بهبود کارآیی برداشت‌کننده انرژی دوپایا به کمک کنترل آشوب

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

رفتار آشوبناک در برداشت‌کننده‌های انرژی دوپایا باعث کاهش شدید انرژی برداشت‌شده می‌شود. علاوه بر کاهش انرژی برداشت‌شده، وجود این رفتار سبب می‌شود تا طراحی مدارهای واسط، پیچیده و پرهزینه شود. در این پژوهش، کنترل آشوب در برداشت‌کننده‌های انرژی دوپایا مورد بررسی قرار گرفته‌است. یک کنترل‌کننده، با کنترل بازخورد دارای تاخیر، برای از بین بردن آشوب به برداشت‌کننده انرژی دوپایا اضافه شده‌ است. سپس، محدوده پایداری بهره کنترل به کمک نگاشت پوآنکاره محاسبه شده‌ است. هم‌چنین، اثر پارامترهای اصلی برداشت‌کننده بر پایداری سامانه کنترل مطالعه شده است. پاسخ شبیه‌سازی عددی برداشت‌کننده انرژی دوپایای کنترل‌شده، نشان می‌دهد که رفتار آشوبناک ‌‌‌‌به‌خوبی توسط کنترل‌کننده به رفتار تناوبی تبدیل می‌شود. نمودار توازن انرژی نشان می‌دهد که انرژی صرف شده جهت کنترل برداشت‌کننده در مدت کوتاهی بازیابی می‌شود. برداشت‌کننده انرژی دوپایا با کنترل‌کننده آشوب، از نظر انرژی و توان خروجی، نسبت به برداشت‌کننده دوپایا بدون کنترل‌کننده، به طور قابل ملاحظه‌ای بهبود یافته است. توسط تغییر در بهره کنترلی، مدت زمان عبور انرژی تولیدی برداشت‌کننده با کنترل‌کننده از برداشت‌کننده بدون کنترل‌کننده به کمترین میزان خود رسید.

