تأثیر بار مقاومتی روی دینامیک آشوبناک یک برداشت‌کننده انرژی پیزوالکتریک غیرخطی با متوقف‌کننده‌های الاستیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران

2 گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

چکیده

اخیراً، تبدیل انرژی ارتعاشات محیط به انرژی الکتریکی مفید توسط برداشت‌کننده‌ها، توجه زیادی را به خود جلب کرده است که ناشی از کاربرد آن در خودتوان نمودن حسگرهای بدون سیم است. برداشت‌کننده‌های انرژی پیزوالکتریک معمولاً با متوقف‌کننده‌های الاستیک مجهز می‌شوند تا هنگامی که سازه در حال ارتعاش، در معرض بیشبارهای ناگهانی قرار می‌گیرد، از آسیب به لایه پیزوالکتریک جلوگیری نمایند. هرچند، متوقف‌کننده‌های الاستیک نیروهای تکه‌ای غیرخطی را ایجاد می‌کنند که منجر به پاسخ ولتاژ نامنظم سیستم می‌شوند. بنابراین در این مقاله، بار مقاومتی به عنوان پارامتر کنترلی برای افزایش محدوده پاسخ ولتاژ پریودیک و اجتناب از وقوع پاسخ نامنظم یک برداشت‌کننده انرژی ارتعاشی پیزوالکتریک دو جهته با متوقف‌کننده‌های الاستیک، استفاده شده است. معادلات الکترومکانیکال حاکم استخراج گردیده و با روش رانج – کوتا حل شده‌اند. پاسخ دینامیک غیرخطی با استفاده از نمودار دوشاخگی، صفحه فاز، نمودار طیف توان و نقشه پوانکاره تحلیل شده است. برای اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی، آزمایش‌هایی نیز انجام شده است. رفتارهای غیرخطی متنوعی از جمله پاسخ‌های چندپریودیک و آشوبناک مشاهده شده است که تحت تاثیر بار مقاومتی قرار دارند. همچنین نتایج نشان داد که مقادیر بالاتر بار مقاومتی می‌تواند منجر به محدوده گسترده‌تری از پاسخ‌های پریودیک سیستم شود. نتایج این مطالعه می‌تواند راهکارهایی را برای بهینه‌سازی پارامترهای سیستم مطابق با شرایط ارتعاشی محیط‌های مختلف ارائه نماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Resistive Load Effect on Chaotic Dynamic of a Nonlinear Piezoelectric Energy Harvester with Elastic Stoppers

نویسندگان [English]

  • Reza Ebrahimi 1
  • Mahdi Ghasemi-Varnamkhasti 2
1 Department of Mechanical Engineering, Yasouj University, Yasouj, Iran
2 Department of Mechanical Engineering of Biosystem, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
چکیده [English]

Recently, converting ambient vibrational energy into useful electric energy through energy harvesters has been attracted worldwide attention due to its application in realizing self-powered operation of wireless sensors. Piezoelectric energy harvesters are usually equipped with elastic stoppers to prevent damage to the piezoelectric layer when the oscillating structure is attacked by sudden overloads. However, elastic stoppers cause nonlinear piecewise forces, which can lead to irregular voltage response of the system. So, in this paper, the resistive load is used as the control parameter to increase range of periodic voltage and avoid the appearance of irregular response of a bi-directional piezoelectric vibration energy harvester with the elastic stoppers. The governing electromechanical equations are extracted and solved by the Runge–Kutta method. The nonlinear dynamic response is analyzed using bifurcation plot, phase plane, power spectrum plot and Poincaré map. In order to validate simulation results, experiments have been carried out. Various nonlinear behaviors such as multi periodic and chaotic responses are observed, which are affected by the resistive load. Also, the results show that a higher value of resistive load can lead to a wider range of periodic responses of the system. The results of this study can provide a methodology to optimize system parameters according to vibration conditions of different environments.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Piezoelectric
  • Bi-directional Energy Harvesting
  • Vibrational Test
  • Chaos
  • Elastic Stoppers

