بررسي بازدهي برداشت انرژي ارتعاشي تير پيزوالكتريك با استفاده از روش اجزاي محدود

An investigation on vibration energy harvesting efficiency of a piezoelectric beam using finite element method

در اين مقاله، طراحي و مدل‌سازي عددي برداشت انرژي توسط تير يكسرگيردار پيزوالكتريك با استفاده از روش اجزاي محدود به كمك نرم‌افزار Multiphysics Comsol انجام شده‌ا‌ست. با مدل‌سازي تير برداشت كننده انرژي و اعمال شرايط مرزي تكيه‌گاه، خواص ماده، مش‌بندي تير و اعمال تحريك هارمونيك به پايه گيردار، جابجايي تير به جريان و ولتاژ وابسته به آن تبديل مي‌شود. در مدل‌سازي و شبيه‌سازي‌هاي انجام گرفته براي بلوك تير از ماده آلومينيوم و براي بلوك پيزوالكتريك از ماده سلولوزي EAPap استفاده شده‌است. شكل مد ارتعاشات و فركانس‌هاي طبيعي براي تير پيزوالكتريك به‌دست آمده و تاثير چيدمان لايه‌ها در مدار معادل در بهره‌گيري از برداشت انرژي الكتريكي بررسي شده‌است. همچنين، صحت‌سنجي و مقايسه نتايج به‌دست آمده از روش المان محدود با نتايج روش تجربي انجام شده‌است. نشان داده شده‌است كه در فركانس تحريك معادل با فركانس طبيعي تير با تقسيم كردن عرض تير به دو و سه نوار با چيدمان به صورت موازي و يا سري در مدار الكتريكي معادل، ظرفيت برداشت بيشينه انرژي الكتريكي نسبت به مدل تير تك نواره افزايش مي‌يابد.

In this paper, design and numerical simulation of an energy harvester piezoelectric cantilever beam has been investigated using Comsol multiphysics finite element software. Modelling the piezoelectric cantilever beam and applying end support boundary condition, material property, meshing the beam and harmonic excitation of the clamped support, deflection of the beam yeilds to the electrical current and voltage, respectively. In the modelling and simulations for the beam and piezoelectric blocks, the aluminum and EAPap materials have been considered, respectively. The mode shapes and natural frequencies of vibration for the piezoelectric beam have been extracted and the effect of different type of piezoelectric block arrangement to obtain electrical energy harvesting has been investigated. Also, the outcome FE results have been validated and compared with experimental data reported in the literature. It is shown that in excitation frequency condition equals to the natural frequency of the beam when the beam width divided in either two or three strips with serie/parallel type of arrangement in an equivalent electrical circuit, the energy harvesting capacity of the beam increases in comparison to the beam with the one strip.