توضیحات
آموزش ویدیویی پروژه مدلسازی و شبیه سازی برداشت انرژی از تیر یکسر گیردار پیزوالکتریک در نرم افزار کامسول(COMSOL)+فایل های پروژه
در این محصول آموزشی، علاوه بر آموزش ویدیویی مدلسازی و شبیه سازی برداشت انرژی از تیر یکسرگیردار پیزوالکتریک، فایل های کامل پروژه(کامسول) و تصاویر مرحله به مرحله از اجرای پروژه و گزارش فارسی پروژه را نیز دریافت خواهید کرد. این پروژه در نرم افزار کامسول نسخه COMSOL Multiphysics 6.0 انجام شده است. در این پروژه از ماده پیزوالکتریک تیتانات زیرکونات سرب(PZT) استفاده شده است که بر روی تیر یکسرگیردار تعبیه شده، جهت برداشت انرژی از تیر استفاده شده است.
مدت فیلم آموزشی 1 ساعت و 7 دقیقه
**توجه**
**تمامی فیلم های آموزشی با کیفیت بالا و بدون رکورد صدا توسط پژوهشگران مجموعه انسیس سی اف دی ضبط و تهیه شده اند**
امروزه نیاز به انرژی، ذخیره و تولید آن از مسائل مهم علوم مهندسی و کاربردی می باشد و تأمین انرژي مدارهای کم مصرف الکترونیکی نظیر سنسورها و سیستم های بی سیم در سالهاي اخير مورد توجه محققان زيادي قرارگرفته است تا با راه های مناسب سعی در حل مشکل انرژی شود. محدودبودن انرژی و محدودیت توانایی رساندن انرژی به سیستم های دور از دسترس از مهمترین دسته مشکلات مربوط به حوزهی انرژی است. رساندن انرژی الکتریکی به سیستم های دور از دسترس که ارتباط با آنها کار سختی می باشد همواره دشوار بوده است و استفاده از باتری نیز راهگشا نمی باشد، چرا که باتری یک منبع محدود می باشد و با مشکلات عدیده ای همراه است؛ باتری ها معمولا حجیم و سنگین هستند، انرژی محدودی دارند و دارای مواد شیمیایی هستند که می تواند مضر به محیط زیست باشد. در مقابله با این مشکلات، تولید انرژی تجدید پذیر از محیط سیستم می تواند راهکار مناسبی باشد و موارد مذکور از دلایل اصلی برای برداشت انرژي الکتریکی از منابع انرژي محيطی است. در میان منابع مختلف انرژی محیطی، ارتعاشات مکانیکی به دلیل در دسترس بودن، رواج زیادی پیدا کرده است. از بین روشهاي گوناگون برداشت انرژي از ارتعاشات محیطی، روش پیزوالکتریک به دلیل داشتن تأثيرات مساعد کوپل الکتریکی – مکانیکی از روش هاي خوب برداشت انرژي است. متداول ترین وسیله برداشت کننده انرژي از ارتعاشات، تیریکسر گیردار با یک یا چند لایه پیزوالکتریک است.
مواد پیزوالکتریک:
استفاده گسترده مواد پیزوالکتریک برای جذب انرژی موجود در محیط اطراف یکی از پرکاربردترین روش های تولید انرژی است. مواد پیزوالکتریک دارای ساختار کریستالی هستند که می توانند انرژی کرنشی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل نمایند و به طور معکوس نیز انرژی پتانسیل الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. این ویژگی ساختاری این مواد را قادر ساخته که انرژی مکانیکی اطراف را جذب و انرژی الکتریکی تولید نمایند. اثر پیزوالکتریک در دو میدان تعریف می شود؛ نخست اثر مستقیم پیزوالکتریک که توانایی تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی می باشد و دوم، اثر معکوس است که در توانایی تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی تعریف میشود به عبارت دیگر، مواد پیزوالکتریک هنگامی که در معرض تغییر شکل قرار گیرند، میدان الکتریکی تولید می کنند و وقتی در معرض میدان الکتریکی باشند، دچار تغییر شکل می شوند. اثر مستقیم پیزوالکتریک عهده دار توانایی ماده برای عمل کردن شبیه یک سنسور است در حالی که اثر معکوس پیزوالکتریک مسئولیت توانایی ماده برای عملکرد شبیه یک فعال کننده را دارد. یک ماده، زمانی پیزوالکتریک نامیده می شود که هر دو اثر را داشته باشد.
