Abstract
This paper presents a topology for wideband piezoelectric wind energy harvesting and a design optimization method for capturing maximum available energy considering the wind speed distribution model. The proposed device is useful for powering of wireless sensor nodes in smart monitoring applications. The device includes a piezoelectric beam that vibrates due to the interactions between miniaturized permanent magnets (PMs) embedded in a small turbine and a magnet at the tip of the beam. The design method determines the resonance frequency of the beam with respect to the wind speed distribution model. Compared to the conventional wideband topologies that include multiple beams for resonating at different frequencies, the suggested topology uses a single beam and achieves the wideband feature via the arrangement of PMs within the turbine. This feature enhances the power density of the piezoelectric wind energy harvester. The wideband feature of the device is experimentally verified using a device prototype in which the beam resonance occurs at the fan rotational speeds of 155.0, 193.5, 257.9, and 387.0 rad/s. The maximum power density, maximum efficiency, and cut-in wind speed of the device are 0.59 m W/cm3, 24%, and 2.1 m/s, respectively
چکیده
در این مقاله، یک توپولوژی برای برداشت انرژی بادی پیزو الکتریک پهن باند و یک روش بهینه سازی طراحی برای دستیابی به حداکثر انرژی قابل دسترس با در نظر گرفتن مدل توزیع سرعت باد ارائه می شود. دستگاه پیشنهادی برای تأمین توان گره های حسگر بی سیم در کاربردهای نظارت هوشمند مفید است. این دستگاه شامل تیر پیزو الکتریکی است که به علت برهم کنش های بین آهنرباهای دائمی (PM) که به صورت کوچک ساخته شده و در توربین کوچکی جاسازی شده اند و آهنربایی در نوک تیر، ارتعاش می کند. روش طراحی، فرکانس رزونانس این تیر را با توجه به مدل توزیع سرعت باد تعیین می کند. در مقایسه با توپولوژی های پهن باند متعارف که شامل تیرهای متعددی برای رزونانس در فرکانس های مختلف می باشند، توپولوژی پیشنهادی تنها از یک تیر استفاده می کند و از طریق قرار دادن PM هایی در داخل توربین به مشخصۀ پهن باند دست می یابد. این مشخصه باعث افزایش چگالی توان برداشت کنندۀ انرژی بادی پیزو الکتریک می شود. مشخصۀ پهن باند این دستگاه از طریق آزمایش بر روی نمونۀ اولیۀ دستگاه تایید شده است، رزونانس تیر برای این نمونۀ اولیه در سرعت های چرخش فن 155.0، 193.5، 257.9 و 387.0 رادیان بر ثانیه رخ می دهد. حداکثر چگالی توان، حداکثر بازدهی، و سرعت باد راه انداز دستگاه به ترتیب برابر با 3mW/cm 59، 24٪، و m/s 2.1 هستند.
1-مقدمه
گره های حسگر بی سیم (WSN) خود-تامین نو ظهوری که به جای باتری از برداشت کننده های انرژی استفاده می کنند، عناصر کلیدی در گسترش شبکه های نظارت هوشمند خواهند بود [1] - [3]. تعویض باتری ها در شبکه های حسگر بیسیم، پروسۀ پرهزینه ای در جاهای دوردست و خارج از دسترس از قبیل نظارت بر سلامت سازه ها و دستگاه نظارت پراکنده در شبکه های هوشمند نو ظهور می باشد [4] - [7].