Kivunaji mseto wa nishati ya piezoelectric–thermoelectric ni mbinu ya ubadilishaji wa nishati inayotumia kwa pamoja uzalishaji wa umeme wa piezoelectric kutokana na mgeuko wa kimitambo na uzalishaji wa umeme wa thermoelectric kutokana na tofauti ya joto ndani ya muundo uleule wa kimwili. Utafiti huu unaunda mfano wa muundo huo kwa namna ya kuunganishwa kwenye kitufe cha kibodi ya kompyuta mpakato na kuchunguza mfumo wa tabaka nyingi unaoundwa na kompoziti ya piezoelectric PU-40%PZT na polima ya thermoelectric PEDOT:PSS kwa kutumia mbinu ya vipengele vya mwisho ya pande tatu katika COMSOL Multiphysics 6.2. Utafiti huu si jaribio la prototaipu ya kimwili; matokeo yote yanatokana na uigaji wa namba.

Katika usanifu uliopendekezwa, tabaka la kati la piezoelectric PU-40%PZT hubadilisha nguvu ya kimitambo ya kubonyeza kitufe kuwa mwitikio wa umeme, huku tabaka za nje za PEDOT:PSS zikimodelishwa kuzalisha voltage ya Seebeck kutokana na tofauti ya joto kati ya vipengele vya kompyuta mpakato vinavyotoa joto na uso ulio baridi zaidi. Eneo la kitufe cha kibodi katika uigaji ni 10 mm × 10 mm. Tabaka la piezoelectric limemodelishwa kwa unene wa 1 mm, na tabaka za nje za thermoelectric PEDOT:PSS zinazoonyeshwa katika Figure 1 ya chanzo zimemodelishwa kwa kiwango cha unene cha 0,5 mm.

Kwa upande wa kimitambo, nguvu za 0,5, 1, 1,5, 8, 9, 10 na 16 N zilichunguzwa. Nguvu ya umeme ya pato la piezoelectric ilibadilika kulingana na upinzani wa mzigo na kufikia thamani za kilele katika mzigo wa takriban 1,37 kΩ katika chanzo. Kwa nguvu ndogo za kuandika za 0,5, 1 na 1,5 N, nguvu za juu zilizokokotolewa zilikuwa 7,3 µW, 14,3 µW na 74,7 µW mtawalia. Kwa nguvu kubwa zaidi za 8, 9, 10 na 16 N, nguvu za kilele zilizokokotolewa zilikuwa 0,51, 0,65, 0,81 na 2,07 mW mtawalia.

Kwa upande wa thermoelectric, hali za chanzo cha joto za 295, 296 na 297 K zilitumika. Chanzo kinaonyesha katika Figure 10 thamani za juu za voltage ya thermoelectric za takriban 3,94, 5,91 na 7,92 mV mtawalia; matokeo ya nguvu yametolewa kama takriban 7,94, 31,86 na 71,93 µW. Table 4 ya chanzo inafupisha hali hizi kama tofauti ya joto ya takriban 2–4 K.

Wakati thamani za juu zaidi za piezoelectric na thermoelectric zinazingatiwa pamoja, chanzo kinataja nguvu ya juu ya mseto ya takriban 2,14 mW. Hata hivyo, thamani hii si nguvu ya wastani ya umeme iliyopatikana mfululizo kutoka kwenye kibodi halisi. Kulingana na maelezo ya utafiti wenyewe, matokeo ya piezoelectric ni mwitikio wa kilele wa muda mfupi katika mbofyo mmoja wa kitufe; mchango wa thermoelectric umeundwa kama chanzo cha polepole zaidi na cha nusu-endelevu chini ya gradient ya joto thabiti iliyorahisishwa. Chanzo pia kinaeleza kuwa katika matumizi halisi, nguvu ya wastani inayovunwa itakuwa ndogo zaidi.

Vikwazo vikuu vya modeli ni uchanganuzi wa joto wa hali tulivu, upakiaji wa kimitambo wa quasi-static, uundaji wa tabaka za piezoelectric na thermoelectric kama mifumo huru ya umeme, kutokuwepo kwa mzunguko wa pamoja wa usimamizi wa nguvu, kutomodelishwa kwa uchovu wa kimitambo na athari zisizo za mstari za nyenzo, na kutofanyika kwa uthibitishaji wa prototaipu ya kimwili. Kwa hiyo, utafiti huu ni kiashiria cha usanifu/uwezekano wa uvunaji wa nishati mseto wa kibodi; hauonyeshi kwa majaribio kwamba kompyuta mpakato halisi au kibodi isiyotumia waya iliendeshwa kwa nguvu hizi.

