19639

۱۹۶۳۹

بررسي عددي ساختارهاي استحصال انرژي پيزوالكتريك مورد استفاده در جاده ها با در نظر گرفتن آسيب خستگي

كارشناسي ارشد

سازه و بدنه

۱۳۹۷

۱۳۹۷/۸/۶

دكتر مسعود دهمرده

دكتر حامد سعيدي گوگرچين

خودرو

زيرساخت‌هاي شهري مانند جاده‌ها به عنوان يك منبع مطلوب ارتعاشات، به يكي از منابع اصلي انرژي‌هاي نو تبديل شده‌اند. استحصال انرژي با استفاده از مواد پيزوالكتريك در ميان روش‌هاي استحصال انرژي از جاده‌ها يك روش كارآمد بوده كه تنش يا كرنش مكانيكي آسفالت را به انرژي الكتريكي قابل استفاده تبديل مي‌كند. چندين طراحي در متن معرفي شده است؛ اما موضوعي كه كمتر مورد توجه قرار گرفته است، روند طراحي است. در اين پايان نامه، يك روند طراحي با در نظر گرفتن حجم ثابتي از مواد پيزوالكتريك معرفي شده است. هدف، ماكزيمم كردن عملكرد هاروستر با در نظر گرفتن همزمان جنبه‌هاي الكتريكي و مكانيكي طراحي است. مواردي همچون توان خروجي، سطح تنش اعمالي بر ماده پيزوالكتريك، حد دوام و اثر كوپلينگ هاروستر با آسفالت در نظر گرفته شده است. به علاوه، تنزّل الكتريكي هاروستر هاروستر با ماده PZT-5A بررسي شده است. به عنوان يك بررسي موردي، مدل اجزاي محدود يك هاروستر پيزوالكتريك آماده شده و با داده‌هاي تجربي موجود صحه گذاري شده است. سپس يك بررسي پارامتريك به منظور ارتقاي مشخصه‌هاي الكتريكي و مكانيكي ساختار انجام شده است. در اين بررسي، پارامترهاي متعددي همچون جنس ماده پيزوالكتريك، سطح مقطع ديسك‌هاي پيزوالكتريك و نسبت ابعادي آنها در نظر گرفته شده است. شش سري شبيه سازي عددي با در نظر گرفتن سه ماده پيزوالكتريك (PZT-4، PZT-5A و PZT-5H)، و دو پروتوتايپ (شامل سه ديسك و چهار ديسك) انجام شده است. براي هر سري شبيه سازي، يك نقطه طراحي منتخب انتخاب شده است. سپس، از ميان اين نقاط، يك نقطه به عنوان طراحي منتخب كلي كه عملكرد كلي بهتري دارد، پيشنهاد مي‌شود. يك امكان سنجي به منظور مطالعه احتمال توليد انرژي الكتريكي از كارگذاري دو هاروستر منتخب با جنس PZT-5A در درون آسفالت با استفاده از داده‌هاي ترافيكي و جهت نشان دادن اثربخشي مباحث و نتايج اين پايان نامه صورت گرفته است. در انتها، ميزان افت توان الكتريكي (تنزل الكتريكي) هاروسترهاي منتخب با جنس PZT-5A پس از 10 سال براي حالت بارگذاري پيوسته سيكلي پيشنهاد شده است. روند طراحي معرفي شده در اين پايان‌نامه، اطلاعات خوبي در رابطه با هاروسترهاي بهبود يافته با در نظرگيري جنبه‌هاي متعدد عملكرد ساختار، و ملاحظات اقتصادي با در نظر گيري مقدار ماده پيزوالكتريك مورد استفاده در اختيار طراحان قرار مي‌دهد.

1397/08/27

Numerical study of piezoelectric energy harvesting prototypes used in roadways considering fatigue damage

10/28/2019 12:00:00 AM

Civil infrastructures such as roadways as a favorable source of vibrations, have become one of the major sources of renewable energy. Energy harvesting using piezoelectric materials is an efficient technique among energy scavenging methods employed in asphalt pavements by converting mechanical stress into usable electrical energy. Several designs are reported in the literature; however, what is less discussed is the design procedure. In this work, a design procedure is proposed considering a fixed volume of piezoelectric materials. The objective is to maximize the harvester performance, considering electrical and mechanical aspects, simultaneously. Output power, the level of induced stress on the piezoelectric material, endurance limit and the coupling of the device with the pavement are considered. Furthermore, the electrical degradation of the harvester using PZT-5A material is analyzed. As a case study, a finite element model of a piezoelectric harvester is developed and validated with experimental results. A parametric study is then carried out in order to improve both the electrical and mechanical characteristics of the device. Various parameters, such as piezoelectric disks cross-section, piezoelectric material, and the disks aspect ratio are considered. Six sets of numerical studies are carried out, including three piezoelectric materials (PZT-4, PZT-5A, and PZT-5H) and two prototypes (consisting of three and four disks). A design point is suggested for each set. An overall design point is then suggested which surpasses other points considering the overall performance. A feasibility study is carried out on the possibility of employing the proposed harvester using the average annual daily traffic data for two selected design points to show the effectiveness of the discussions and results made in this work. Finally, the degradation of the selected PZT-5A harvesters after 10 years of cyclic loading are suggested for two loading circumstances. It is suggested that the design procedure introduced in this study provides the designer with enhanced harvesters considering various aspects of the device performance, as well as economic considerations regarding the amount of used piezoelectric material. A feasibility study is carried out on the possibility of employing the proposed harvester using the average annual daily traffic data for two selected piezoelectric harvesters to show the effectiveness of the discussions and results made in this work.