توصيفگر ها :
برداشت انرژي , پيكربنديهالبچ , سيستم هيبريدي , آلياژ حافظه دار مغناطيسي , پيزوالكتريك , الكترومغناطيس
چكيده فارسي :
برداشت انرژي مبتني بر ارتعاش به دام انداختن و جمعآوري انرژي ارتعاشي از منابع طبيعي مختلف كه در نگاه اول غيرقابل استفاده هستند، اشاره دارد. در تبديل انرژي ارتعاشي به انرژي الكتريكي، ميتوان از مواد هوشمندي كه توانايي كوپل كردن حداقل دو ميدان را دارند، استفاده كرد. يكي از اين مواد هوشمند كه اخيراً مورد توجه قرار گرفته است، آلياژهاي حافظهدار مغناطيسي نيكل-منگنز-گاليم است كه با كوپل كردن ميدانهاي مكانيكي و مغناطيسي، ميتوانند بردارهاي مغناطش را در اثر اعمال تنش مكانيكي تغيير دهند. اين تغيير در مغناطش آلياژ با دانستن قانون القاي فارادي، برداشت انرژي را امكانپذير ميكند. يك پديده مهم در آلياژهاي حافظهدار مغناطيسي اين است كه تغييرات مغناطش با كرنش به نرخ كرنش بستگي دارد. با بررسي تحقيقات گذشته، اين پديده نيز به مدلهاي موجود اضافه شده و مدلي ارائه شده است كه توصيف دقيقتري از برداشتكنندههاي انرژي از آلياژهاي حافظهدار مغناطيسي هنگام اعمال مستقيم نيرو به آلياژ ارائه ميدهد. پس از ارائه توضيحات دقيقتر در مورد رفتار اين نوع برداشتكننده انرژي، يكي از اهداف اصلي برداشتكنندههاي انرژي بررسي ميشود كه عبارت است از مطالعه توانايي يك ماده هوشمند در استخراج انرژي از يك سازه مرتعش، كه ميتواند يك تير با سر ثابت باشد. براي اين منظور، يك سيستم برداشت انرژي براي اتصال يك آلياژ حافظهدار مغناطيسي به يك تير مرتعش طراحي ميشود. ابتدا، مدلي از اين نوع برداشتكننده با حل همزمان معادلات اويلر-برنولي ارتعاش آلياژ حافظهدار مغناطيسي كوپل شده با يك تير براي پيشبيني رفتار سيستم ارائه ميشود و پس از تكميل مراحل قبلي، يك سيستم برداشت كننده انرژي الكترومغناطيسي با پيكربندي هالبچ استوانهاي معرفي ميشود. طراحي اين سيستم به گونهاي است كه سيستم از شيوه تبديل فركانس بالا براي استفاده از نيروي اعمال شده توسط وزن انسان براي كاربردهاي مهندسي مكانيك يا يك دستگاه اعمال نيروي مناسب براي ايجاد حركت ارتعاشي استفاده ميكند. علاوه بر اين، استفاده از پيكربندي هالبچ استوانهاي، گراديان شار مغناطيسي را بهبود ميبخشد و منجر به افزايش توان خروجي ميشود. يك مدل نيمه تحليلي براي ارزيابي عملكرد سيستم ارائه شده ميشود كه سپس از طريق محاسبات عددي مانند نرمافزارهاي متلب و كامسول اعتبارسنجي خواهد شد. سيستمهاي برداشت انرژي هيبريدي در سالهاي اخير براي غلبه بر مشكل كمبود انرژي از طريق برداشت انرژي واحد پيشنهاد شدهاند. يك برداشتكننده انرژي هيبريدي، انرژي محيطي را توسط سازوكارهاي انتقال مختلف به طور همزمان يا غيرهمزمان به برق تبديل ميكند. بنابراين، در پاسخ به اين شكاف تحقيقاتي، كه همان كمبود انرژي استخراج شده از طريق برداشت انرژي واحد است، مطالعه حاضر با تكيه بر دو سيستم معرفي شده قبلي، يعني سيستم پيزوالكتريك و الكترومغناطيسي، قصد دارد يك سيستم برداشت انرژي هيبريدي ارائه دهد. اين دو سيستم با هم جفت شدهاند تا يك سيستم برداشت انرژي هيبريدي متشكل از يك سيستم پيزوالكتريك همراه با يك آلياژ حافظهدار مغناطيسي و يك سيستم الكترومغناطيسي تشكيل دهند. اين تركيب ميتواند نرخ برداشت انرژي و توان خروجي نهايي سيستم را افزايش دهد و با بررسي اين زمينه، اين تحقيق تلاش ميكند تا يك طراحي بهينه را كشف كند كه ميتواند اثربخشي برداشتكنندههاي انرژي را به طور قابل توجهي افزايش دهد. در نهايت، اين بينشها دانش ارزشمندي را در جهت توسعه راهحلهاي انرژي پايدار ارائه ميدهند.
چكيده انگليسي :
Vibration-based energy harvesting refers to trapping and collecting vibrational energy from various natural sources that are unusable at first glance. In converting vibrational energy into electrical energy, smart materials that have the ability to couple at least two fields can be used. One of these smart materials that has recently received attention is the Nickel-Manganese-Gallium magnetic shape memory alloys (MSMA), which, by coupling the mechanical and magnetic fields, can change the magnetization vectors due to the application of mechanical stress. This change in the magnetization of the alloy enables energy harvesting by knowing Faradayʹs law of induction. An important phenomenon in magnetic shape memory alloys is that the changes in magnetization with strain depend on the strain rate. By reviewing past research in the literature, this phenomenon has also been added to the existing models, and a model that provides a more accurate description of energy harvesters from magnetic shape memory alloys when force is applied directly to the alloy was presented. After a more detailed description of the behavior of this type of harvester was presented, one of the main goals of energy harvesters was examined, which is to study the ability of a smart material to extract energy from a vibrating structure, which is one fixed-ended beam. For this purpose, an energy harvesting system was designed to connect an MSMA to a vibrating beam. First, a model of this type of harvester was presented by simultaneously solving the Euler-Bernoulli equations of the vibration of the magnetic shape memory alloy coupled with a beam to predict the systemʹs behavior. Our work is not finished yet. After completing the previous steps, an electromagnetic energy harvesting system with a cylindrical Halbach configuration is introduced. The system design is such that the system uses the up-frequency conversion technique to utilize the force exerted by the human weight for civil engineering applications or a suitable force-applying device to create the vibration motion. In addition, the use of the cylindrical Halbach array improves the magnetic flux gradient and leads to an increase in the output power. A semi-analytical model is presented to evaluate the system performance, which is then validated through numerical calculations like MATLAB and COMSOL Multiphysics. Hybrid energy harvesting systems have been proposed in recent years to overcome the energy shortage issue through unit energy harvesting. A hybrid energy harvester converts environmental energy into electricity by various transmission mechanisms simultaneously or asynchronously. Therefore, in response to this research gap, the present study aims to present a hybrid energy harvesting system by relying on the two previously introduced systems. These two systems are coupled together to form a hybrid energy harvesting system consisting of a piezoelectric system coupled with a magnetic shape memory alloy and an electromagnetic system. This combination can increase the energy harvesting rate and the final output power of the system and by exploring this field, this research attempts to discover an optimal design that can significantly increase the efficiency and effectiveness of energy harvesters. Finally, these insights contribute valuable knowledge towards the development of sustainable energy solutions.