مراجع

[1] E. Kabir, P. Kumar, S. Kumar, A. A. Adelodun, K. H. Kim, Solar energy: Potential and future prospects, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82(1) (2018) 894-900.
[2] J. M. McCarthy, S. Watkins, A. Deivasigamani, S. J. John, Fluttering energy harvesters in the wind: A review, Journal of Sound and Vibration, 361 (2016) 355-377.
[3] W. H. Chen, Y. X. Lin, X. D. Wang, Y. L. Lin, A comprehensive analysis of the performance of thermoelectric generators with constant and variable properties, Applied Energy, 241 (2019) 11-24.
[4] M. Piñuela, P. D. Mitcheson, S. Lucyszyn, Ambient RF energy harvesting in urban and semi-urban environments, IEEE transactions on microwave theory and techniques, 61(7) (2013) 2715-2726.
[5] C. Wei, X. Jing, A comprehensive review on vibration energy harvesting: Modelling and realization, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 74 (2017) 1-18.
[6] D. A. Wang, K. H. Chang, Electromagnetic energy harvesting from flow induced vibration, Microelectronics Journal, 41 (2010) 356-364.
[7] R. Ebrahimi, S. Ziaei-Rad, Design, modelling and experimental verification of a tunable electromagnetic generator for multi-directional vibration energy harvesting, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 46(3) (2024) 117.
[8] F. U. Khan, M. U. Qadir, State-of-the-art in vibration-based electrostatic energy harvesting, Journal of Micromechanics and Microengineering, 26 (2016) 103001.
[9] R. T. Aljadiri, L. Y. Taha, P. Ivey, Electrostatic energy harvesting systems: A better understanding of their sustainability, Journal of Clean Energy Technologies, 5(5) (2017) 409-416.
[10]       C. A. Howells, Piezoelectric energy harvesting, Energy Conversion and Management, Vol. 50, No. 7, (2009) 1847-1850.
[11]       N. Sezer, M. Koç, A comprehensive review on the state-of-the-art of piezoelectric energy harvesting, Nano Energy, 80 (2021) 105567.
[12]       S. C. Stanton, C. C. McGehee, B. P. Mann, Nonlinear dynamics for broadband energy harvesting: Investigation of a bistable piezoelectric inertial generator, Physica D: Nonlinear Phenomena, 239(10) (2010) 640-653.
[13]       M. I. Friswell, S. F. Ali, O. Bilgen, S. Adhikari, A. W. Lees, A. G. Litak, Non-linear piezoelectric vibration energy harvesting from a vertical cantilever beam with tip mass, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 23(13) (2012) 1505-1521.
[14]       G. Litak, M. I. Friswell, S. Adhikari, Regular and chaotic vibration in a piezoelectric energy harvester, Meccanica, 51 (2016) 1017-1025.
[15]       Y. Uzun, E. Kurt, The effect of periodic magnetic force on a piezoelectric energy harvester, Sensors and Actuators A: Physical, 192 (2013) 58-68.
[16]       M. A. Halim, S. Khym, J. Y. Park, Impact based frequency increased piezoelectric vibration energy harvester for human motion related environments, 8th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, (2013) 949-952.
[17]       K. Q. Fan, F. B. Chao, J. G. Zhang, W. D. Wang, X. H. Che, Design and experimental verification of a bi-directional nonlinear piezoelectric energy harvester, Energy conversion and management, 86 (2014) 561-567.
[18]       T. Sato, H. Igarashi, A chaotic vibration energy harvester using magnetic materia, Smart materials and structures, 24 (2015) 025033.
[19]       M. A. Halim, J. Y Park, Piezoceramic based wideband energy harvester using impact-enhanced dynamic magnifier for low frequency vibration, Ceramics International, 41 (2015) S702-S707.
[20]       X. He, K. S. Teh, S. Li, L. Dong, S. Jiang, Modeling and experimental verification of an impact-based piezoelectric vibration energy harvester with a rolling proof mass, Sensors and Actuators A: Physical, 259 (2017) 171-179.
[21]       L. Zhao, Y. Yang, An impact-based broadband aeroelastic energy harvester for concurrent wind and base vibration energy harvesting, Applied Energy, 212 (2018) 233-243.
[22]       G. Hu, L. Tang, R. Das, P. Marzocca, A two-degree-of-freedom piezoelectric energy harvester with stoppers for achieving enhanced performance, International Journal of Mechanical Sciences, 149 (2018) 500-507.
[23]       J. Zhang, L. Qin, A tunable frequency up-conversion wideband piezoelectric vibration energy harvester for low-frequency variable environment using a novel impact-and rope-driven hybrid mechanism, Applied Energy, 240 (2019) 26-34.
[24]       C. Wei, K. Zhang, C. Hu, Y. Wang, H. Taghavifar, X. Jing, A tunable nonlinear vibrational energy harvesting system with scissor-like structure, Mechanical Systems and Signal Processing, 125 (2019) 202-214.
[25]       M. Li, X. Jing, Novel tunable broadband piezoelectric harvesters for ultralow-frequency bridge vibration energy harvesting, Applied Energy, 255 (2019) 113829.
[26]       T. Todorov, S. Valchev, F. Moll, N. Nikolov, R. Nikolov, Combined Piezoelectric vibroimpact energy harvester with improved performance, 1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency, (2019) 650-655.
[27]       D. X. Cao, W. Xia, X. Y. Guo, S. K Lai, Modeling and experiment of vibro-impact vibration energy harvester based on a partial interlayer-separated piezoelectric beam, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 32(8) (2021) 817-831.
[28]       W. Chen, J. Mo, J. Zhao, H. Ouyang, A two-degree-of-freedom pendulum-based piezoelectric-triboelectric hybrid energy harvester with vibro-impact and bistable mechanism, Energy, 304 (2024) 132143.
[29]       D. X. Cao, C. H. Zhan, X. Y. Guo, M. H. Yao, An Impact-Driven Enhanced Tuning Fork for Low-Frequency Ambient Vibration Energy Harvesting: Modeling, Simulation, and Experiment, Journal of Vibration Engineering & Technologies, 12 (2024) 5073-5088.
[30]       A. Erturk, D. J. Inman, Piezoelectric energy harvesting, Hoboken: John Wiley & Sons, 2011.
[31]       A. Erturk, D. J. Inman, A distributed parameter electromechanical model for cantilevered piezoelectric energy harvesters, Journal of Vibration and Acoustic, 130 (2008) 041002.
[32]       S. Timoshenko, D. H. Young, Elements of Strength of Materials, New York: Van Nostrand Reinhold, 1968.
[33]       L. Meirovitch, Principles and techniques of vibrations, New Jersey: Prentice-Hall, 1997.
[34]       N. G. Elvin, A. A. Elvin, The flutter response of a piezoelectrically damped cantilever pipe, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 20(16) (2009) 2017-2026.
[35]       A. Erturk, Electromechanical modeling of piezoelectric energy harvesters, Phd Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, 2009.
[36]       G. M. Jenkins, D. G. Watt, Spectral analysis and its applications, Michigan: Holden-Day, 1969.
[37]       F. C. Moon, Chaotic vibration, an introduction for applied scientists and engineers, New Jersey: John Wiley, 2004.
[38]       Y. Chen, Bifurcation and chaos in engineering, Springer, 1998.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 57، شماره 2
1404
صفحه 125-146

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار