پديد آورنده :
ايران نژاد نجف آبادي، فاطمه
عنوان :
طراحي و بررسي عملكرد ساختارهاي رزونانسي ترايبوالكتريك مبتني بر منسوج جهت برداشت انرژي الكتريكي از انرژي صوتي
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
شش، 83ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
برداشت انرژي , ترايبوالكتريك , انرژي صوتي , رزوناتور هلمهولتز , پارچه رسانا , فيلم PVDF
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/10/01
رشته تحصيلي :
مهندسي نساجي
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/10/02
چكيده فارسي :
در سال¬هاي اخير، رشد سريع صنايع و گسترش شهرنشيني باعث به وجود آمدن مشكلات زيستمحيطي متعدد همچون آلودگي صوتي شده است. برداشت انرژي از صوت، علاوه بر كاهش آلودگي صوتي، انرژي مفيدي در دسترس قرار ميدهد كه ميتواند جهت تأمين انرژي حسگرها در دنياي روبهرشد اينترنت اشيا مورداستفاده قرار گيرد. عليرغم كاربردهاي گسترده انرژي صوتي، توان خروجي كم ازجمله چالشهاي موجود جهت استفاده از اين انرژي است. در سال¬هاي اخير، پژوهشهايي جهت بهبود عملكرد ساختارهاي برداشتكننده انرژي صوتي انجام شده است. در اين ساختارها با استفاده از رزوناتورهاي آكوستيك، ابتدا انرژي صوتي تشديد شده و سپس با استفاده از روشهاي پيزوالكتريك و يا ترايبوالكتريك تبديل انرژي صوتي به انرژي الكتريكي صورت ميگيرد. هدف از اين پژوهش ارائه روشي نوين جهت بهبود برداشت انرژي از صوت به كمك رزوناتور هلمهولتز توسط ساختار ترايبوالكتريك مبتني بر منسوج است. در ساختار ترايبوالكتريك از پارچههاي حلقوي پودي بافتهشده از نخ رساناي نايلون با روكش نقره بهعنوان الكترود و عضو الكتروندهنده و از فيلم PVDF بهعنوان عضو الكترونگيرنده استفاده شد. تأثير متغيرهاي اين ساختار شامل پارچه رسانا با نخ چندلا، فاصله بين لايهها و فاصله از منبع صوت مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد پارچه با نخ چهارلا و فاصله 3/0 ميليمتر بين لايهها داراي بهترين عملكرد بوده و با فاصله گرفتن از منبع صوت، خروجي الكتريكي كاهش مي¬يابد. ساختار برداشتكننده انرژي مبتني بر ترايبوالكتريك (TENG) در حالت بهينه و تحت صوت 107 دسيبل و 158 هرتز موفق به روشن كردن 290 ديود نوري و شارژ خازن شد. توان بيشينه اين ساختار 3/20 ميليوات در مقاومت بار خارجي 16 مگااهم گزارش شد. جهت تشديد صوت، رزوناتور با مقطع مربعي به ضلع 66 ميليمتر بهگونهاي طراحي شد تا برداشتكننده انرژي در انتهاي آن قرار گيرد. ساختار TENG جهت عبور صوت با الكترودهاي متخلخل طراحي و تأثير ويژگيهاي صفحه متخلخل بر رزونانس آكوستيكي بررسي شد. همچنين تأثير انعطافپذيري صفحه انتهايي بهصورت تجربي و شبيهسازي مورد بررسي قرار گرفت. مشاهده شد با افزايش انعطاف¬پذيري، فركانس و شدت رزونانس كاهش مييابد. نتايج نشان داد تخلخل صفحه انتهايي باعث اختلال در عملكرد رزوناتور ميشود. در اين پژوهش دو راهكار جهت افزايش خروجي الكتريكي بهواسطه بهبود تشديد صوت درون رزوناتور ارائه شد. راهكار اول استفاده از چندلايه فيلم PVDF با ضخامت معادل بيشتر مي¬باشد كه باعث كاهش نشت صوت در رزوناتور ميشود. در راهكاري ديگر از يك لايه لاتكس بين رزوناتور و TENG استفاده شد كه باعث ميشود علاوه بر تشديد صوت، ارتعاشات لاتكس بهطور مستقيم به لايههاي TENG منتقل شود. در اين حالت خروجي الكتريكي نسبت به حالت بدون استفاده از لاتكس 760% و نسبت به حالت بدون استفاده از رزوناتور 1250% بهبود داشته است.
چكيده انگليسي :
In recent years, the rapid growth of industries and urbanization has led to various environmental issues, including noise pollution. Harvesting sound energy not only helps reduce noise pollution but also provides clean energy that can be employed to power sensors in the growing world of the Internet of Things (IoT). Despite its potential, the low output power of acoustic energy is a major challenge. To address this, recent studies have focused on enhancing the performance of sound energy harvesting systems. These systems typically utilize acoustic resonators to amplify sound energy, then convert it into electricity using piezoelectric or triboelectric mechanisms. This study introduces a novel method for improving sound energy harvesting by incorporating a Helmholtz resonator with a textile-based triboelectric nanogenerator (TENG). The TENG structure uses weft-knitted fabrics with nylon-silver yarn as the electrode and donor, and PVDF film as the acceptor. Key design variables such as yarn ply of conductive fabric, interlayer spacing, and distance from the sound source were investigated. Results showed that a four-ply conductive yarn and a 0.3 mm interlayer gap yielded the best performance, while increased distance from the sound source significantly reduced output. Under optimal conditions, with incident sound at 107 dB and 158 Hz, the TENG successfully lit up 290 LEDs and charged 5 capacitors. The system reached a peak power output of 20 mW at a load resistance of 16 MΩ. The resonator, designed with a square cross-section of 66 mm and a noise collector neck, was configured to place the TENG at the end. Electodes of TENG are porous electrodes used in TENG to transmit the sound wave to vibrate the PVDF film. There for the TENG and the effects of their porosity on the acoustic resonance of Helmholtz were analyzed. Furthermore, both experimental and simulation-based evaluations revealed that increasing the flexibility of the end plate decreases both the resonance frequency and intensity. Two novel strategies were employed to enhance the electrical output by improving acoustic resonance. The first involved layering multiple PVDF films to reduce sound leakage by increasing the total non-porous thickness of the resonator’s end plate. The second introduced a latex membrane between the resonator and the TENG, which not only amplified sound resonance but also enabled direct transmission of mechanical vibrations to the TENG layers. This approach significantly boosted performance, resulting in a 760% increase in electrical output compared to the non-latex setup and a 1250% increase compared to the configuration without the resonator.
استاد راهنما :
پرهام سلطاني , محسن شنبه
استاد داور :
سعيد ضيائي راد , وحيد عبادي