GENERATION OF ENERGY IN CONSOLE PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTERS
Заголовок (англійською):
GENERATION OF ENERGY IN CONSOLE PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTERS
Автор(и):
L.O. Grigoryeva
P.O. Ivanenko
O.F. Korbakov
Автор(и) (англ):
L.O. Grigoryeva
P.O. Ivanenko
O.F. Korbakov
Ключові слова (укр):
консольний збірник енергії, пасивний шар, п’єзокерамічна накладка, вимушені коливання, ґенерація енергії, збір енергії, різниця потенціалів на обкладках, потужність збірника енергії.
Ключові слова (англ):
cantilever energy harvester, passive layer, piezoceramic overlay, characteristic equation, amplitude function, forced oscillations, energy generation, energy harvesting, harvester power
Анотація (укр):
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 1,5 mW. При переході в ультразвукову зону потужність збірника енергії значно зростає. Аналіз роботи перетворювача на резонансних частотах вимагає врахування демпфування коливань в матеріалі.
Анотація (англ):
In this work, the oscillations of the cantilever unimorph energy harvester under harmonic loads are investigated. Unimorf console consisting of a brass base and a rectangular piezoelectric element with electroded flat surfaces without and with tip mass is considered.
There is derived the characteristic equation for beam bending oscillations, wave numbers, circular frequencies and natural frequencies are determined. Eigenforms of oscillations are constructed, the dependence of natural frequencies from body size and tip mass is analyzed.
Forced oscillations of the energy harvesters with tip mass at the end at oscillations of the base are studied. 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.
Публікатор:
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр):
Опір матеріалів і теорія споруд, 2022, номер 108
Назва журналу, номер, рік випуску (англ):
Strength of Materials and Theory of Structures, 2022, number 108
Мова статті:
English
Формат документа:
application/pdf
Дата публікації:
05 July 2022
Номер збірника:
Університет автора:
Kyiv National University of Construction and Architecture 31, Povitroflotsky ave., Kyiv, Ukraine, 03037
References:
- P. Cahill, B. Hazra, R. Karoumiat al. Data of piezoelectric vibration energy harvesting of a bridge undergoing vibration testing and train passage / Data in Brief, Volume 17, April 2018, Pages 261-266. https://doi.org/10.1016/j.dib.2018.01.009
- Erturk, A. & Inman, D., 2011. Piezoelectric Energy Harvesting. 1 st edition, John Wiley & Son.
- L.H. Fanga, S.I.S. Hassana at al. Charaterization of Differents Dimension Piezoelectric Transducer For Sound Wave Energy Harvesting / Energy Procedia, 105 (2017). Pages 836 – 843. doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.398
- Filippov A.P. Kolebaniya deformiruemyih sistem (Oscillations of deformable systems [in Russian]). M: Mashinostroenie, 1970. 736 с.
- Grigoryeva L.O. Rezonansni kolyvannia piezokeramichnykh tsylindriv z vrakhuvanniam dysypatsii enerhii (Resonant oscillations of piezoceramic cylinders taking into account energy dissipation [In Ukrainian])/ L.O.Grigoryeva,O.I. Bezverkhyi // Problemy obchysliuvalnoi mekhaniky ta mitsnosti konstruktsii (Problems of computational mechanics and strength of structures). -2020, вип. 31.- С. 44-54.
- Grigoryeva, L.O. Piezoelectric devices for energy harvesting in building structures // Transfer of innovative technologies, Vol.4, No.1 (2021), 22-24.
- Grigoryeva, L.O. Transient responses in Piezoceramic Multilayer Actuators Taking into Account External Viscoelastic Layers // Strength of Materials and Theory of Structures. - № 105 (2020). – Р. 255-266. DOI: https://doi.org/10.32347/2410-2547.2020.105.255-266
- S.J. Rupitsch. Piezoelectric Sensors and Actuators: Fundamentals and Applications. Springer: 2019. 559 p. ISBN: 978-3-662-57534-5.
- N. Sezer, M. Koç. A comprehensive review on the state-of-the-art of piezoelectric energy harvesting. Nano Energy, Volume 80, February 2021, 105567.
- Sharapov V.M., Sotula Zh.V., Kunitskaya L.G. Elektroakusticheskie preobrazovateli (Electroacoustic transducers [in Russian]) // Pod red. V.M. Sharapova. – Moskow: Tehnosfera, 2013.- 296 p., ISBN 978-5-94836-357-8.
- D. Shen. Piezoelectric energy harvesting devices for low frequency vibration applications: dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy. Auburn, Alabama May 9, 2009. – 195 p.
- X. Xu, D. Cao, H. Yang, M. He. Application of piezoelectric transducer in energy harvesting in pavement / International Journal of Pavement Research and Technology. Volume 11, Issue 4, July 2018, Pages 388-395.https://doi.org/10.1016/j.ijprt.2017.09.011