منوی دسته بندی

هیچ محصولی در سبد خرید نیست.

شبیه‌سازی برداشت انرژی الکتریکی در کامسول

استفاده از پیزوالکتریک در تایر خودرو به منظور برداشت انرژی الکتریکی

امروزه با توجه به معضل کمبود انرژی، استقبال از روش‌های مختلف تولید و برداشت انرژی از منابعی که قبلاً به هیچ عنوان یک منبع برای دریافت انرژی محسوب نمی‌شدند به شدت افزایش یافته است. در همین راستا برداشت انرژی الکتریکی با استفاده از پیزوالکتریک‌ها به شدت مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به خاصیت منحصربفرد این مواد، برداشت انرژی در این روش، می‌تواند از تمام پدیده‌هایی که در آن حرکت مکانیکی وجود دارد رخ دهد.

در این مقاله علاوه بر ارائه‌ی توضیحاتی راجع به مبحث برداشت انرژی و مواد پیزوالکتریک، به نحوه ایجاد یک مدل برداشت انرژی (Energy Harvesting) با پیزوالکتریک در نرم‌افزار کامسول (COMSOL) نیز خواهیم پرداخت.

کاربردهای گسترده برداشت انرژی الکتریکی (Energy Harvesting) از پیزوالکتریک

با توجه به گستردگی پدیده‌هایی که در آن حرکت مکانیکی وجود دارد از بینهایت طریق می‌توان از این روش انرژی تولید کرد. هر کجا حرکتی مستمر وجود داشته باشد پتانسیل بهره‌برداری از آن انرژی جنبشی به منظور تبدیل آن به انرژی الکتریکی وجود دارد. در اینجا به بخشی از ان‌ها اشاره می‌شود.

انواع مختلف برداشت‌کننده‌هایی که در ابعاد نانو در بدن بکار می‌روند و انرژی خود را از جریان خون، ضربان قلب یا راه رفتن فرد می‌گیرند و آن انرژی را صرف تأمین انرژی هرگونه وسیله الکترونیکی در بدن یا مخابره وضعیت سلامتی فرد (Health Monitoring) می‌کنند نوعی از برداشت‌کننده‌ها محسوب می‌شوند. 

کاربرد دیگری از برداشت کننده‌ها آن‌هایی هستند که در انواع سازه‌ها همچون پل‌ها بکار می‌روند و انرژی خود را از حرکت خودروها روی آن می‌گیرند و آن انرژی برداشت شده را صرف مخابره وضعیت سلامت سازه (Condition Monitoring) می‌کنند. 

پیزوالکتریک‌هایی که در تایر خودروها بکار می‌روند و انرژی مورد نیاز برای مخابره اطلاعات مربوط به فشار یا سلامت تایر را به یک مرکز داده مخابره می‌کنند.

نوع دیگری از برداشت‌کننده‌ها آن‌هایی هستند که از نیروی طبیعت برای استخراج انرژی خود استفاده می‌کنند. همچون پیزوالکتریک‌هایی که در اقیانوس‌ها استفاده می‌شود و از نیروی برخورد امواج (Ocean Wave) برای برداشت انرژی استفاده می‌کنند. این نوع از برداشت کننده‌ها می‌توانند اهداف نظامی یا غیرنظامی داشته باشند.

مکانیزم برداشت انرژی الکتریکی (Energy Harvesting) از پیزوالکتریک

در فرایند برداشت انرژی الکتریکی از مواد پیزوالکتريک، با ايجاد تغییرشکل یا به عبارت دقیق‌تر کرنش (Strain) در ماده‌ی پیزوالکتريک انرژی مکانیکی به انرژی الکتريکی تبديل میشود. 
برداشت‌کننده‌ی انرژی از مواد پیزوالکتريک، عموماً يک تیر يکسر گیردار است که لايه‌های پیزوالکتريک روی آن متصل شده‌است و به‌منظور افزايش نسبت کرنش به نیروی ورودی، در انتهای غیر گیردار آن يک جرم متمرکز متصل است. ولتاژ تولیدی توسط لايه‌های پیزوالکتريک متغیر با زمان و کرنش است و به‌طور مؤثر يک سیگنال
AC نامنظم تولید میشود.

در ویدئوی زیر چیدمانِ نوع ساده‌ای از برداشت‌کننده‌ی انرژی الکتریکی نشان داده شده است که از یک لرزاننده (Shaker) به منظور ایجاد کرنش در وصله پیزوالکتریک متصل به یک تیر یکسر گیردار استفاده شده است. در نهایت خروجی پیزوالکتریک با اتصال سیم‌های خروجی از آن به یک اسیلوسکوپ (Oscilloscope)، از طریق این دستگاه قابل مشاهده است. توجه داشته باشید سیستم‌های برداشت‌کننده انرژی برای داشتن حداکثر راندمان باید از هر نظر بهینه باشند. بطور مثال اتصال خروجی‌های پیزوالکتریک به یک مدار بهینه شده از نظر میزان مقاومت یا نحوه اتصالات از نظر سری یا موازی بودن و از همه مهمتر نوع چیدمان آن مدار الکتریکی، در کنار پارامترهای مکانیکی و هندسی، نقش مهمی در بیشینه کردن توان خروجی سیستم خواهند داشت.