کلیدواژه‌ها


[1]  Wang J, Geng L, Ding L, Zhu H, Yurchenko D (2020) The state-of-the-art review on energy harvesting from flow-induced vibrations. Appl Energy 267(1): 114902.
[2] مامندی ا، جعفری ی (1400) بررسی بازدهی برداشت انرژی ارتعاشی تیر پیزوالکتریک با استفاده از روش اجزای محدود. مجله مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز 218-208 :(1)51.
[3]  Dell’Anna F, Dong T, Li P, Wen Y, Yang Z, Casu MR, Azadmehr M, Berg Y. (2018) State-of-the-art power management circuits for piezoelectric energy harvesters. IEEE Circuits Syst Mag 18(3): 27-48.
[4]  Salazar R, Serrano M, Abdelkefi A (2020)    Fatigue in piezoelectric ceramic vibrational   energy harvesting: A review. Appl Energy 270(4): 115161.
[5]  Gholikhani M, Roshani H, Dessouky S, Papagiannakis AT. (2020) A critical review of roadway energy harvesting technologies. Appl Energy 261(7): 114388.
[6]  Rafiqu S (2018) Piezoelectric vibration energy harvesting. Modeling & Experiments. Springer.
[7] سلمانی ح، رحیمی غ (1397) بررسی اثر تغییرات نمایی سطح مقطع بر ولتاژ خروجی برداشت کننده انرژی پیزوالکتریک با غیرخطینگی هندسی، اینرسی، ماده و میرایی مجله مهندسی مکانیک مدرس 442-434 :(2)18.
[8] معین‌فرد ح، خادم باشی م (1396) مدلسازی برداشت انرژی الکتریکی با استفاده از مواد پیزوالکتریک تحت تحریک اتفاقی از پایه. نشریه علمی مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 10-1 :(1)6.
[9]  Hosseini R, Hamedi M (2015) Improvements in energy harvesting capabilities by using different shapes of piezoelectric bimorphs. J Micromech Microeng 25(12): 125008.
[10] Selvan K, Mohamed Ali M (2016) Micro-scale energy harvesting devices: Review of methodological performances in the last decade. Renew Sustain Energy Rev 54(2016): 1035-1047.
[11] Deng Q, Kammoun M, Erturk A, Sharma P. (2014) Nanoscale flexoelectric energy harvesting. Int J Solids Struct 51(18):3218-3225.
[12] Petrini F, Giaralis A, Wang Z (2019) Optimal tuned mass-damper-inerter (TMDI) design in wind-excited tall buildings for occupants comfort serviceability performance and energy harvesting. Eng. Struct. 204(11): 109904.
[13] Tran N, Ghayesh M, Arjomandi M (2018)  Ambient vibration energy harvesters: A review on nonlinear techniques for performance enhancement. Int J Eng Sci 127(5): 162-185.
[14] حسینی مقدم س، لطافتی م­ح، حسینی ر (1396) برداشت انرژی ارتعاشی با استفاده از تیر یک سردرگیر با دو لایه پیزوالکتریک. نشریه علمی مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 9-1 :(1)7.
[15] Joo HK, Sapsis TP (2014) Performance measures for single-degree-of-freedom energy harvesters under stochastic excitation. J Sound Vib 333(19): 4695-4710.
[16] Haji Hosseinloo A, Turitsyn K. (2017)  Effective kinetic energy harvesting via structural instabilities. Act Passiv Smart Struct Integr Syst 10164(617): 101641G.
[17] Yildirim T, Ghayesh M, Li W, Alici G. (2017) A review on performance enhancement techniques for ambient vibration energy harvesters. Renew. Sustain. Energy Rev 71(4): 435-449.
[18] Daqaq M, Masana R, Erturk A, Dane Quinn D (2014) On the Role of Nonlinearities in Vibratory Energy Harvesting: A Critical Review and Discussion. App Mech Rev 66(4): 040801.
[19] McInnes C, Gorman D, Cartmell M (2008) Enhanced vibrational energy harvesting using nonlinear stochastic resonance. J Sound Vib 318(4-5): 655-662.
[20] Cottone F, Vocca H, Gammaitoni L. (2009) Nonlinear Energy Harvesting. Am. Phys. Soc. 102(8):080601.
[21] Harne R, Wang K. (2013) A review of the recent research on vibration energy harvesting via bistable systems. Smart Mater Struct 22(2): 023001.
[22] Daqaq M, Crespo R, Ha S. (2020) On the efficacy of charging a battery using a chaotic energy harvester. Nonlinear Dyn 99(2): 1525-1537.
[23] Kumar A, Ali S, Arockiarajan A. (2016) Enhanced energy harvesting from nonlinear oscillators via chaos control. IFAC-PapersOnline 49(1): 35-40.
[24] Ott E, Grebogi C, Yorke J (1990) Controlling chaos. Phys Rev Lett 64(11): 1196-1199.
[25] Huynh B, Tjahjowidodo T, Zhong ZW, Wang Y, Srikanth N (2018) Design and experiment of controlled bistable vortex induced vibration energy harvesting systems operating in chaotic regions. Mech Syst Signal Process 98(1): 1097-1115.
[26] Schuster H, Parlitz U, Kocarev L (2008) Handbook of Chaos Control. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co .KGaA.
[27] Masana R, Daqaq M (2011) Relative performance of a vibratory energy harvester in mono- and bi-stable potentials. J Sound Vib 21(10): 6036-6052.
[28] Xu C, Liang Z, Ren B, Di W, Luo H, Wang D, Wang K, Chen Z (2013) Bi-stable energy harvesting based on a simply supported piezoelectric buckled beam. J Appl Phys 114(11): 4507.
[29] Erturk A, Hoffmann J, Inman D. (2009) A piezomagnetoelastic structure for broadband vibration energy harvesting. Appl Phys 94(25): 4102.
[30] Panyam M, Masana R, Daqaq MF. (2014) On approximating the effective bandwidth of bi-stable energy harvesters. Int J Non Linear Mech 67(12): 153-163.
[31] Pyragas K (1992) Continuous control of chaos by self-controlling feedback. Phys. Lett. Sect. A Gen At Solid State Phys 170(6): 421-428.
[32] Fradkov A, Evans R. (2005) Control of chaos: Methods and applications in engineering. Annu Rev Control 29(1): 33-56.
[33] Pyragas K. (2006) Delayed feedback control of chaos. Philos. Trans R Soc A Math Phys Eng 364(1846): 2309-2334.
[34] Kittel A, Parisi J, Pyragas K (1995) Delayed feedback control of chaos by self-adapted delay time. Phys Lett 198(5-6): 433-436.
[35] Gani A, Salami M, Khan M (2003) Active vibration control of a beam with piezoelectric patches: Real-time implementation with xPC target. IEEE Conference on Control Applications - Proceedings 1(10): 538-544.
[36] Rahman N, Alam M (2012) Active vibration control of a piezoelectric beam using PID controller: Experimental study. Latin American J Solid Structures 9(4): 657-673.
[37] Yousefpour A, Haji Hosseinloo A, Hairi Yazdi M, Bahrami A (2020) Disturbance observer–based terminal sliding mode control for effective performance of a nonlinear vibration energy harvester. J Intell Mater Syst Struct 31(12): 1495-1510.
[38] Park J, Kwon O (2005) A novel criterion for delayed feedback control of time-delay chaotic systems. Chaos, Solitons & Fractals 23(2): 495-501.