26324

مدلسازي، طراحي و بهينه سازي يك سيستم برداشت انرژي ارتعاشي الكترواستاتيكي به منظور دستيابي به حداكثر بازده انرژي

كارشناسي ارشد

مهندسي برق گرايش افزاره هاي ميكرو و نانوالكترونيك

1397

10 آذر 1400

دكتر جواد ياوند حسني

مهندسي برق

امروزه با توسعه سيستم¬هاي ميكروالكترومكانيكي و نياز به برداشت كننده¬هاي انرژي، تحقيقات گسترده¬اي در مورد سيستم¬هاي برداشت انرژي، به ويژه سيستم هاي الكترواستاتيك انجام شده است. نقش ژنراتورهاي الكترواستاتيك بدون الكترت بسيار مهم است زيرا اين نوع ژنراتورها با فناوري MEMS و CMOS بسيار سازگار هستند و در اندازه هاي كوچك، بسيار فشرده و كارآمد هستند. در اين ژنراتورها از اثر خازني بين دو صفحه فلزي براي تبديل انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي استفاده مي كنند. مدل-سازي ظرفيت خازني بين دو صفحه فلزي در يك نانوژنراتور الكترواستاتيك نقش كليدي در طراحي، تجزيه و تحليل عملكرد و بهينه سازي ساختار اين نوع ژنراتورها دارد. ژنراتورهاي الكترواستاتيك با الكترودهاي دوره¬اي نشان دهنده ظرفيت توليد انرژي بالا و حساسيت بالا به ارتعاشات بسيار كوچك هستند و بنابراين، براي دستگاه هاي برداشت كننده ي انرژي¬مقياس¬كوچك، بيشتر مناسب هستند. اين پژوهش، معادله هاي رياضي را براي محاسبه ظرفيت هاي خازني در ساختار الكترودهاي شياري دوره¬اي، با در نظر گرفتن اثر ميدان هاي حاشيه¬اي با توسعه يك مدل نيمه تجربي، بر اساس مدل هاي تحليلي موجود كه با استفاده از تكنيك نگاشت كانفورمال به دست آمده است، ارائه مي دهد. فرمول بدست آمده براي مدلسازي خازن ها براي ساختار الكترودهاي دوره¬اي داراي درصد خطاي كمتر از 2 درصد براي ساختار الكترودهاي شياري دوره اي و خطاي 5 درصد براي الكترود هاي شطرنجي مي باشد و اين مدل براي ساختار سه بعدي، ارائه شده است. فرمول بدست آمده از پارامترهاي ابعادي هر الكترود و همچنين تعداد الكترودها را به عنوان ورودي استفاده مي نمايد. فرمول به دست آمده توسط نرم افزار COMSOL تأييد شده است. سرانجام، فرمول هاي توسعه يافته براي محاسبه انرژي توليد شده از دستگاه برداشت كننده الكترواستاتيك با الكترودهاي دوره¬اي استفاده مي شود. نتايج نشان داد كه مي توان با تنظيم عرض و فاصله ي بين الكترودهاي يك افزاره¬ي برداشت كننده ي انرژي با يك مساحت مشخص، توان خروجي بيشتر از 40 درصد را بدست آورد.

1401/01/21

Modeling, Design And Optimization Of An Electrostatic Vibration Energy Harvesting System In Order To Achieve Maximum Energy Efficiency

12/1/2022 12:00:00 AM

Today, with the development of microelectromechanical systems and the need for energy harvesters, extensive research has been conducted on energy harvesting systems, especially electrostatic systems. The role of Electret-free electrostatic converters is very important because these types of generators are very compatible with MEMS and CMOS technology and are very compact and efficient in small sizes. These generators use a variable capacitor structure to generate charges from a relative motion between two plates. Modeling the capacitance between two metal plates in an electrostatic nanogenerator plays a key role in designing, analyzing the performance and optimizing the structure of this type of generator. Electrostatic generators with periodic electrodes show high energy production capacity and high sensitivity to very small vibrations and are therefore more suitable for small-scale energy harvesting devices. This research presents equations for calculating the capacitance capacities in the structure of periodic groove electrodes by considering the effect of marginal fields by developing an analytical model obtained using conformal mapping technique. The formula obtained for modeling capacitors for the structure of periodic electrodes has an error of less than 2% for the structure of periodic groove electrodes and an error of 5% for checker electrodes, and this model is presented for a three-dimensional structure. The resulting formula uses the dimensional parameters of each electrode as well as the number of electrodes as input. The obtained formula is approved by COMSOL software. Finally, the developed formulas are used to calculate the energy generated by the electrostatic harvester with periodic electrodes. The results showed that the output power can be increased up to 40% by adjusting the width and distance between the electrodes of an energy-harvester.

برداشت كننده هاي انرژي الكترواستاتيكي , برداشت كننده هاي انرژي , مدلسازي ظرفيت هاي خازني , سيستم هاي ميكرو الكترومكانيكي

energy harvesting systems , electrostatic energy harvesting systems , microelectromechanical systems , capacitance modeling

Ali Soltanipour Juneghani

Javad Yavand Hasani