در مطالعات نوین، استفاده از مواد پیزوالکتریک به عنوان مواد هوشمند، توجه زیادی را معطوف به خود کرده است. سازه های پیزوالکتریک با بهره گیری از اثرات مستقیم و معکوس این مواد، توسعه فراوانی در صنایعی نظیر هوافضا، صنایع دریایی، هواپیماسازی و غیره یافته اند.
به کار گیری اثر مستقیم خاصیت پیزوالکتریک در حسگرها همزمان با اثر معکوس آن ها در عملگرها، این مواد را به یکی از پرکاربردترین مواد در زمینه سازه های هوشمند مبدل ساخته است. اثری که امروزه از آن به عنوان اثر پیزوالکتریک یاد می شود، توسط برادران پیر و ژاکوب کوری، در سال ۱۸۸۰ میلادی، هنگامی که ۲۱ و ۲۴ ساله بودند، کشف شد. آنها کریستال هایی مانند تورمالین، توپاز، کوارتز، نمک راشل و کانی شکر پیدا کردند که واردکردن فشار باعث تولید بار الکتریکی در آن ها می شود که این بار الکتریکی متناسب با تنش است. نام پیزوالکتریک از ریشه پیزن به معنی فشردن و منقبض کردن، که یک واژه یونانی است، گرفته شده است. کریستال هایی پیزوالکتریک خوانده می شوند که بین کرنش مکانیکی و ولتاژ آنها رابطه ای وجود داشته باشد. برادران کوری خاصیت معکوس پیزوالکتریک را پیش بینی نکرده بودند. یک سال بعد، لیپمان این تناسب را به صورت تئوری و بر پایه ترمودینامیک پیش بینی کرد. وی همچنین پیشنهاد کرد که برای این مواد اثر معکوس نیز باید وجود داشته باشد. متعاقبا اثر معکوس پیزوالکتریک توسط برادران کوری از راه آزمایش اثبات شد. از این تحقیقات به عنوان نقطه شروع تاریخچه پیزوالکتریک ها یاد می شود. بر پایه این نتایج والدمار وویت اولین فرمول بندی کامل برای مواد پیزوالکتریک را در سال ۱۸۹۰ منتشر کرد.
اثرات پیزوالکتریک:
پیزوالکتریک دو کاربرد و اثر دارد: اثر مستقیم و اثر معکوس. کریستال پیزوالکتریک وقتی که فشرده یا کشیده میشود، بار الکتریکی تولید می کند و به عنوان یک خازن با ولتاژ اعمالی کار می کند و جریانی که پیزوالکتریسیته نامیده می شود، بین دو سطح آن به وجود می آید.
پیزوالکتریک ها دارای دو نوع عملکرد می باشند:
۱) پیزوالکتریک اگر تحت فشار قرار گیرند باتوجه به ساختار کریستالی خود انرژی الکتریکی میدهند. به این عملکرد پیزوالکتریک، عملکرد مستقیم گویند.
۲) اگر پیزوالکتریک در یک محیط الکتریسیته قرار بگیرد مشاهده می گردد که دارای خیز و تغییر شکل می باشد. که به این نوع عملکرد نیز عملکرد معکوس می گویند.
خواص الکترومکانیکی مواد پیزوالکتریک را می توان توسط دو رابطه خطی توصیف نمود:
در حالت مستقیم، این کریستال ها با تحمل تنش (تغيير شکل)، میدان الکتریکی تولید می کنند. شکل زیر تصویر شماتیکی از این اثر را نشان می دهد. برای ساخت سنسورها از اثر مستقیم استفاده می شود که به آن خاصیت سنسوری یا ژنراتوری نیز گفته می شود.
شکل شماتیک عمل مستقیم پیزوالکتریک.
از سوی دیگر، این مواد با قرار گرفتن در معرض یک میدان الکتریکی دچار تغییر طول یا کرنش می شوند که به این اثر، اثر معکوس پیزوالکتریک گفته میشود. نحوه ی انجام این عمل نیز در شکل زیر نشان داده شده است. برای ساخت عملگرها از اثر معکوس پیزوالکتریک استفاده میشود.
