برداشت انرژي از ارتعاشات پل تحت عبور جرم هاي متوالي با استفاده از مواد پيزوالكتريك

Piezoelectric energy harvesting from bridge vibrations under moving consecutive masses

برداشت انرژي الكتريكي از مواد پيزوالكتريك غالباً براي تجهيزات الكترونيكي با توان كم استفاده مي‌گردد. تأمين توان موردنياز حسگر‌هاي بي‌سيم مورد استفاده در سلامت‌سنجي پل‌ها و ديگر شالوده‌هاي عمراني از جمله كاربردهاي مهم برداشت‌كننده‌هاي انرژي است. در اين پژوهش برداشت انرژي از ارتعاشات پل تحت عبور جرم‌هاي متوالي بررسي شده است. برداشت انرژي به كمك تير يك‌سرگيردار با وصله پيزوالكتريك نصب شده بر روي نقطه مياني پل دو سرمفصل صورت پذيرفته است. روابط حاكم بر ارتعاشات پل تحت عبور جرم‌هاي متوالي با فرض تير اويلربرنولي استخراج شده است. اثرات نيروهاي اينرسي، كوريوليس و گريز از مركز در استخراج روابط درنظر گرفته شده است. همچنين برداشت كننده انرژي به‌صورت تير يك‌سرگيردار با وصله پيزوالكتريك تحت ارتعاشات پايه ناشي از جابجايي پل مدل‌سازي شده است. روابط حاصل به كمك نرم‌افزار متلب با استفاده از روش رونگه‌كوتاي مرتبه چهار حل شده و جابجايي پل و ولتاژ توليدي در وصله پيزوالكتريك به‌دست آمده است. در نهايت، ولتاژ توليدي حاصل از مدل‌سازي تئوري مسأله با نتايج حاصل از آزمايش تجربي براي سرعت‌هاي مختلف جرم‌هاي عبوري مقايسه گرديده است. مقايسه انجام شده حاكي از دقت مناسب مدل‌سازي انجام شده در مسأله حاضر است.

Harvesting energy by piezoelectric materials is nowadays an efficient way for powering lowpower electric devices. Required energy for sensors which are used in condition and health monitoring of bridges and other civil infrastructures can be examples of the energy harvesters. This study aimed to improve the piezoelectricbased energy harvesting on civil infrastructures, especially on bridge structures. In this investigation, harvesting energy from the vibrations of a bridge under moving consecutivemasses is studied. Harvesting energy iscarried out through a cantilever beam with piezoelectric patch which is installed atthe middle of a simply supported bridge. Governing equations for vibration of an EulerBernoulli beam under moving consecutivemasses arederived. The effects of inertial, centrifugal and coriolis forces areconsidered. For verifying, the results of the numerical solution of the moving mass problem are compared to the experimental tests data of the litterature. The harvester is modelled by a cantilever beam with piezoelectric patch under base excitations which are calculated from vibrations of the bridge midpoint. The obtained equations are then solved in MATLAB environment by using the forth order RungeKutta method. The calculated induced voltages are compared with those obtained from experiment. A good degree of accuracy is observed.