تحليل پيزوترموالاستيك منابع نوين انرژي بر پايه نانوساختارها به منظور افزايش كارايي اين منابع

بحران‌هاي انرژي و زيست‌محيطي در ساليان اخير، حركت به سمت انرژي‌هاي پاك، تجديدپذير و پايدار در مقياس، ابعاد و كاربردهاي گوناگون را به امري اجتناب‌ناپذير بدل كرده است. در مقياس كوچك، به دنبال سيستم‌هايي پايدار، پاك و بدون نياز به تعمير و نگهداري هستيم تا بتوان از طريق آن‌ها، توان موردنياز سيستم‌هايي در ابعاد كوچك‌تر مانند سيستم‌هاي ميكروالكترومكانيكي، نانوالكترومكانيكي، تجهيزات پزشكي قابل كاشت در بدن انسان، تجهيزات الكترونيكي همراه، نانو ربات‌ها و... را تأمين كرد. در حال حاضر باتري‌ها متداول‌ترين تجهيز براي تأمين انرژي موردنياز اين نوع سيستم‌ها هستند. عمر محدود، لزوم دسترسي جهت تعويض، ابعاد بزرگ و وزن بالا (در مقايسه با كل سيستم) و صدمات زيست‌محيطي ناشي از دفع، از مشكلات بزرگ باتري‌ها به شمار مي‌روند. اختراع نانوژنراتور را مي‌توان پاسخي براي اين مشكلات در نظر گرفت. نانوژنراتورها كه از ساختارهايي در ابعاد ميكرو يا نانو به نام نانوسيم تشكيل يافته‌اند، از خاصيت پيزوالكتريسيته در برخي مواد خاص، براي استحصال انرژي از محيط بهره مي‌برند. اين منابع نوين انرژي، از ارتعاشات مكانيكي موجود در محيط، تنش‌هاي مكانيكي، جريان سيالات (مانند خون)، اختلاف حرارت و ...، براي تأمين انرژي موردنياز سيستم‌هاي موردنظر، استفاده مي‌كنند. از اهداف اصلي اين پايان‌نامه، تحليل و بررسي اثرات مكانيكي، الكتريكي و حرارتي در اين منابع نوين انرژي است. بدين منظور، به‌وسيله مدل‌سازي و شبيه‎سازي اجزاي نانوژنراتورها، روابط پيزوترموالاستيك، با استفاده از اصول هميلتونين و تئوري تنش كوپل اصلاح‌شده، استخراج شده‌اند. تئوري تنش كوپل اصلاح‌شده، ازجمله تئوري‌هاي غير كلاسيك مكانيك محيط‌هاي پيوسته است كه در آن، اثرات وابسته به ابعاد نيز گنجانده شده و ازاين‌رو براي تحليل سيستم‌هايي در ابعاد ميكرو و نانو، نتايج دقيق‌تري به دست مي‌دهد. سپس با بهره‌گيري از روش مربع سازي ديفرانسيلي تعميم‌يافته(GDQ)، به حل عددي معادلات حاصل، تحليل ديناميك و درنهايت، بررسي عوامل مؤثر در ولتاژ خروجي شامل اثر دما، فركانس و نيروي تحريك ورودي، نسبت دمپينگ و اثرات ابعادي نانوژنراتورهاي پيزوالكتريك، پرداخته شد. نتايج اين پژوهش مي‌تواند موجب بهبود عملكرد نانوژنراتورها گردد. همچنين با توجه به اينكه اين پايان‌نامه از نخستين پژوهش‌هاي جامع صورت گرفته بر روي نانوژنراتورهاي پيزوالكتريك در كشور است، مي‌تواند باعث معرفي هرچه بيشتر اين منابع نوين انرژي و حركت به سمت توليد و استفاده از آن‌ها در داخل كشور گردد.

190128

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي سيستم‌هاي انرژي - انرژي و محيط زيست

دكتر صادق صادق زاده