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Jun 27, 2023

渦を受けるシリンダーからの圧電エネルギーの抽出

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6924 (2023) この記事を引用 863 アクセス メトリクスの詳細 内部エネルギーを利用して海流/風からの運動エネルギーを利用する新しい概念

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6924 (2023) この記事を引用

863 アクセス

メトリクスの詳細

クリーンで持続可能な電力を生成することで増大する世界的なエネルギー需要に対処するために、内部共鳴によって海流/風からの運動エネルギーを利用するという新しい概念が提案されています。 この研究では、非線形回転重力振り子を使用して、広範囲の流速に対して弾性的に取り付けられたシリンダーをオートパラメトリックに励起します。 この概念は、エネルギーハーベスティングの非同期領域における渦誘起振動 (VIV) によるシリンダーの振動振幅を増加させるために採用されています。 これに関して、振り子が取り付けられたシリンダーからなり、底部に取り付けられた圧電トランスデューサーでエネルギーが収集される、VIV ベースのエネルギー収集デバイスが提案されています。 シリンダーは流体の流れを受けると VIV を起こし、これにより結合された流体-多体シリンダー-振り子システムがオートパラメトリックに励起されます。 非同期領域では、渦の放出周波数が振り子の固有周波数の 2 倍になると、内部共振が発生します。 これは、他の方法では起こらない、シリンダーのより高い振動振幅を達成するのに役立ちます。 この研究は、シリンダが流体の影響を受けてクロスフロー渦誘発振動を自由に示す 2 自由度 (2-DoF) のシリンダ振り子システムに焦点を当てています。 この研究の目的は、システムの VIV 特性と圧電効率に対する非線形回転重力振り子 (NRGP) の影響を数値的に調査することです。 数値モデルは、圧電構成方程式と結合した後流振動子モデルに基づいています。 NRGP デバイスの周波数比、質量比、ねじり減衰比、および振り子長に対するシリンダー直径の比が VIV による応答特性に及ぼす影響も調査されました。 電気張力と効率に関する詳細な比較解析は、NRGP を使用した場合と使用しない場合のシリンダーについて、広範囲の減速速度を持つ流れに対して数値的に実行されます。 振り子と VIV を受けているシリンダーの間の内部共振が発生する電気張力に与える影響に関する包括的な研究も報告されています。

渦誘起振動 (VIV) は、構造が流体の流れにさらされたときに観察できる実用的な意味を持つ最も一般的な流体力学現象の 1 つです。 VIV は、Roshko1、Griffin、Ramberg2、Bearman3 などの多くの研究者によって詳細に研究されています。 Williamson と Govardhan4、Sarpkaya5 のレビュー記事、および Belvins6、Sumer、Fredsoe7 の書籍に記載されています。 過去数十年にわたり、多くの研究者は、渦によって引き起こされる構造物の動きを利用して流体運動エネルギーを利用し、それを電気エネルギーに変換するさまざまな方法に焦点を当ててきました8,9。 構造コンポーネントの VIV は、静電発電機 10、電磁発電機 11、および圧電発電機 12 を使用して電力に変換でき、マイクロ電気機械システムに電力を供給したり、遠隔地にあるバッテリーを充電したりするために使用できます。 これらの小規模エネルギー発生源は、近くの電子機器や自己電源型デバイスに電力を供給するのに役立ちます13。 実際の VIV 問題では、電気機械システムは周囲のノイズ、つまり流入する流れの変動やシステムの幾何学的欠陥の影響を受けやすく、動的挙動に大きな影響を与える可能性があることに注意してください。 したがって、効率的なエネルギーハーベスティングのために、さまざまな確率的ノイズの影響もさまざまな研究者によって調査されています 14,15。

近年、圧電トランスデューサを使用して VIV からエネルギーを効率的に抽出する方法に焦点を当てた多くの貢献が行われています。 これらのトランスデューサは、ひずみエネルギーを電気エネルギーに変換する独自の機能を備えています。 エネルギーを抽出する最も一般的で簡単な方法は、圧電材料を柔軟/弾性的に取り付けられた構造に取り付けることです。 Truitt16 は、旗状の膜にポリフッ化ビニリデン (PVDF) 圧電材料を固定することにより、風力発電のエネルギーハーベスターを考案し、最大出力 1.5 mW を獲得しました。 Song ら 17 は、カンチレバーとして圧電膜で接続された 2 つのタンデム シリンダーの VIV および伴流誘起振動 (WIV) を利用したエネルギーハーベスティングの新しい概念を提案し、最大出力 21 \(\mu\)W を記録しました。 Wang と Ko18 は、流体流路上に固定された圧電フィルムからエネルギーを収集しました。 数値研究は、圧電材料で固定された弾性的に取り付けられたシリンダーの振動を結合する電気機械支配方程式を使用して、Mehmood et al.19 によって実施されました。 彼らは、負荷抵抗によって同期幅と振幅に大きな影響があることが観察されました。 Franzini と Bunzel20 は、VIV を適用した圧電ハーベスターに取り付けられたシリンダーからの出力に関する数値調査を実施しました。 彼らの研究では、一方向 (クロスフロー) および双方向 (クロスフローおよびインライン) VIV に関する 2 つの異なる構成が研究されました。 どちらの構成でも、渦放出の周波数が構造周波数に近い場合、つまりロックイン領域にある場合に、出力と効率が高くなりました。 一方向および双方向 VIV の最大出力はそれぞれ 2.6 mW と 11 mW であると報告されています。 実験的調査は、2880 から 22300 の範囲のレイノルズ数 (Re) で VIV を受けるピボットシリンダーについて Arionfard とNishi21 によって実施され、最大出力 60 mW が報告されました。 その後の実験研究で、Nishi et al.22 は、発電機と VIV にさらされた一次シリンダーの間に二次シリンダーを配置することでエネルギーを効率的に抽出する方法を提案しました。これにより、電気張力 (電圧) が最大 9 V まで増加しました。 , Soti ら 23 は、シリンダーを磁石に取り付けると、\(Re = 150\) で最大 0.13 の最大無次元パワーが得られると報告しました。 また、エネルギーハーベスティングは、Lu et al. 24 で 2 自由度 (2-DoF) システムを形成する二次質量バネが取り付けられたクロスフロー振動円筒上でも調査されました。24 2 つの「ロックイン」領域が観察されましたこのシステムでは、システムの 1 次および 2 次の共振に対応します。 Hu らによる研究 25,26 では、ギャロッピングのエネルギー収集能力と空力弾性およびベース励起の同時発生を評価するために、2-DoF システムに関して理論分析が実行されました。 これらの研究は、高質量比を扱う空力弾性の観点から実施されました。 ただし、海洋環境や流体力学環境で一般に観察される、質量比が低い場合の流れ誘発効果の解析はさらに困難になります。 圧電エネルギーハーベスティング用のさまざまなデバイスの最近の開発に関する詳細な議論は、Elahi et al.27 によるレビュー記事に記載されています。