Hiệu suất của bộ thu thập năng lượng áp điện lên hệ phi tuyến kiểu Duffing – Trường hợp cộng hưởng chính

Bài báo "Hiệu suất của bộ thu thập năng lượng áp điện lên hệ phi tuyến kiểu Duffing – Trường hợp cộng hưởng chính" khảo sát hiệu suất thu thập năng lượng áp điện từ nguồn rung động được mô hình hóa bởi bộ dao dộng Duffing, một giếng thế năng khi chịu kích động nền điều hòa trong trường hợp cộng hưởng chính. Phương pháp trung bình được áp dụng để xác định các đáp ứng gần đúng của hệ cơ điện. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hiệu suất của bộ thu thập năng lượng áp điện lên hệ phi tuyến kiểu Duffing – Trường hợp cộng hưởng chính 143 Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ XI, Hà Nội, 02-03/12/2022 Hiệu suất của bộ thu thập năng lượng áp điện lên hệ phi tuyến kiểu Duffing – Trường hợp cộng hưởng chính Nguyễn Ngọc Linh1, Nguyễn Văn Mạnh2*, Nguyễn Đông Anh3 1 Khoa cơ khí, Trường đại học Thủy lợi 2 Khoa cơ khí, Trường đại học xây dựng Hà Nội 3 Khoa cơ và tự động hóa, Trường đại học công nghệ *Email: manhnv@huce.edu.vn Tóm tắt. Trong báo cáo này, chúng tôi khảo sát hiệu suất thu thập năng lượng áp điện từ nguồn rung động được mô hình hóa bởi bộ dao dộng Duffing, một giếng thế năng khi chịu kích động nền điều hòa trong trường hợp cộng hưởng chính. Phương pháp trung bình được áp dụng để xác định các đáp ứng gần đúng của hệ cơ điện. Các biểu thức phân tích gần đúng của biên độ, tần số đỉnh tương ứng trong trường hợp cộng hưởng chính của hệ cơ điện được trình bày. Những phân tích chi tiết và ảnh hưởng của các tham số cơ hệ về dòng công suất cơ học đầu vào, năng lượng điện tiềm năng, hiệu suất thu thập năng lượng được thể hiện. Tiếp theo một số mô phỏng sử dụng Matlab được thực hiện để thể hiện các so sánh định tính giữa trường hợp cộng hưởng chính và tuyến tính tại các tần số kích thích cơ bản. Từ khóa: Áp điện, phi tuyến, cộng hưởng chính.1. Mở đầu Ý tưởng về chuyển đổi rung động thành điện năng lần đầu tiên xuất hiện trong một bài báo củacác tác giả Williams và Yates [1] vào năm 1996. Williams và Yates đã mô tả các cơ chế thu thập, khaithác, chuyển đổi năng lượng cơ bản và cung cấp một mô hình khối lượng tập trung nhằm mô phỏngtổng công suất điện có thể thu thập từ điện từ. Theo Williams và Yates, có ba cơ chế chuyển đổi nănglượng từ dao động thành điện cơ bản là điện từ, tĩnh điện và áp điện. Đã có một số báo tổng hợp, đánhgiá tổng quát về các khía cạnh khác nhau trong lĩnh vực thu thập, khai thác, chuyển đổi năng lượng ápđiện, những ưu điểm và nhược điểm của các cơ chế chuyển đổi năng lượng đã được thảo luận kỹlưỡng bởi nhiều nhà nghiên cứu trên khắp thế giới [2],[3], [4],[5],[6],[7],[8]. So sánh số lượng các kếtquả được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu, có thể thấy cơ chế chuyển đổi, thu thập năng lượng điện từvật liệu áp điện đã nhận được sự quan tâm lớn nhất, đặc biệt là trong thập niên đã qua. Cụ thể, theo[8], thống kê các ấn phẩm trong hai thập kỷ gần đây không bao gồm các báo cáo hội nghị và đánh giáhội nghị, với từ khóa piezo và thu thập năng lượng trích từ Scopus bao gồm tổng số 4435 tài liệu,trong đó có 874 bài báo truy cập mở, 130 chương sách, và 36 cuốn sách. Các bộ thiết bị thu thập, khai thác, chuyển đổi năng lượng dựa trên nguyên tắc cộng hưởngtuyến tính không có khả năng thu thập năng lượng từ những dải tần số rộng hoặc các kích động có sựthay đổi tần số [2]. Để khắc phục nhược điểm đó trên các bộ thiết bị thu thập, khai thác, chuyển đổinăng lượng áp điện, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một số chiến lược, được cho là hiệu quả hơn để cảithiện khả năng mở rộng dải tần số cộng hưởng đó là mô tả đầy đủ tính phi tuyến tồn tại trong hệ cơđiện của bộ thu thập năng lượng. Một phân tích, đánh giá toàn diện về thu thập năng lượng áp điện phituyến bao gồm các kết quả nghiên cứu đạt được, xu hướng phát triển, đồng thời phát triển phươngpháp trung bình để xác định các đáp ứng của hệ cơ điện phi tuyến kiểu Duffing đã được Anh và cộngsự [9],[10] thực hiện trong các năm 2020 và 2021. Trong số các phương pháp phân tích, phương pháptrung bình là một trong những kỹ thuật hiệu quả và mạnh để phân tích các hiện tượng phi tuyến trongcác hệ động lực. Trong báo cáo này, chúng tôi tiếp tục áp dụng phương pháp trung bình để xác địnhcác đáp ứng hệ cơ điện của bộ thiết bị thu thập năng lượng áp điện phi tuyến kiểu Duffing, một giếngthế năng trong trường hợp cộng hưởng chính, các biểu thức giải tích gần đúng của dịch chuyển, điện 144 Nguyễn Ngọc Linh1, Nguyễn Văn Mạnh2* và Nguyễn Đông Anh3áp, công suất cơ học đầu vào, đầu ra, năng lượng đầu vào cơ học, năng lượng và hiệu suất thu thậpnăng lượng ở dạng hiển. Một số khảo sát nhằm phân tích ảnh hưởng của các tham số hệ cơ điện đếnđáp ứng, công suất, hiệu suất, đồng thời so sánh với trường hợp tuyến tính được thực hiện.2. Hệ cơ điện của bộ thiết bị thu thập năng lượng áp điện phi tuyến kiểu Duffing – trường hợp cộng hưởng chính2.1. Quan hệ biên độ - tần số của hệ cơ điện phi tuyến kiểu Duffing trường hợp cộng hưởng chính Theo [9], [10], mô hìn ...