شکل شماتیک عمل معکوس پیزوالکتریک.
مواد پیزوالکتریک عمومأ مواد آهنی نیستند، ولی چون خاصیت فروالکتریکی دارند، به آنها فروالکتریک نیز می گویند. مواد فروالکتریک در اصل به موادی گفته می شود که در اثر قرار گرفتن در میدان الکتریکی، قلمروهای الکتریکی آنها چرخیده و در راستای میدان قرار می گیرند و پس از قطع میدان، این حالت را حفظ می کنند.
کاربردهای مواد پیزوالکتریک:
مهمترین مورد استفاده پیزوالکتریک ها، استفاده در ساخت سنسورها است. سنسورهای پیزوالکتریک کاربردهای متعددی از جمله اندازه گیری شتاب، فشار، کرنش یا نیرو و تبدیل آنها به سیگنال الکتریکی دارند.
کوارتز از جمله موادی است که خواص پیزوالکتریکی ذکر شده را دارا می باشد و بسیار مقاوم و پایدار است. کریستال های کوارتز در ساختار ساعت ها و همچنین در فرستنده های رادیویی استفاده می شوند. نمک راشل در برابر فشار، ولتاژ بزرگی تولید می کند که در میکروفون های اولیه مورد استفاده قرار میگرفت. تیتانات باريوم، زركونات سرب و تیتانات سرب مواد سرامیکی پیزوالکتریکی هستند که در مبدل های فراصوتی مانند میکروفون ها استفاده می شوند. اگر یک نوسان الکتریکی به این قطعات سرامیکی اعمال شود، آنها با نوسانات مکانیکی که منبع صدای فراصوت است، پاسخ میدهند. ماده پیزوالکتریک استاندارد برای عملیات عکس برداری پزشکی تیتانات زرکونیوم سرب است. در این عملیات، مبدل موجهای فراصوتی را به بدن بیمار ارسال و اکوی بازگشتی را شناسایی می کند.
موتورهای پیزوالکتریک:
موتورهای پیزوالکتریک شاخه دیگری از کاربردهای وسیع مواد پیزوالکتریک هستند. یک موتور پیزو بر پایه تغییر شکل مکانیکی مادهی پیزوالکتریک، هنگامی که تنش وارد می شود، عمل می کنند. پیزوالکتریک استفاده شده ارتعاشات فراصوتی یا صوتی تولید می کند و یک حرکت خطی یادورانی را بوجود می آورد.
شکل زیر نمونه ای از موتورهای پیزوالکتریک را نشان می دهد. این موتور فراصوتی خطی پیزوالکتریک در صنایع هوافضا استفاده می شود و با مصرف توانی ناچیز (۱۲ وات)، نیرویی در حدود ۲۰ تا ۲۵ نیوتن و سرعتی در حدود ۲۰ میلی متر بر ثانیه تولید می کند.
شکل نمونه ای از موتور فراصوتی خطی پیزوالکتریک.
المانهای پیزوالکتریک برای دستگاه های صوتی استفاده شده در صنعت موسیقی نیز کاربرد دارند. در دستگاه های سیمی مانند گیتار و ویولن این قطعات جاگذاری می شوند که در آنها تغییر شکل دینامیکی(لرزش سیم ها) تبدیل به یک ولتاژ پایین می شود.
باتوجه به اینکه پیزوالکتریک می تواند کار تبدیل انرژی به هم را انجام دهد، به همین خاطر می توان از آن به عنوان سنسور (حسگر) بسیار حساس استفاده نمود. این ویژگی به آن اجازه می دهد که به عنوان حسگرهای مکانیکی عمل کند. به این علت که آن در پاسخ به فشار مکانیکی جریان الکتریکی تولید می کنند. بنابراین انواع مختلفی از سنسورها به کمک این ویژگی ساخته شده اند که به عنوان نمونه به برخی از آنها اشاره شده است:
حسگر ژیروسکوپ پیزوالکتریک: از این حسگر در تشخیص حرکات دست هنگام فیلمبرداری و عکس برداری توسط دوربین و سنجش سرعت زاویه ای و حرکات دورانی در هواپیماها و انواع سیستم های متحرک استفاده می شود.