آشنایی با مواد پیزوالکتریک Piezoelectric

مواد پیزوالکتريک متعلق به دسته‌ی بزرگتری از مواد به نام فروالکتريک هستند. برهمکنش فشار مکانیکی و نیروی الکتريکی را در يک محیط، اثر پیزوالکتريسته میگويند. اين خاصیت در سال 1880میلادی توسط ماری و پیرکوری کشف شد. آنها مقدار بار تولید شده در بلور کوارتز تحت تاثیر تنش مکانیکی را اندازه گرفتند.
فشردن برخی از بلورها در راستای ويژهای از بلور، نیروی الکتريکی ايجاد میکند و برعکس، ايجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور در همان راستا باعث فشردگی و انبساط آن میگردد.

بسته به نوع ورودی و خروجی سیستم استفاده کننده از پیزوالکتریک‌ها، عملکرد آن‌ها به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شود که مهم‌ترین آن‌ها سنسورها (Sensors)، فعال‌کننده‌ها (Actuators) و برداشت‌کننده‌ها (Energy Harvesters) می‌باشد که تمرکز این نوشته بر نوع برداشت‌کننده آن است. 

ماده پیزوالکتریک در نرم‌افزار کامسول

نرم‌افزار کامسول با داشتن یک دسته بندی اختصاصی برای پیزوالکتریک‌ها در کتابخانه‌ خود کار شبیه‌سازی را بسیار راحت کرده است. اکثر مواد پیزوالکتریک در کتابخانه این نرم‌افزار وجود دارند. در تصویر زیر اکثر مواد پیزوالکتریک موجود در این کتابخانه را می‌توانید مشاهده کنید.

نحوه مدل‌سازی برداشت‌کننده‌ی انرژی الکتریکی در نرم‌فزار کامسول

همانگونه که از پسوند نرم‌افزار COMSOL Multiphysics نیز مشخص است، تخصص این نرم‌افزار مدل‌سازی پدیده‌هایی است که بیش از یک فیزیک در آن کاربرد دارد. در موضوع مورد بررسی این مقاله نیز، یعنی مدلسازی برداشت انرژی (Energy Harvesting) با پیزوالکتریک در نرم‌افزار کامسول (COMSOL)، به علت حضور نیروهای مکانیکی در کنار بارهای الکتریکی، می‌توان از امکانات این نرم‌افزار به منظور کوپل کردن معادلات مربوط به هریک از این دو فیزیک مجزا، استفاده نمود. برای مدلسازی مکانیکی این نوع مسآله از فیزیک Solid Mechanics و برای مدلسازی بارهای الکتریکی باید از فیزیک Electrostatic استفاده نمود. برای راحتی کار، می‌توان از فیزیک چندگانه مربوط به پیزوالکتریک در زیر مجموعه فیزیک‌های Structural Mechanics یعنی Piezoelectricity استفاده نمود تا هنگام اضافه کردن آن فیزیک، هم دو فیزیک مذکور اضافه شوند هم مولتی‌فیزیک کوپل‌کننده آن‌ها. علاوه بر فیزیک‌های گفته شده، می‌توان یک مدار الکتریکی را نیز با فیزیک Electrostatic لینک نمود. برای این کار باید فیزیک Electrical Circuit را بصورت جداگانه اضافه کرد. برای مرتبط کردن دو فیزیک Electrostatic و Electrical Circuit هیچ مولتی فیزیکی وجود ندارد و ارتباط این دو صرفاً از طریق شرط مرزی Terminal اتفاق می‌افتد.

در جلسه پنجم از دوره آموزش مدل‌سازی تعامل سیال و سازه (FSI) در کامسول، یک مدل برداشت‌کننده‌ی انرژی که در آن برخورد یک سیال با تیر دارای پیزوالکتریک منجر به ایجاد توان خروجی می‌شود مدل شده است.

مقدمات مدل‌سازی برداشت انرژی در کامسول COMSOL

پس از نصب نرم‌افزار کامسول، به منظور ایجاد هرگونه مدلی در نرم‌افزار کامسول باید از ابزارهای موجود در این نرم‌افزار با خبر بود و به تعدادی از ضروری‌ترین آن‌ها مسلط بود. به منظور آشنایی اولیه شما با این نرم‌افزار دوره رایگان آشنایی با نرم‌افزار کامسول را آماده نموده‌ایم. علاوه بر آن در صورتی‌که قصد دارید با ابزار اصلی نرم‌افزار بیشتر آشنا شوید و کاربرد هریک را در قالب پروژه‌های نه چندان پیچیده مشاهده کنید می‌توانید از دوره مقدماتی وبسایت کامسولینک استفاده نمایید. همچنین در ادامه می‌توانید لیست تمام دوره‌های موجود در وبسایت کامسولینک را مشاهده فرمایید.

تصویری از همکاری برای انجام پروژه با کامسول COMSOL

به منظور انجام پروژه کامسول

ضبط آموزش اختصاصی برای فراگیر

پشتیبانی کامل از آموزش

علی داودالحسینی وب‌سایت

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *