Ґенерація енергії в консольному збірнику енергії
| العنوان: | Ґенерація енергії в консольному збірнику енергії |
|---|---|
| المصدر: | Strength of Materials and Theory of Structures; No. 108 (2022); 337-348 Опір матеріалів і теорія споруд; № 108 (2022); 337-348 |
| بيانات النشر: | Kyiv National University of Construction and Architecture, 2022. |
| سنة النشر: | 2022 |
| مصطلحات موضوعية: | energy harvesting, різниця потенціалів на обкладках, пасивний шар, потужність збірника енергії, ґенерація енергії, збір енергії, power of the energy collector, passive layer, cantilever energy harvester, piezoceramic overlay, potential difference on the plates, energy generation, п’єзокерамічна накладка, консольний збірник енергії, вимушені коливання, forced oscillations |
| الوصف: | Energy harvesting of mechanical vibrations and their conversion into electrical energy using piezoelectric devices has become widespread. This has been made possible by the creation of high-energy piezoelectric materials and the proliferation of miniature devices with a few milliwatts of power. In this work, the oscillations of the rod cantilever bimorph energy harvester under harmonic loads are investigated. A two-layer rod consisting of a brass base and a rectangular piezoelectric element with electroded flat surfaces without and with tip mass is considered. The thickness of the layers is much less than the width and the width is much less than the length, which allows us to use the hypothesis of flat sections and assumptions of the potential difference linearity by thickness of the element, as well as beams bending relations. There is derived the characteristic equation for beam bending oscillations, the wave numbers, circular frequencies and natural frequencies are determined. There is carried out The averaging of material characteristics over the cross-sectional area. Eigenforms of oscillations are constructed, the dependence of natural frequencies from body size and tip mass is analyzed. The next step is to study the forced oscillations of the energy harvesters with tip mass at the end at given oscillations of the base. The equation of the elastic line of the console is formed, the maximum deflections and angles of rotation are determined. The voltage generated on the piezo element plates is determined taking into account the electrical resistance. Due to the voltage and resistance of the conduct line the power of the energy harvester is determined. Curves of voltage and power dependence from load frequency and external resistance are constructed. It is established that the voltage and power of the element change in proportion to R. The maximum power of the energy collector occurs in the vicinity of resonances, and before the first resonance the power is almost zero. Between the first and second resonance, the power is approximately 1,5 mW. During the transition to the ultrasonic zone, the power of the energy collector increases significantly.Analysis of the harvester operation at resonant frequencies requires consideration of the damping of oscillations in the material. Збір енергії механічних коливань та перетворення їх в електричну енергію за допомогою пристроїв, що працюють наоснові п’єзоефекту, набув широкого поширення. Це стало можливим завдяки створенню п’єзоелектричних матеріалів з високим коефіцієнтом перетворення енергії та поширенню мініатюрних пристроїв, для живлення яких достатньо потужності в кілька міліват. В цій роботі досліджуються коливання стержневого консольного уніморфного збірника енергії при гармонічних навантаженнях. Розглядається двошаровий стержень, що складається з латунної основи та прямокутного п’єзоелектричного елемента з електродованими плоскими поверхнями без маси та з приєднаною масою. Товщина шарів значно менша за ширину, а ширина значно менша за довжину, що дає змогу використовувати гіпотезу плоских перерізів та припущення про лінійність розподілу різниці потенціалів по товщині елементу, а також використовувати співвідношення згину довгих стержнів. В роботі виводиться характеристичне рівняння для стержня при згині, визначаються хвильові числа, кругові частоти та власні частоти для консолі. Проводиться усереднення матеріальних характеристик по площі перерізу. Будуються власні форми коливань, проводиться аналіз залежності власних частот від розмірів тіла та приєднаної маси. Досліджуються вимушені коливання збірника енергії з масою на кінці при заданих коливаннях бази. Формується рівняння пружної лінії консолі, визначаються максимальні прогини та кути повороту. Визначається згенерована на обкладках п’єзоелемента напруга з врахуванням опору зовнішнього кола. Через напругу та опір провідної лінії знаходиться потужність збірника енергії. Будуються криві залежності напруги та потужності від частоти навантаження та зовнішнього опору. Встановлено, що напруга і потужність елемента змінюються пропорційно до R. Максимальна потужність збірника енергії виникає в околі резонансів, а до першого резонансу потужність практично нульова. Між першим і другим резонансом потужність складає приблизно 1,5mW. При переході в ультразвукову зону потужність збірника енергії значно зростає. Аналіз роботи перетворювача на резонансних частотах вимагає врахування демпфування коливань в матеріалі. |
| وصف الملف: | application/pdf |
| اللغة: | English |
| تدمد: | 2410-2547 |
| DOI: | 10.32347/2410-2547.2022.108 |
| URL الوصول: | https://explore.openaire.eu/search/publication?articleId=scientific_p::7e512dbd21a21844059bd409acbb7272 http://omtc.knuba.edu.ua/article/view/259147 |
| Rights: | OPEN |
| رقم الانضمام: | edsair.scientific.p..7e512dbd21a21844059bd409acbb7272 |
| قاعدة البيانات: | OpenAIRE |
| تدمد: | 24102547 |
|---|---|
| DOI: | 10.32347/2410-2547.2022.108 |