Đánh giá khả năng phát điện của thiết bị sử dụng vật liệu áp điện và bài toán cộng hưởng

  • Cơ quan:

    Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam

  • *Tác giả liên hệ:
    This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
  • Nhận bài: 01-11-2023
  • Sửa xong: 21-01-2024
  • Chấp nhận: 29-01-2024
  • Ngày đăng: 01-02-2024
Trang: 37 - 46
Lượt xem: 330
Lượt tải: 2
Yêu thích: , Số lượt: 0
Bạn yêu thích

Tóm tắt:

Nghiên cứu trong bài báo này mô tả một thiết bị phát điện sử dụng vật liệu áp điện để biến đổi năng lượng cơ học thành điện năng nhằm đáp ứng nhu cầu cung cấp năng lượng điện cho các thiết bị thông minh đang ngày càng phổ biến trong thời đại công nghiệp 4.0. Vật liệu áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện để phát điện, khi có ngoại lực tác động sẽ tạo cơ chế phân cực trong mạng tinh thể, từ đó tạo ra các phần tử tích điện trái dấu trong khối vật chất. Khối vật liệu áp điện sẽ được gắn trên kết cấu cơ khí dạng dầm công-xôn để kích thích dao động, tạo hiệu ứng kéo nén liên tục trên khối vật liệu, từ đó tạo ra được một dòng chuyển động liên tục của các điện tích tạo ra được dòng điện. Dao động của dầm công-xôn là tổ hợp của các dạng dao động (mode shapes) với các tần số dao động riêng khác nhau. Khi ngoại lực tác động có cùng tần số với các tần số riêng này sẽ tạo được hiệu ứng cộng hưởng, tạo ra được ứng suất lớn nhất trên khối vật liệu. Đồng thời, điện áp tạo ra trên khối vật liệu tỷ lệ thuận với ứng suất bên trong khối, do đó biên độ của ngoại lực càng lớn thì công suất phát điện càng cao. Từ đó, khả năng phát điện tối đa của thiết bị sẽ phụ thuộc vào hai yếu tố là tần số dao động của ngoại lực xác định theo điều kiện cộng hưởng và biên độ tối đa xác định theo điều kiện bền. Tuy công suất của nguồn điện được tạo ra từ thiết bị không lớn, nhưng những ưu điểm đặc biệt của vật liệu và hiệu ứng áp điện chứng tỏ tiền năng rất lớn của thiết bị trong giải quyết các vấn đề năng lượng thực tế.

Trích dẫn
Đoàn Công Luận, Đoàn Văn Giáp và Lê Thị Hồng Thắng, 2024. Đánh giá khả năng phát điện của thiết bị sử dụng vật liệu áp điện và bài toán cộng hưởng, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 65, kỳ 1, tr. 37-46.
Tài liệu tham khảo

Abraham, K. M. (2015). Prospects and limits of energy storage in batteries. The journal of physical chemistry letters, 6(5), 830-844.

Ali, F., Raza, W., Li, X., Gul, H., and Kim, K. H. (2019). Piezoelectric energy harvesters for biomedical applications. Nano Energy, 57, 879-902. https: //doi.org/https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.01.012

Banakh, L., and Kempner, M. (2010). Vibrations of mechanical systems with regular structure. Springer Science and Business Media.

Beléndez, T., Neipp, C., and Beléndez, A. (2002). Large and small deflections of a cantilever beam. European journal of physics, 23(3), 371.

Dineva, P., Gross, D., Müller, R., Rangelov, T., Dineva, P., Gross, D., . . . Rangelov, T. (2014). Piezoelectric Cracked Finite Solids Under Time-Harmonic Loading. Dynamic Fracture of Piezoelectric Materials: Solution of Time-Harmonic Problems via BIEM, 105-116.

Ericka, M., Vasic, D., Costa, F., Poulin, G., and Tliba, S. (2005). Energy harvesting from vibration using a piezoelectric membrane. In Journal de Physique IV (Proceedings), 128, 187-193. EDP sciences.

Gallo, C. A., Tofoli, F., Rade, D., and Steffen, J. V. (2012). Piezoelectric actuators applied to neutralize mechanical vibrations. Journal of Vibration and Control, 18(11), 1650-1660. https://doi.org/10.1177/1077546311422549

Greenberg, B. A., Ivanov, M. A., Pilyugin, V. P., Pushkin, M. S., Tolmachev, T. P., and Patselov, A. M. (2021). Silicon Oxygen Quartz Tetrahedra and Consolidation Processes during High-Pressure Torsion. Russian Metallurgy (Metally), 2021(4), 449-453. https://doi.org/ 10.1134/S003602952104011X.

Kabir, E., Kumar, P., Kumar, S., Adelodun, A. A., Kim, K.-H. J. R., and Reviews, S. E. (2018). Solar energy: Potential and future prospects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82, 894-900.

Khennane, A. (2013). Introduction to finite element analysis using MATLAB® and Abaqus. CRC Press.

Landa, P. S., and McClintock, P. V. (2000). Vibrational resonance. Journal of Physics A: Mathematical and general, 33(45), L433.

Repetto, C. E., Roatta, A., and Welti, R. J. (2012). Forced vibrations of a cantilever beam. European Journal of Physics, 33(5), 1187. https://doi.org/10.1088/0143-0807/33/5/ 1187.

Roundy, S., Wright, P. K., and Rabaey, J. (2003). A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes. Computer communications, 26(11), 1131-1144.

Schwab, K. (2017). The Fourth Industrial Revolution. Currency. https://books.google. com.vn/books?id=ST_FDAAAQBAJ.

Sheeraz, M. A., Butt, Z., Khan, A. M., Mehmood, S., Ali, A., Azeem, M., ... and Imtiaz, T. (2019). Design and optimization of piezoelectric transducer (PZT-5H stack). Journal of Electronic Materials, 48, 6487-6502.

Wikipedia. Lead_zirconate_titanate. https://en. wikipedia.org/wiki/Lead_zirconate_titanate.