Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Động lực học phi tuyến và nâng cao hiệu suất của các bộ thu năng lượng bistable tiềm năng bất đối xứng
Tóm tắt
Hệ thống bistable thể hiện hành vi động học phức tạp đã được coi là một phương pháp hiệu quả để vượt qua vấn đề của bộ thu năng lượng tuyến tính chỉ hoạt động tốt gần tần số cộng hưởng. Hơn nữa, các chiến lược nâng cao hiệu suất của các bộ thu năng lượng bistable đã được thảo luận rộng rãi chủ yếu cho các hệ thống có tiềm năng hoàn toàn đối xứng. Do sự tồn tại của các khuyết điểm do quá trình sản xuất không đồng nhất của các bộ thu, sự lệch tâm của việc uốn cong hoặc lực từ và trọng lực không đồng đều, các đặc tính động học và nâng cao hiệu suất của việc thu năng lượng tiềm năng bất đối xứng vẫn còn là một vấn đề mở. Do đó, bài báo này điều tra cơ chế ảnh hưởng và nâng cao hiệu suất của một hệ thống thu năng lượng bistable dựa trên thanh cantilever với các tiềm năng bất đối xứng. Các sơ đồ phân nhánh của các phương trình điện cơ không có kích thước được sử dụng để khám phá ảnh hưởng của những tiềm năng bất đối xứng lên phản ứng đầu ra. Dựa trên các kết quả số, một phương pháp nâng cao hiệu suất được đề xuất bằng cách bù đắp cho các tiềm năng bất đối xứng với một độ thiên thích hợp của hệ thống để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của các tiềm năng bất đối xứng đối với việc thu năng lượng bistable. Góc thiên tối ưu được suy ra và các mô phỏng số dưới các tác động tần số không đổi và quét cho thấy rằng hiệu suất của các bộ thu năng lượng bistable tiềm năng bất đối xứng được nâng cao trong một khoảng góc thiên nhất định xung quanh giá trị tối ưu. Hai bộ thu năng lượng bistable với các hàm năng lượng tiềm năng bất đối xứng khác nhau được nghiên cứu trong các thí nghiệm và kết quả xác minh tính hiệu quả của phương pháp đề xuất nhằm cải thiện hiệu suất thu năng lượng.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Harne, R.L., Wang, K.W.: A review of the recent research on vibration energy harvesting via bistable systems. Smart Mater. Struct. 22(2), 023001 (2013)
Pellegrini, S.P., Tolou, N., Schenk, M., Herder, J.L.: Bistable vibration energy harvesters: A review. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 24(11), 1303–1312 (2012)
Twiefel, J., Westermann, H.: Survey on broadband techniques for vibration energy harvesting. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 24(11), 1291–1302 (2013)
He, X.Q., Rafiee, M., Mareishi, S.: Nonlinear dynamics of piezoelectric nanocomposite energy harvesters under parametric resonance. Nonlinear Dyn. 79(3), 1863–1880 (2014)
Li, H., Qin, W.: Dynamics and coherence resonance of a laminated piezoelectric beam for energy harvesting. Nonlinear Dyn. 81(4), 1751–1757 (2015)
Daqaq, M.F.: Transduction of a bistable inductive generator driven by white and exponentially correlated Gaussian noise. J. Sound Vib. 330(11), 2554–2564 (2011)
Daqaq, M.F., Masana, R., Erturk, A., Dane Quinn, D.: On the role of nonlinearities in vibratory energy harvesting: a critical review and discussion. Appl. Mech. Rev. 66(4), 040801 (2014)
Mitcheson, P.D., Yeatman, E.M., Rao, G.K., Holmes, A.S., Green, T.C.: Energy harvesting from human and machine motion for wireless electronic devices. Proc. IEEE 96(9), 1457–1486 (2008)
Neiss, S., Goldschmidtboeing, F., Kroener, M., Woias, P.: Analytical model for nonlinear piezoelectric energy harvesting devices. Smart Mater. Struct. 23(10), 105031 (2014)
Zhang, Y., Tang, L., Liu, K.: Piezoelectric energy harvesting with a nonlinear energy sink. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 28(3), 307–322 (2016)
