برداشت انرژی از ارتعاشات تیر با وصله پیزوالکتریک تحت جرم غیرتماسی گذرا قابل استفاده در سرعت‌گیرها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان 8415683111، ایران

2 دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکده مهندسی مکانیک

10.61186/masm.4.4.579
چکیده
در این پژوهش، رویکردی نوین برای برداشت انرژی از عبور خودروها از روی سرعت‌گیر با استفاده از مواد پیزوالکتریک ارائه شده است. هدف اصلی، تبدیل ارتعاشات مکانیکی ناشی از حرکت خودروها به انرژی الکتریکی برای تامین انرژی دستگاه‌های کم‌مصرف شهری، مانند حسگرهای ترافیکی و چراغ‌های هشدار خیابانی است. به‌منظور شبیه‌سازی، از یک مدل تیر یک‌سرگیردار مجهز به وصله‌ پیزوالکتریک استفاده شده که توسط نیروی مغناطیسی به صورت غیرتماسی تحریک می‌شود. معادلات حرکت این سیستم به روش اویلر-برنولی استخراج و با استفاده از نرم‌افزار متلب حل شده‌اند. اعتبارسنجی مدل با آزمایش‌های تجربی برای دو سرعت جرم عبوری و سه فاصله جرم از تیر انجام گرفته و نتایج نشان‌دهنده دقت مناسب مدل ریاضی در تطابق با داده‌های تجربی هستند. تحلیل‌ها حاکی از آن است که افزایش سرعت جرم عبوری باعث کاهش ولتاژ خروجی شده و افزایش فاصله جسم از آهنربا نیز منجر به کاهش نیروی مغناطیسی و افت ولتاژ تولیدی می‌شود. همچنین، بررسی‌ها نشان می‌دهد که در تنظیمات بهینه، این سیستم می‌تواند راندمان مناسبی در تولید توان ارائه دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Energy Harvesting from Beam Vibrations with Piezoelectric Patch under Transient Non-Contact Mass, Applicable in Speed Bumps

نویسندگان English

Ramin Nasiri 1
Reza Tikani 2
Mostafa Ghayour 1
1 Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan 8415683111, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology
چکیده English

This study proposes an innovative method for harvesting energy from vehicles as they pass over speed bumps by leveraging piezoelectric materials. The core aim is to harness mechanical vibrations produced by vehicle motion and convert them into electrical energy, which can then be used to power low-energy urban infrastructure, such as traffic sensors and street lighting. To simulate this process, a cantilever beam model fitted with a piezoelectric patch was utilized, with excitation through non-contact magnetic force. The equations of motion were formulated based on the Euler-Bernoulli beam theory and subsequently solved numerically using MATLAB. Experimental validation was carried out by testing the system at two distinct velocities of the passing mass and three varying distances between the mass and the beam. The results show a good correlation between the mathematical model and the experimental data, confirming the model's reliability. Analyses indicate that increasing the velocity of the passing mass causes a decrease in the output voltage, and increasing the distance of the object from the magnet also leads to a decrease in the magnetic force and a drop in the generated voltage. Moreover, the findings suggest that, when optimized, the system can deliver a promising level of efficiency in generating power.

کلیدواژه‌ها English

Energy harvesting
Piezoelectric
Traffic sensors
Speed bumps
[1]   Khorshidi K, Karimi M, and Rezaeisaray M. Piezoelectric Energy Harvesting from Functionally Graded Beams Using Modified Shear Deformation Theories. Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2022;2: 136–154.
[2]   Wang S, Wang C, Yuan H, Ji X, Yu G, and Jia X, Size effect of piezoelectric energy harvester for road with high efficiency electrical properties. Appl Energy, 2023; 330: 120379.
[3]   Chen C, Xu T.-B, Yazdani A, and Sun J.-Q. A high density piezoelectric energy harvesting device from highway traffic — System design and road test. Appl Energy. 2021; 299: 117331.
[4]   Zhang Y, Lai Q, Wang J, and. Lü C. Piezoelectric Energy Harvesting from Roadways under Open-Traffic Conditions: Analysis and Optimization with Scaling Law Method. Energies (Basel). 2022; 15: 3395.
[5]   Chen Y, Zhang H, Zhang Y, Li C, Yang Q, Zheng H, Lü C. Mechanical Energy Harvesting From Road Pavements Under Vehicular Load Using Embedded Piezoelectric Elements. J Appl Mech. 2016; 83: 4033433.
[6]   Wang C, Zhou R, Wang S, Yuan H, Cao H. Structure optimization and performance of piezoelectric energy harvester for improving road power generation effect. Energy. 2023; 270: 126896.
[7]   Ding G, Zhao X, Wang J, Xu C. Vibration energy harvesting from roads under traffic loads. Road Materials and Pavement Design. 2020; 21: 780–799.
[8]   Zhang H, Huang K, Zhang Z, Xiang T, and Quan L. Piezoelectric Energy Harvesting From Roadways Based on Pavement Compatible Package. J Appl Mech. 2019; 86: 091012.
[9]   Wang C, Zhao J, Li Q, and Li Y. Optimization design and experimental investigation of piezoelectric energy harvesting devices for pavement. Appl Energy. 2018; 229: 18–30.
[10] Wang J, Qin X, Liu Z, Shi K, Ding G, Li X, Cai G . Experimental field study on a full-scale road piezoelectric energy harvester. Smart Mater Struct. 2022; 31: 055003.
[11] Song Y, Yang CH, Hong SK, Hwang SJ, Kim JH, Choi JY, Ryu SK, Sung TH. Road energy harvester designed as a macro-power source using the piezoelectric effect. Int J Hydrogen Energy. 2016; 41: 12563–12568.
[12] Huang K, Zhang H, Jiang J, Zhang Y, Zhou Y, Sun L, Zhang Y. The optimal design of a piezoelectric energy harvester for smart pavements. Int J Mech Sci. 2022; 232: 107609.
[13] Jang SJ, Kim BR, Lee D, Lee SR. Design and analysis of the road energy harvester with an elastic element. Proc Inst Mech Eng C J Mech Eng Sci. 2025; 09544062251314310.
[14] Feng L, Wang C, Yang J, Li Z, Li J, He L. A Piezoelectric Electromagnetic Composite Energy Harvester for Collecting Pedestrian Walking Energy. physica status solidi (a).2025; 222: 202400311.
دوره 4، شماره 4
زمستان 1403
صفحه 579-596

  • تاریخ دریافت 25 دی 1403
  • تاریخ بازنگری 12 اسفند 1403
  • تاریخ پذیرش 27 اسفند 1403