عنوان

طراحی و بهینه‌سازی سیستم برداشت انرژی برای استفاده در سیستم‌های نظارت بر سلامت

شماره

پ۲۵۱۸۶

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

طراحی و بهینه‌سازی سیستم برداشت انرژی برای استفاده در سیستم‌های نظارت بر سلامت

نام ناشر، پخش کننده و غيره

مهندسی برق و کامپیوتر

تاریخ نشرو بخش و غیره

۱۴۰۰

نام خاص و کميت اثر

۱۶۳ص.

مواد همراه اثر

سی دی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

دکتری

نظم درجات

مهندسی برق گرایش الکترونیک

زمان اعطا مدرک

۱۴۰۰/۰۶/۲۹

متن يادداشت

نانوژنراتورهای ترایبوالکتریک (TENGs) یک فناوری کارآمد جدید برای کاربردهای مختلف برداشت انرژی و پیشگام در تبدیل حرکت‌های مکانیکی با فرکانس پایین به انرژی الکتریکی هستند. پژوهشگران در سال‌های اخیر علاقه زیادی به تأمین انرژی مورد نیاز دستگاه‌های الکترونیکی قابل‌حمل با استفاده از TENGها نشان داده‌اند. تأثیر انتخاب مواد ترایبوالکتریک مناسب و روش‌های ساخت بهینه برای دست‌یابی به هزینه ساخت کم و برداشت انرژی مؤثر غیرقابل بحث است. این رساله نوار رسانای پلی‌استر بافته‌نشده نیکل/مس را به‌عنوان یک ماده ترایبوالکتریک جدید معرفی و مورد استفاده قرار می‌دهد و کارآیی آن را در بهبود خصوصیات الکتریکی دستگاه‌های برداشت انرژی ترایبوالکتریک و کاهش هزینه‌های تولید ثابت می‌کند. چگالی بار ترایبوالکتریکی سطح به‌عنوان یکی دیگر از عوامل تأثیرگذار در عملکرد خروجی نانوژنراتورهای ترایبوالکتریک نیز از طریق کاشت بارهای الکتریکی در سطح فیلم پلی تترافلورو اتیلن (PTFE) با استفاده از یک ماژول افزاینده ولتاژ کوچک و ارزان به‌عنوان ابزاری نوآورانه افزایش یافته است. ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه هشت TENG برای بررسی تأثیر مواد ترایبوالکتریک، خصوصیات فیزیکی سطح و فرایند کاشت بار بر عملکرد TENG بررسی می‌شود. این روش‌ها یک راه‌کار عملی برای کاهش هزینه‌های ساخت و افزایش عملکرد خروجی دستگاه‌های برداشت انرژی ترایبوالکتریک ارائه می‌دهند.در گام بعدی، ساختار اوریگامی Miura-Ori برای ساخت یک TENG جدید، انعطاف‌پذیر، سبک و کم‌هزینه (Miura-Ori-TENG) به کار گرفته شده است. برای اولین بار، فیلم مایلار (Mylar) به‌عنوان ساختار پشتیبان فنر‌مانند و انعطاف‌پذیر برای توسعه یك TENG اوریگامی مبتنی بر مایلار استفاده شد. برای بهبود عملکرد خروجی Miura-Ori-TENG، از کاغذ سنباده و روش مهرزنی برای افزایش ناحیه تماس مؤثر ترایبوالکتریک و از تخلیه کرونا دو‌طرفه برای به حداکثر رساندن چگالی بار ترایبوالکتریک استفاده شد. ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه Miura-Ori-TENG به ترتیب 308,6 ولت و 55,5 میکروآمپر و بیشینه مقدار توان لحظه‌ای آن 5,1 میلی‌وات تحت فرکانس تحریک 4 هرتز می‌باشند. یک مدار مدیریت توان خودکار و خودتوان برای به حداکثر رساندن انرژی انتقال‌یافته از Miura-Ori-TENG به بار الکتریکی طراحی و اجرایی شد و باعث افزایش 117,57 برابری انرژی ذخیره شده در یک خازن 1000 میکروفارادی گردید. با استفاده از آزمایشات مختلف نشان داده شده است که Miura-Ori-TENG توسعه‌یافته می‌تواند تجهیزات الکترونیکی مختلفی مانند LCD، ماشین‌حساب، حسگرهای بی‌سیم و دستگاه‌های نظارت بر سلامتی را با استفاده از مدار مدیریت توان پیشنهادی تغذیه کند. علاوه بر این، ولتاژ مدار باز 1050 ولت، جریان اتصال کوتاه 131 میکروآمپر و بیشینه توان لحظه‌ای 40 میلی‌وات با استفاده از گام گذاشتن بر روی Miura-Ori-TENG در هنگام راه رفتن انسان به دست آمد که نشان‌دهنده کاربردهای بالقوه نانوژنراتور ترایبوالکتریک پیشنهادی در کاربردهای برداشت انرژی در مقیاس بزرگ است.سرانجام بهینه‌سازی ظرفیت خازنی ذاتی TENG به‌طور کامل بررسی شده و تأثیر آن بر عملکرد خروجی TENG ارزیابی شده است. ظرفیت خازنی ذاتی اکثر TENGها بر‌حسب زمان تغییر کرده و انتقال توان مؤثر به بار را محدود می‌کند. راه‌حل این مشکل استفاده از یک خازن سری بهینه با TENG است که باعث تثبیت و کاهش تغییرات ظرفیت خازنی ذاتی آن می‌شود و عملکرد تولید توان را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، از لحاظ تئوری نشان داده شده است که این راه‌حل باعث افزایش ضریب شایستگی سیستم می‌شود که متناسب با بیشینه مقدار انرژی خروجی در یک چرخه کاری می‌باشد. با افزودن خازن سری با مقدار بهینه به Miura-Ori-TENG، انرژی ذخیره شده در یک خازن 1000 میکروفارادی به میزان 82,36% افزایش یافت. با توجه به نتایج عملی، استفاده از یک مدار مدیریت توان بهبود‌یافته می‌تواند به‌طور چشم‌گیری انرژی برداشت شده را افزایش دهد. در مقایسه با حالت استفاده مستقیم از Miura-Ori-TENG، استفاده هم‌زمان از روش بهینه‌سازی ظرفیت خازنی ذاتی و مدار مدیریت توان بهبود‌یافته، انرژی ذخیره شده در خازن 1000 میکروفارادی را به میزان 173,9 برابر افزایش داد. این یافته‌ها اهمیت بهینه‌سازی ظرفیت ذاتی TENG را در کنار مقاومت بار برجسته می‌کند که پیامدهای مهمی برای بهینه‌سازی بیشتر نانوژنراتورهای ترایبوالکتریک خواهد داشت و انتظار می‌رود این روش کاربرد سیستم‌های برداشت انرژی ترایبوالکتریکی را در زمینه‌های مختلف گسترش دهد.