Kivunaji Mseto cha Nishati Hufanyaje Kazi Kwenye Kitufe cha Kibodi?

Mfumo uliopendekezwa hutumia vyanzo viwili tofauti vya nishati katika muundo uleule wa tabaka nyingi: mkandamizo wa kimitambo unaotokea wakati kitufe kinabonyezwa huzalisha umeme wa piezoelectric katika tabaka la kati la PU-40%PZT, huku tofauti ya joto kati ya vipengele vinavyopata joto vya kompyuta mpakato na uso ulio baridi zaidi ikizalisha voltage ya thermoelectric katika tabaka za PEDOT:PSS. Lengo la utafiti ni kuchunguza michango hii miwili katika jiometri ileile ya kimwili, lakini kukokotoa matokeo yake ya umeme kando katika modeli ya sasa.

Kwa nini mifumo miwili ya ubadilishaji wa nishati hutumika pamoja?

Uzalishaji wa piezoelectric ni chanzo cha nishati cha muda mfupi kinachotokea tu wakati nguvu ya kimitambo inatumika kwenye kitufe. Uzalishaji wa thermoelectric unaweza kuzingatiwa kama chanzo cha nishati cha polepole zaidi na cha kuendelea mradi tofauti ya joto ya kutosha ipo. Mbinu mseto ya utafiti hailengi kuhakikisha kuwa mifumo yote miwili hutoa pato la juu kwa wakati mmoja, bali kutumia kwa namna inayokamilishana vyanzo viwili vya nishati ya mazingira vyenye sifa tofauti za muda.

PU-40%PZT ni nini?

PU-40%PZT inaelezwa katika chanzo kama kompoziti nyumbufu yenye takriban %40 ya keramiki ya piezoelectric PZT ndani ya matriksi ya polyurethane (PU). Matriki ya polyurethane hutoa unyumbufu wa kimuundo, huku chembe za PZT zikitekeleza kazi ya kuzalisha chaji ya piezoelectric chini ya mkazo wa kimitambo.

PEDOT:PSS ni nini?

PEDOT:PSS imechaguliwa katika chanzo kama polima ya thermoelectric inayopitisha umeme inayoweza kutumika katika kiwango cha joto cha kati kutokana na upitishaji wake mdogo wa joto na upitishaji unaofaa wa umeme. Jukumu lake katika utafiti huu si kuzalisha nishati ya kimitambo, bali kuunda voltage ya Seebeck kutokana na tofauti ya joto kati ya uso wa moto na wa baridi.

Sifa za nyenzo

Tabaka la Piezoelectric Hubadilishaje Nguvu ya Kimitambo Kuwa Umeme?

Utafiti unalichukulia tabaka la piezoelectric katika modi ya mkandamizo ya \(d_{33}\): nguvu inayowekwa kwenye kitufe huja takriban wima kwa uso wa tabaka, mkandamizo wa kimitambo huzalisha chaji ya piezoelectric, na chaji hii hubadilishwa kuwa voltage katika muundo wa umeme wenye tabia ya kapasitansi wa tabaka.

General piezoelectric constitutive relation

Chanzo kwanza kinatumia:

\[ S=s\sigma+dE+\chi\Delta T \tag{1} \]

mlinganyo.

Katika mlinganyo huu, kulingana na uandishi wa chanzo:

• \(S\): mgeuko (strain),
• \(s\): matriki ya compliance ya kimitambo,
• \(\sigma\): mkazo wa kimitambo/stress,
• \(d\): matriki ya koeffishenti ya piezoelectric,
• \(E\): uga wa umeme,
• \(\chi\): koeffishenti ya upanuzi wa joto,
• \(\Delta T\): mabadiliko ya joto.

Usawa huu huunganisha michango ya mgeuko wa kimitambo, umeme na joto katika constitutive relation moja. Katika matumizi ya kibodi ya utafiti, jambo kuu linalozingatiwa ni mwitikio wa piezoelectric unaotokea chini ya shinikizo la kimitambo.

