برداشت انرژي ارتعاشي با استفاده از تير يك سردرگير با دولايه پيزوالكتريك

Vibration Energy Harvesting Using Bimorph Piezoelectric Cantilever

هم‌اكنون برداشت انرژي ارتعاشي با ماده پيزوالكتريك مي‌تواند بيش از 300 ميكرووات بر سانتيمتر مربع توان توليد كند و اين امر موجب شده تا اين روش، به يكي از روش‌هاي مناسب برداشت انرژي براي تأمين توان وسايل الكترونيكي با توان كم مطرح گردد. يكي از مشكلات مهم در تيرهاي برداشت كننده انرژي با دو لايه پيزوالكتريك، توليد حداكثر توان با كمترين وزن مي‌باشد. در اين مقاله اثر شكل و هندسه تير يك‌سردرگير با دو لايه پيزوالكتريك بر كارايي الكترومكانيكي سيستم مورد بررسي قرار مي‌گيرد. يك مدل تحليلي با استفاده از تقريب‌هاي تير رايلي-ريتز براي برداشت‌كننده‌هاي پيزوالكتريكي داراي دو لايه پيزوالكتريك با هندسه مخروطي ارائه شده است. براي مطالعه اثر تغييرات طول و هندسه تير يك‌سردرگير بر ولتاژ توليدي، شبيه‌سازي با استفاده از نرم‌افزارهاي MATLAB و ABAQUS انجام شده است. بهينه‌سازي طراحي براي رسيدن به حداكثر خروجي انجام شده و مشاهده مي‌گردد كه تيرهاي مخروطي مثلثي منجر به توزيع يكنواخت‌تر كرنش در لايه پيزوالكتريك شده و لذا موجب افزايش كارايي مي‌شوند.

Vibration energy harvesting with piezoelectric material can currently generate up to 300 microwatts per cubic centimeter, making it a viable method of powering low-power electronics. A problem in piezoelectric unimorph energy harvesting is to generate the most power with limits in system mass. This paper studies the effect of a piezoelectric bimorph cantilever beam harvester shape on its electromechanical performance. A semi-analytical mechanical model was developed using Rayleigh–Ritz approximations for piezoelectric energy harvester with tapered bimorph cantilever beam. A coupled field simulation model for the harvester is constructed using MATLAB and ABAQUS software to study the effect of varying the length and shape of the cantilever beam to the generated voltage and verification study is performed. Design optimization on the shape of the harvester is done to maximize output power. It is shown that tapered beams lead to a more uniform strain distribution across the piezoelectric material and increase the harvesting performance.