بررسی بازدهی برداشت انرژی ارتعاشی تیر پیزوالکتریک با استفاده از روش اجزای محدود

در این مقاله، طراحی و مدل‌سازی عددی برداشت انرژی توسط تیر یکسرگیردار پیزوالکتریک با استفاده از روش اجزای محدود به کمک نرم‌افزار multiphysics comsol انجام شده‌ا‌ست. با مدل‌سازی تیر برداشت کننده انرژی و اعمال شرایط مرزی تکیه‌گاه، خواص ماده، مش‌بندی تیر و اعمال تحریک هارمونیک به پایه گیردار، جابجایی تیر به جریان و ولتاژ وابسته به آن تبدیل می‌شود. در مدل‌سازی و شبیه‌سازی‌های انجام گرفته برای بلوک تیر از ماده آلومینیوم و برای بلوک پیزوالکتریک از ماده سلولوزی eapap استفاده شده‌است. شکل مد ارتعاشات و فرکانس‌های طبیعی برای تیر پیزوالکتریک به‌دست آمده و تاثیر چیدمان لایه‌ها در مدار معادل در بهره‌گیری از برداشت انرژی الکتریکی بررسی شده‌است. همچنین، صحت‌سنجی و مقایسه نتایج به‌دست آمده از روش المان محدود با نتایج روش تجربی انجام شده‌است. نشان داده شده‌است که در فرکانس تحریک معادل با فرکانس طبیعی تیر با تقسیم کردن عرض تیر به دو و سه نوار با چیدمان به صورت موازی و یا سری در مدار الکتریکی معادل، ظرفیت برداشت بیشینه انرژی الکتریکی نسبت به مدل تیر تک نواره افزایش می‌یابد.

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

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.