Modi za \(d_{31}\) na \(d_{33}\)

Chanzo kinatenganisha modi mbili kuu za piezoelectric. Modi ya \(d_{31}\) inahusishwa na mgeuko wa kupinda, ilhali katika jiometri ya sasa ya kibodi, kwa kuwa nyenzo imewekwa mlalo na nguvu inatumika wima kwa uso, modi ya mkandamizo ya \(d_{33}\) imetumika.

Chanzo kinatumia:

\[ Q=d_{33}F \tag{2} \]

uhusiano.

Hapa \(Q\) ni chaji ya umeme inayozalishwa, \(F\) ni nguvu ya kimitambo inayotumika, na \(d_{33}\) ni koeffishenti ya chaji ya piezoelectric. Chanzo kinatumia koeffishenti ya piezoelectric ya 21 pC/N kwa PU-40%PZT katika Table 1.

Kwa nini tabaka la piezoelectric linamodellishwa kama capacitor?

Kwa kuwa tabaka la dielectri la piezoelectric kati ya elektrodi mbili linaweza kuwa na tabia ya kapasitansi ya umeme, chanzo kinatumia:

\[ Q=CV_{\mathrm{piezo}} \tag{3} \]

na:

\[ C= \frac{\epsilon_0\epsilon_rS}{e} \tag{4} \]

uhusiano.

Hapa \(C\) ni kapasitansi, \(\epsilon_0\) ni permitiviti ya ombwe, \(\epsilon_r\) ni permitiviti linganishi, \(S\) ni eneo la uso, na \(e\) ni unene wa tabaka la piezoelectric.

Onyo kuhusu alama: Chanzo kinatumia herufi \(S\) kwa strain katika Equation (1), lakini kinatumia tena herufi hiyo hiyo \(S\) kwa eneo la uso katika Equation (4) na (5). Haya si makubwa yaleyale ya kimwili.

Equation (3) na (4) zinapotumika, chanzo kinatoa:

\[ V_{\mathrm{piezo}} = \frac{Qe}{\epsilon_0\epsilon_rS} \tag{5} \]

usemi.

Ujumbe wa kimwili wa fomula hii ni kwamba kwa chaji ileile iliyozalishwa, voltage inaweza kuongezeka kadiri unene unavyoongezeka; eneo la uso au permitiviti vinapoongezeka, voltage inaweza kupungua kwa sababu kapasitansi huongezeka. Huu ni ufafanuzi wa muundo wa kihisabati wa mlinganyo; katika chanzo hiki unene wa tabaka au eneo halijaskaniwa kwa vigezo.

Mlinganyo wa nguvu ya piezoelectric uliotolewa katika chanzo

Chanzo kinatoa Equation (6) kama:

\[ P_{e,\mathrm{piezo}} = \frac{ e\,d_{33}F^2 }{ R_L\epsilon_0\epsilon_r } \tag{6} \]

.

Hapa \(R_L\) ni upinzani wa mzigo wa nje wa umeme. Katika fomula iliyochapishwa, nguvu hubadilika kwa \(F^2\); kwa hiyo modeli ya chanzo inatarajia pato la juu zaidi la umeme kwa nguvu kubwa zaidi ya kubonyeza kitufe.

Dokezo la mlinganyo ndani ya chanzo: Umbo lililochapishwa la Equation (6) limetolewa bila kuonyesha ni hatua zipi za kati za aljebra zilizotumika kulipata kutoka Equation (2)–(5), na halitokani kwa uwazi moja kwa moja na fomula za awali. Kwa hiyo, fomula ya chanzo imehifadhiwa kama ilivyo hapa bila kutolewa upya au kubadilishwa kimya kimya.

Mzunguko sawia wa piezoelectric

Chanzo kinaeleza nyenzo ya piezoelectric katika mzunguko sawia wa umeme kwa kutumia chanzo cha voltage \(V_{\mathrm{piezo}}\) kinachotokana na mkazo wa kimitambo, \(C_p\) inayowakilisha kapasitansi ya piezoelectric, na \(R_p\) inayowakilisha upotevu wa ndani/tabia ya damping. Upinzani wa mzigo wa nje \(R_L\) pia hutumika kuhamisha nishati kwenda nje.

Tabaka la Thermoelectric Hubadilishaje Tofauti ya Joto Kuwa Umeme?