متن يادداشت

Triboelectric nanogenerators (TENGs) are a new efficient technology for various energy harvesting applications and a pioneer in converting low-frequency mechanical motions into electrical energy. TENGs have drawn substantial interest in recent years to fulfill energy demands in portable electronic devices. The impact of appropriate material and manufacturing technologies are undisputable to achieve low cost and effective power harvesting. This study introduces and exploits conductive nickel/copper nonwoven polyester as new triboelectric material and proves its efficiency in improving the electrical characteristics of triboelectric energy harvesters and reducing production costs. The tribo-surface charge density as another influencing factor in the triboelectric nanogenerators (TENGs) output performance has also been addressed via pre-implanting charges into the surface of polytetrafluoroethylene (PTFE) film using a compact, small, and inexpensive boost step-up power module as an innovative tool. The open-circuit voltage and short-circuit current of eight TENGs are examined to assess the effect of the triboelectric materials, surface morphology, and charge-implantation process on the TENG performance. These methods provide a feasible way to reduce fabrication costs and increase the output performance of triboelectric energy harvesters.In the next step, the Miura-Ori origami structure was deployed to create a novel, flexible, lightweight, and low-cost TENG (Miura-Ori-TENG). For the first time, Mylar film was used as a supporting and flexible spring-like structure to develop a Mylar-based origami TENG. To improve the output performance of Miura-Ori-TENG, sandpaper imprinting was used to increase the effective triboelectric contact area, and double-sided corona discharging was used to maximize triboelectric charge density. The open-circuit voltage and short-circuit current could reach 308.6 V and 55.5 µA, respectively. Additionally, a peak power of ~5.1 mW was achieved under a stimulating frequency of 4 Hz. A self-powered and self-controlled power management circuit was designed and implemented to maximize the transferred energy from Miura-Ori-TENG to the electrical load resulting in 117.57 times increment in stored energy. It is demonstrated that the developed Miura-Ori-TENG could power various electronic equipment such as LCDs, calculators, wireless sensors, and health monitoring devices using the proposed power management circuit. Moreover, open-circuit voltage, short-circuit current, and instant output power of 1050 volts, 131 µA, and 40 mW were obtained using footsteps during human walking, which demonstrates potential applications of the Miura-Ori-TENG in large-scale energy harvesting applications.Finally, the TENG inherent capacitance optimization is fully studied, and its impact on the output performance of the TENG was assessed. The inherent capacitance of most TENGs varies over time, limiting effective power transfer to the load. The solution is to incorporate an optimal series capacitor with the TENG, which stabilizes the variations in its inherent capacitance and improves power generation performance. Moreover, it is theoretically demonstrated that this solution increases the system figure of merit, which defines the peak output power in a single cycle. With the addition of an optimum series capacitor into TENG, the stored energy in a 1000 μF capacitor has been increased by 82.36%. According to the experimental results, using a modified power management circuit can dramatically boost the harvested power. Compared to directly using the TENG, the proposed capacitance optimization method and modified power management circuit increased the stored energy in a 1000 μF capacitor up to 173.9 times. These findings highlight the significance of optimizing TENG inherent capacitance as well as the load resistance, which has important implications for further optimizing triboelectric nanogenerators. This method is expected to broaden the applications of TENG devices in a variety of fields.

عنوان گونه گون

: Design and Optimization of an Energy Harvesting System for Use in Health-Monitoring Systems

عنصر شناسه اي

زرگری

ساير عناصر نام

‏ سیاوش

کد نقش

تهيه کننده

عنصر شناسه اي

دائی کوزه‌کنانی

عنصر شناسه اي

ولادی

عنصر شناسه اي

صبحی

ساير عناصر نام

‏ ضیاالدین

ساير عناصر نام

‏ هادی

ساير عناصر نام

‏ جعفر

تاريخ

استاد راهنما

تاريخ

استاد مشاور

تاريخ

استاد مشاور

عنصر شناسه اي

‏ تبریز