حسگر شتاب سنج پیزوالکتریک: این حسگر می تواند پارامترهای مکانیکی مانند شتاب، فوسان و لرزش را ثبت کند. برای مثال شتاب سنج به کار رفته در موبایل که باعث چرخش صفحه هنگام چرخش موبایل می شود، از این نوع حسگر است.
حسگرهای صوتی پیزوالکتریک: از مواد پیزوالکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها، میکروفون ها) یا در آب استفاده می شود. در ماهی تاب ها و عمق سنج ها از تأخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده برای اندازه گیری فاصله تا جسم استفاده می کنند.
این روش همچنین با استفاده از امواج فراصوتی با بسامدهای زیاد در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیرمخرب مواد در تشخیص شکستگی ها و نقص های داخلی نیز بکار می رود. در این سنسورها تراکم و انبساط های موج صوتی تبدیل به کمیت الکتریکی می شود.
ساختار مواد پیزوالکتریک:
تورمالین و کوارتز تنها مواد طبیعی هستند که به عنوان پیزوالکتریک استفاده می شوند. از آنجایی که خواص پیزو در این مواد طبیعی بسیار ناچیز است، از حدود ۵۰ سال پیش مواد سرامیک پلی کریستال فروالکتریک با خواص بهبود یافته معرفی شده اند. سرامیک های فروالکتریک وقتی قطبیده می شوند، تبدیل به مواد پیزوالکتریک می گردند. اولین کریستال ساخته شده تیتانات باریوم بود و بعد از آن کریستال هایی ساخته شد که در آنها به جای باریوم، از سرب و به جای تیتانیوم از ترکیب تیتانیوم و زرکونیوم استفاده شده است.
به این کریستال ها اصطلاحا PZT گفته می شود. از این رو عده ای پیزوالکتریک را با نام PZI می شناسند. ساختن و قطبی کردن تیتانات سرب سخت است، اما کاربردهای ویژه ای دارد، مثلا برای ساختن سنسوریا هیدروفون های زیر آب به کار می رود.
جدول زیر اسامی عمده ترین کریستال های طبیعی و مصنوعی پیزوالکتریک را نشان میدهد.
جدول انواع کریستال های طبیعی و مصنوعی.
کریستال های مصنوعی در مقایسه با کریستال های طبیعی مزیت های زیادی دارند. در صنعت به علت محدود بودن کریستال های طبیعی، کریستال های مصنوعی کاربردهای بیشتری دارند.
مزایای کریستال های مصنوعی:
1- کریستال های مصنوعی صدها برابر کریستال های طبیعی کرنش می دهند.
۲- این کریستال ها به نسبت کریستال های طبیعی مقاومت فیزیکی و شیمیایی بهتری دارند.
٣- انواع شکل های مورد نیاز را با کریستال های مصنوعی می توان ساخت.
۴- کریستال های مصنوعی به نسبت کریستال های طبیعی قیمت پایین تری دارند.
روش ساخت پیزوالکتریک های مصنوعی:
روش معمول ساخت پیزوالکتریک های مصنوعی به شرح زیر است:
١- تولید پودر نرم اکسیدهای مورد نظر؛
۲- حرارت دادن به پودر؛ به این فرآیند تکلیس گفته می شود که باعث یکنواخت شدن پودر می شود.
3- مخلوط کردن پودر با رزین
۴- عمليات قالب گیری و فشردن برای بدست آوردن شکل مورد نظر؛
۵- پختن پودر در درجه حرارت معین و کاهش درجه حرارت آن طبق برنامه؛
۶- صافکاری یا پولیش در صورت نیاز؛
۷- اتصال الکترودها به دو سمت پیزوالکتریک؛
۸- قطبی کردن کریستال ها.
ماده ساخته شده به روش فوق دارای ریز دانه های سرامیکی است که به آنها دانه گفته می شود. این دانه ها مکعب هایی با ابعاد حدود یک تا ده نانومتر می باشند. به عبارتی، در یک پیزو به حجم یک سانتی متر مکعب 9 10 تا 12 10 دانه وجود دارد.