Katika tabaka la PEDOT:PSS, tofauti ya joto kati ya uso wa moto na wa baridi huzalisha voltage ya mzunguko wazi kupitia athari ya Seebeck; chanzo kinaunganisha voltage hii na mzunguko sawia wa jenereta ya thermoelectric wenye upinzani wa ndani \(R_G\) na upinzani wa mzigo wa nje \(R_L\), kisha hukokotoa nguvu ya umeme inayoweza kutokea kwenye mzigo.

Voltage ya Seebeck

Chanzo kinatumia:

\[ V_{\mathrm{TEG}} = \alpha_{\mathrm{Seeb}} \Delta T_{\mathrm{TEG}} \tag{7} \]

uhusiano.

Hapa:

• \(V_{\mathrm{TEG}}\): voltage inayozalishwa na jenereta ya thermoelectric,
• \(\alpha_{\mathrm{Seeb}}\): koeffishenti ya Seebeck,
• \(\Delta T_{\mathrm{TEG}}\): tofauti ya joto kati ya nyuso mbili za TEG,
• \(T_H\): joto la upande wa moto,
• \(T_C\): joto la upande wa baridi.

Chanzo kinatumia kwa PEDOT:PSS katika Table 1:

\[ \alpha_{\mathrm{Seeb}} = 70~\mu\mathrm{V/K} \]

thamani.

Nguvu ya thermoelectric inayozalishwa kwenye mzigo

Chanzo kinatumia:

\[ P_{e,\mathrm{TEG}} = R_L \frac{ \left( \alpha_{\mathrm{Seeb}} \Delta T_{\mathrm{TEG}} \right)^2 }{ (R_G+R_L)^2 } \tag{8} \]

na kwa namna sawia:

\[ P_{e,\mathrm{TEG}} = R_L \frac{ \left[ \alpha_{\mathrm{Seeb}} (T_H-T_C) \right]^2 }{ (R_G+R_L)^2 } \]

usemi.

Mlinganyo huu unaonyesha kuwa upinzani wa mzigo haujiendeshi kwa mantiki rahisi ya “kadiri unavyokuwa mkubwa ndivyo nguvu inavyoongezeka”. Kwa kuwa \(R_L\) iko katika numerator na pia ndani ya jumla ya upinzani kwenye mraba wa denominator, eneo fulani la mzigo optimum hujitokeza. Maana ya umeme ya kiwango cha juu cha nguvu kilichoonekana karibu na 1,37 kΩ katika matokeo ya piezoelectric pia inahusishwa na mantiki hii ya kulinganisha impedansi.

Dokezo la uandishi ndani ya chanzo: Sentensi ya chanzo mara tu baada ya Equation (8) inaandika \(T_H\) kwa upande wa moto na kwa makosa inaandika tena \(T_H\) kwa upande wa baridi. Equation na ufafanuzi wa awali hutoa upande wa baridi kama \(T_C\). Verianla inahifadhi uandishi wa \(T_H-T_C\) katika mlinganyo na kuashiria marudio ya maandishi kama tatizo la uandishi katika chanzo.

Tofauti ya ndani ya chanzo kati ya koeffishenti ya Seebeck na voltage za Figure 10

Chanzo kinafupisha uigaji wa thermoelectric katika Table 4 kama \(\Delta T=2\)–4 K na Table 1 inatoa koeffishenti ya Seebeck ya 70 µV/K kwa PEDOT:PSS. Ukaguzi wa moja kwa moja wa kihesabu wa Equation (7) kwa kutumia thamani hizi mbili za chanzo hutoa kiwango cha voltage cha 0,14–0,28 mV. Kwa upande mwingine, Figure 10 ya chanzo inaweka lebo za takriban 3,94, 5,91 na 7,92 mV kwa hali za chanzo cha joto za 295, 296 na 297 K.

Chanzo hakielezi tofauti hii kwa koeffishenti ya ziada ya jiometri, idadi ya vipengele vya thermoelectric vilivyounganishwa mfululizo, au parameta nyingine yenye ufanisi. Kwa hiyo, Verianla inapowasilisha thamani za Figure 10 kama matokeo ya uigaji wa chanzo, haifichi tofauti hii ya namba kati ya Equation (7) na Table 1/4.

