Symulacyjne badanie efektywności belkowego generatora piezoelektrycznego

Rozważania dotyczą układu pozyskiwania energii elektrycznej w postaci trójwarstwowej belki wysięgnikowej, składającej się ze stalowej warstwy środkowej i zewnętrznych warstw piezoelektrycznych. Odkształcenie belki wywołano przemieszczeniem jej swobodnego końca o ustalonej wartości. W pracy zbadano wpływ parametrów geometrycznych i materiałowych generatora belkowego na pozyskiwane napięcie i energię elektryczną. W porównawczych obliczeniach metodą elementów skończonych, przeprowadzonych przy zastosowaniu modeli płaskich i bryłowych, wykazano dostateczną dokładność modeli płaskich. Wyniki otrzymane uproszczoną metodą analityczną i metodą elementów skończonych przedstawiono graficznie w postaci zależności napięcia lub energii od stosunku grubości warstw. Dla wybranych sztywności warstw wyznaczono wartości stosunku ich grubości, którym odpowiada największa efektywność generatora. Zbliżone wyniki uzyskano w przypadku obu metod obliczeniowych.

The cantilever beam energy harvester consists of three layers, steel in the middle and the two outer piezoelectric layers, was considered. The strain of the beam was caused by the free end static deflection. The influence of the material and the geometry parameters of the beam generator on the generated voltage and the electrical energy was investigated. Sufficient accuracy of the plain and the solid FEM models were proved. The results obtained in the analytical and the FEM ways was compared and shown graphically as the relationship between the generated voltage or energy and the layer thickness ratio. The most effective, from the energy harvesting point of view, thickness and stiffness ratio of the layers was founded. The similar results from both calculation methods were obtained.