پیزوسرامیک ها بسیار متنوع بوده و پرکاربردترین مواد برای کار کردهای عملگری و سنسوری هستند. پیزو کریستال ها قبل از قطبیده شدن مکعبهایی با تقارن مرکزی (همسانگرد) هستند و بعد از قطبیدگی، در دمایی پایین تر از دمای کوری ، دارای تقارن چهار گوشه ای (ساختار آنیزوتروپیک) می باشند. این مواد در دماهای بالاتر از دمای کوری، خواص پیزوالکتریکی خود را از دست می دهند.
در شکل زیر دانه هایی که در راس ضلع های مکعب قرار دارند، یون های فلزی دو ظرفیتی بزرگ مانند باریوم یا سرب هستند. در مرکز هر سطح کریستال، دانه های بزرگ اکسیژن هستند و در مرکز مکعب نیز تیتانیوم یا زیرکونیوم وجود دارد.
در اثر کشش طول کریستال زیاد می شود و تیتانیوم نیز از مرکز شبکه خارج می شود و به یکی از دو سطح بالایی یا پایینی نزدیک می شود. در نتیجه کریستال باردار شده و به یک دو قطبی تبدیل می شود. هردامنه که از تعدادی گرین تشکیل شده است، داراییک جهت دو قطبی است و دامنه های مختلف دارای جهت های مختلف می باشند. در صورتی که تمام این دو قطبی ها در یک راستا قرار بگیرند، پیزوالکتریک قطبیده می شود.
شکل کریستال های پیزوالکتریک.
برداشت انرژی:
به فرآیند جذب انرژی موجود در محیط و تبدیل آن به انرژی مورد نیاز برداشت انرژی(energy harvesting) گفته می شود که با سه مکانیزم پرکاربرد پیزوالکتریکی، الکترومغناطیسی و یا الکترواستاتیکی انجام می گیرد. هرکدام از این مکانیزم ها وظیفه مشابهی را بر دوش می کشند و تنها نوع مکانیزم و طراحی متفاوتی دارند. انرژی موجود در طبیعت می تواند انرژی نور و گرما، انرژی سیال و یا انرژی مکانیکی (ارتعاشی) باشد. در شرایطی که از انرژی ارتعاشی به عنوان انرژی اولیه جهت تولید الکتریسیته بهره گرفته شود، سیستم متشکل از جرم مرتعشm با الاستیسیتهk می باشد. در موقع ارتعاش پایه سیستم، جرم با یک اختلاف فاز مرتعش می شود که می تواند به وسیله یک ترانسفورماتور(مبدل) مناسب، انرژی الکتریکی تولید کند.
این تولید انرژی سیستم جرم را دچار میرایی ارتعاشی می کند. به عبارتی با ارتعاش پایه، جرم مرتعش می شود ولی اگر ارتعاش پایه ادامه یابد این انرژی اولیه به صورت الکتریسیته درآمده و ارتعاش پس از مدتی پایان می یابد و تولید انرژی نیز متوقف می شود ولی اگر پایه در حال ارتعاش باشد، این انرژی همواره تولید می شود.
در این شرایط یک مبدل اینرسیایی لازم است به این معنی که کافی است یک سیستم به صورت الکترومکانیکی بر روی جرم نصب شود. این شرایط متفاوت از مبدل های کلاسیک می باشد. برای مثال در یک دینام، سیستم به پایه ثابتی نصب می باشد و لازم است که شفت به یک مجموعه دیگر که در حال دوران است نصب شود. در حالی که یک مبدل اینرسیایی می تواند به هر نوع مجموعه در حال حرکت متصل شود.
روش های تبدیل انرژی در مبدل های متفاوت فرق می کند و در میزان انرژی تولیدی نیز تأثیرگذار است به نحوی که سه نوع متداول مبدل های اینرسیایی به قرار زیر هستند
١- پیزوالکتریک: استفاده از پیزوالکتریک برای تبدیل انرژی کرنشی در محیط الاستیک به انرژی الکتریکی.
٢- الكترومغناطیس: یک آهنربا به نحوی تعبیه می شود که حرکت و ارتعاشش در داخل یک کویل باعث القای انرژی الکتریکی در آن شود.
