into two and three equal parts and connected in series and parallel, and the results are analyzed for each case separately. Next, an analytical study of the effect of frequency on the width reduction of the beam is considered. For the first time in the analytical work, the effect of adding a piece of piezoelectric layer that covers a part of the cantilever beam is considered in terms of natural frequency and output power. Finally, the amount of energy harvested from the unit beam is analyzed analytically and the analytical solution output is verified with experimental results. The results show that there is a good agreement between the analytical and experimental data.