Arrieta, A.F., Hagedorn, P., Erturk, A., Inman, D.J.: A piezoelectric bistable plate for nonlinear broadband energy harvesting. Appl. Phys. Lett. 97(10), 104102 (2010)
Cottone, F., Vocca, H., Gammaitoni, L.: Nonlinear energy harvesting. Phys. Rev. Lett. (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.080601
Erturk, A., Inman, D.J.: Broadband piezoelectric power generation on high-energy orbits of the bistable Duffing oscillator with electromechanical coupling. J. Sound Vib. 330(10), 2339–2353 (2011)
Cao, J., Wang, W., Zhou, S., Inman, D.J., Lin, J.: Nonlinear time-varying potential bistable energy harvesting from human motion. Appl. Phys. Lett. 107(14), 143904 (2015)
Kim, P., Seok, J.: A multi-stable energy harvester: dynamic modeling and bifurcation analysis. J. Sound Vib. 333(21), 5525–5547 (2014)
Kumar, K.A., Ali, S.F., Arockiarajan, A.: Magneto-elastic oscillator: modeling and analysis with nonlinear magnetic interaction. J. Sound Vib. 393, 265–284 (2017)
Stanton, S.C., McGehee, C.C., Mann, B.P.: Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting. Appl. Phys. Lett. 95(17), 174103 (2009)
Zhou, S., Cao, J., Lin, J.: Theoretical analysis and experimental verification for improving energy harvesting performance of nonlinear monostable energy harvesters. Nonlinear Dyn. 86(3), 1599–1611 (2016)
Erturk, A., Hoffmann, J., Inman, D.J.: A piezomagnetoelastic structure for broadband vibration energy harvesting. Appl. Phys. Lett. 94(25), 254102 (2009)
Daqaq, M.F.: On intentional introduction of stiffness nonlinearities for energy harvesting under white Gaussian excitations. Nonlinear Dyn. 69(3), 1063–1079 (2012)
Zhou, S., Cao, J., Inman, D.J., Lin, J., Liu, S., Wang, Z.: Broadband tristable energy harvester: modeling and experiment verification. Appl. Energy 133, 33–39 (2014)
Cao, J.Y., Zhou, S.X., Wang, W., Lin, J.: Influence of potential well depth on nonlinear tristable energy harvesting. Appl. Phys. Lett. 106(17), 173903 (2015)
Kim, P., Seok, J.: Dynamic and energetic characteristics of a tri-stable magnetopiezoelastic energy harvester. Mech. Mach. Theory 94, 41–63 (2015)
Kim, P., Son, D., Seok, J.: Triple-well potential with a uniform depth: advantageous aspects in designing a multi-stable energy harvester. Appl. Phys. Lett. 108(24), 243902 (2016)
Panyam, M., Daqaq, M.F.: Characterizing the effective bandwidth of tri-stable energy harvesters. J. Sound Vib. 386, 336–358 (2017)
Li, H., Qin, W., Lan, C., Deng, W., Zhou, Z.: Dynamics and coherence resonance of tri-stable energy harvesting system. Smart Mater. Struct. 25(1), 015001 (2016)
Zhou, Z., Qin, W., Zhu, P.: Improve efficiency of harvesting random energy by snap-through in a quad-stable harvester. Sens. Actuators A 243, 151–158 (2016)
Zhou, Z., Qin, W., Zhu, P.: A broadband quad-stable energy harvester and its advantages over bi-stable harvester: simulation and experiment verification. Mech. Syst. Signal Process. 84, 158–168 (2017)
Harne, R.L., Wang, K.W.: Prospects for nonlinear energy harvesting systems designed near the elastic stability limit when driven by colored noise. J. Vib. Acoust. 136(2), 021009 (2013)
Halvorsen, E.: Fundamental issues in nonlinear wideband-vibration energy harvesting. Phys. Rev. E. (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.87.042129
He, Q.F., Daqaq, M.F.: Influence of potential function asymmetries on the performance of nonlinear energy harvesters under white noise. J. Sound Vib. 333(15), 3479–3489 (2014)
Erturk, A., Inman, D.J.: Piezoelectric Energy Harvesting. Wiley, New York (2008)
Cao, J., Zhou, S., Inman, D.J., Chen, Y.: Chaos in the fractionally damped broadband piezoelectric energy generator. Nonlinear Dyn. 80(4), 1705–1719 (2015)