٣- الکترواستاتیک: یک مجموعه الکترونیکی در داخل چرم که با حرکت آن، ولتاژی در دو سر خازن ها القا می شود.
تیرهای یکسر گیردار با لایه های پیزوسرامیکی(PZT) از مهمترین برداشت کننده های انرژی می باشد که به وفور مورد مطالعه قرار می گیرد. لذا در این مطالعه نیز رفتار ارتعاشی این سیستم مطالعه شده است. از مدل هایی که برای تحلیل این گونه سیستم ها بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، مدل ساده یک درجه آزادی می باشد که در شکل زیر نشان داده شده است. حرکت پایه در این شکل باعث اعمال نیرو به جرم m می شود. ماده پیزوالکتریک بکار گرفته شده در این جرم با اعمال نیرو ولتاژ الکتریکی تولید خواهد کرد.
شکل مدل یک درجه ی آزادی مبدل پیزوالکتریکی.
انرژی در محیط:
با توجه به آنچه در بالا گفته شد، انرژی موجود در محیط می تواند نوع متنوعی داشته باشد. انرژی مکانیکی ارتعاشی در محیط معمولا به صورت حرکت پایه به تیریکسر گیردار اعمال می گردد. در حالی که اثر محیط بر حرکت عرضی تیر علاوه بر جابجایی، می تواند به صورت میرایی و نیروهای ایروالاستیک اعمال شود. به عبارتی در حالت واقع بینانه، بهتر است که انرژی محیط و تأثیر آن بر حرکت تیر به صورت جابجایی در پایه و میرایی در نظر گرفته شود. انرژی مکانیکی ارتعاشی در محیط می تواند ناشی از حرکت پایه براساس کاربردهای متفاوت از جمله حرکت وسایل نقلیه، امواج دریا، ارتعاشات ناگزیر سازه ها ناشی از انرژی باد و … باشد. برای مثال قرار دادن لایه پیزوالکتریک در بال هواپیما که حرکت و ارتعاش الکتریسیته تبدیل می کند.
برداشت انرژی از تیر یکسر گیردار پیزوالکتریک در کامسول انجام شده است. مدل برداشت کننده انرژی شامل یک تیر پیزوالکتریکی بایمورف یک سر گیردار و با یک جرم محک می باشد. تیر پیزوالکتریک بایمورف یکسرگیردار دارای یک الکترود تعبیه شده در داخل و دو الکترود بر روی سطوح خارجی دارد. این پیکربندی سبب می شود که ولتاژ یکسانی بر روی الکترودهای خارجی اعمال شود.
هندسه مدل:
در این پروژه از ماده پیزوالکتریک تیتانات زیرکونات سرب(PZT) استفاده شده است که بر روی تیر یکسرگیردار تعبیه شده، جهت برداشت انرژی از تیر استفاده شده است.
شبکه بندی:
متریال:
در این پروژه ماده پیزوالکتریک تیتانات زیرکونات سرب(PZT-5A) استفاده شده است.
نمونه نتایج:
توان ورودی و توان برداشت شده(برحسب میلی وات) و ولتاژ پیک اعمال شده در اطراف تیر پیزوالکتریک یکسرگیردار (برحسب ولت) به صورت تابعی از بسامد نشان داده شده است. بار الکتریکی 12 کیلواهم است. پاسخ سیستم پیک 76 هرتز نزدیک به بسامد رزونانسی محاسبه شده تیر گیردار در 73 هرتز نشان می دهد.
در شکل زیر توان برداشت شده از پیزوالکتریک به صورت تابعی از مقاومت بار الکتریکی در شتاب 1 g نوسانی در 75.5 هرتز نشان داده شده است. پیک انرژی برداشت شده با بار الکتریکی 6 کیلواهم مطابقت دارد.
در شکل زیر ولتاژ DC و خروجی توان مکانیکی/الکتریکی در مقابل اندازه شتاب مکانیکی در بسامد ثابت 75.5 هرتز با امپدانس بار 12 کیلواهمی نشان داده شده است. ولتاژ به صورت خطی با بار افزایش می یابد درحالیکه توان برداشت شده به صورت مرتبه چهارم افزایش می یابد.
