طراحی و ساخت میکروژنراتور پیزوالکتریک

هدف از انجام پروژه حاضر مدلسازی، طراحی و ساخت میکروژنراتوری است که با جذب انرژی ارتعاشات ماشین آلات، ابزارآلات و مانند آن برق تولید می کند. در این پروژه ابتدا طراحی اولیه و مدل سازی ریاضی مسأله انجام شده است. سپس بهینه سازی ابعاد یک میکروژنراتور پیزوالکتریک طرح شده است. در طراحی یک میکروژنراتور بعد از تعیین ساختار کلی دستگاه، اولین و مهمترین اقدام، تعیین ابعاد اجزای مختلف آن (شامل بدنه تیر محرک ارتعاش، وزنه سر آن و ابعاد پیزوالکتریک) است. در این مطالعه که فقط بخش مکانیکی دستگاه مد نظر است، سه قید فرکانس معین، تحمل شکست و حجم محدود برای بهینه سازی در نظر گرفته و روابط آن استخراج شده است. تابع هدف بهینه سازی توان مخصوص در واحد حجم دستگاه است. برای بهینه سازی از یک روش ترکیبی استفاده شده است. این روش مرکب از یک الگوریتم کلاسیک و الگوریتم ژنتیک میباشد که با ترکیب این دو و استفاده از مزایای هر کدام، تبدیل به ابزاری قدرتمند برای بهینه سازی شده است. در ادامه امکان سنجی استفاده از میکروژنراتورهای پیزوالکتریک در سامانه mwd حفاری انجام شده است. بنابه جستجوهای انجام شده این ایده برای اولین بار است که در دنیا مطرح می شود. در حال حاضر در سامانه mwd از باتری بعنوان منبع تغذیه استفاده می شود که مشکلاتی دارد. دو مشکل عمده باتری محدودیت ظرفیت و محدودیت دمای کاری آن است. این دو مسأله بالتبع محدودیت ها و هزینه هایی در عملیات حفاری چاه های نفت و گاز پدید می آورد. اگر بتوان انرژی های اتلافی پیرامون مته حفاری مانند ارتعاشات را استحصال کرد، می توان تغذیه mwd را تأمین نمود. در این مقاله تأکید بر روی ارتعاشات مته است که می توان با پیزو-ژنراتور استحصال نمود. مطالعات و شبیه سازی های انجام شده در تحقیق حاضر نشان می دهد که یک میکروژنراتور پیزوالکتریک می تواند بتنهایی تغذیه mwd را بعهده بگیرد، و این به معنی یک منبع تغذیه با زمان نامحدود و قابل استفاده در دماهای بالا می باشد. در ادامه کار نشان داده شده که چطور می توان یک منبع تغذیه مرکب از باتری و پیزو-ژنراتور داشت، که قابلیت اطمینان آن نسبت به پیزو-ژنراتور تنها بیشتر است. افزایش قابلیت اطمینان سیستم مهمترین مزیت منبع تغذیه ترکیبی محسوب می شود، در حالیکه در این طرح مشکل کار کردن باتری در دماهای بالا همچنان باقی می ماند. در نهایت یک نمونه آزمایشگاهی در ابعاد میلیمتر با امکانات کارگاهی ساخته و تست شده است. در این بخش مسائل عملی مانند انتخاب ماده مناسب برای تیر، انتخاب و تهیه پیزوالکتریک مناسب مطرح شده است. تست کامل دستگاه با تحریک شیکر انجام شده است. شبیه سازی-های المان محدود برای تحلیل فرکانسی و تنشی دستگاه تا حد قابل قبولی با نتایج تست سازگاری دارد. ولتاژ تولیدی دستگاه با نتایج مدل سازی اختلاف دارد. برای حل این اختلاف راهکارهایی مطرح و تست گردیده است. اما بنظر می رسد، علت اصلی این اختلاف در کیفیت پیزوالکتریک های بکاررفته باشد که با توجه به محدودیت در تأمین پیزوالکتریک، اظهار نظر قطعی در این باره نمی توان نمود.