Jiometri ya uigaji na masharti ya mipaka

Wavu wa vipengele vya mwisho uliundwaje?

Chanzo kinaeleza kuwa katika tabaka la piezoelectric matokeo hayakubadilika kati ya fine mesh na extra-fine mesh, na kwa hiyo fine mesh ilionekana kutosha. Kwa kuwa tabaka la thermoelectric ni jembamba zaidi, extra-fine mesh ilitumika. Chanzo hakitoi grafu tofauti ya convergence au jedwali la asilimia ya hitilafu kwa uhuru wa mesh; utoshelevu wa mesh umeripotiwa kwa msingi wa uchunguzi wa uigaji wa waandishi.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mfuatano wa uigaji

1. Jiometri ya tabaka nyingi inayofaa kwa kitufe cha kibodi cha 10 mm × 10 mm iliundwa.
2. Tabaka la piezoelectric PU-40%PZT la 1 mm liliwekwa katikati, na tabaka za thermoelectric PEDOT:PSS zikawekwa katika sehemu za nje.
3. Sifa za kimitambo, umeme na joto za nyenzo kutoka Table 1 ya chanzo ziliingizwa kwenye modeli.
4. Tabaka la piezoelectric liligawanywa kwa fine FEM mesh na tabaka za thermoelectric kwa extra-fine FEM mesh.
5. Amplitude tofauti za nguvu ya kimitambo kati ya 0,5–16 N zilitumika kwenye uso wa juu.
6. Uso wa upande wa pili uliwekwa bila kusogea kimitambo.
7. Uga wa joto wa hali tulivu uliundwa kwa hali za chanzo cha joto za 295, 296 na 297 K.
8. Mzigo wa umeme uliskaniwa kati ya 0–16 kΩ.
9. Kwa mfumo wa piezoelectric, stress, displacement, voltage na nguvu kwenye mzigo zilikokotolewa.
10. Kwa mfumo wa thermoelectric, usambazaji wa joto, voltage ya Seebeck na nguvu kwenye mzigo zilikokotolewa.
11. Matokeo ya mifumo miwili yalitathminiwa kando; hayakuunganishwa kwa umeme.

Nguvu inapoongezeka, stress ya kimitambo na displacement hubadilika vipi?

Matokeo ya FEM contour ya chanzo yanaonyesha kuwa stress ya von Mises na mgeuko katika tabaka la piezoelectric huongezeka kadiri nguvu inavyoongezeka. Katika hali ya 16 N, maandishi ya matokeo yanaripoti stress ya juu ya takriban 22 Pa; lebo ya rangi/kilele ya Figure 6 ya chanzo inaonyesha 22,8 Pa. Tofauti hii inaendana na kuzungusha namba.

Kwa displacement ya juu katika 16 N, chanzo kina mawasilisho matatu tofauti:

• Maandishi ya matokeo: \(14\times10^{-4}\) mm = \(1,4\times10^{-3}\) mm.
• Sehemu ya vikwazo vya modeli: takriban \(1,52\times10^{-3}\) mm.
• Katika paneli ya (g) ya 16 N ya Figure 7 ya chanzo, “Pa” na lebo 22,8 vinaonekana badala ya kitengo cha displacement.

Kwa hiyo, Verianla haitengenezi thamani moja “iliyorekebishwa na sahihi ya displacement” kwa 16 N. Thamani zote mbili za maandishi zinahifadhiwa kama zilivyoripotiwa katika chanzo.

Matokeo ya voltage ya piezoelectric

Chanzo kinatafsiri matokeo haya kama mwelekeo wa takriban uwiano kati ya nguvu na mwitikio wa piezoelectric katika kiwango kilichochunguzwa. Katika 16 N, inaelezwa kuwa usambazaji wa voltage huwa na usawaziko mdogo zaidi na mikusanyiko ya stress/deformation inaweza kuonekana. Hata hivyo, kwa kuwa modeli haijigizi moja kwa moja uchovu wa kimitambo, hakuna matokeo ya kushindwa kwa muda mrefu au maisha ya huduma yaliyokokotolewa.

Nguvu ya pato la piezoelectric

Chanzo kinaripoti kuwa mikunjo ya nguvu–pato hufikia kiwango cha juu katika upinzani wa mzigo wa nje wa takriban 1,37 kΩ. Wakati \(R_L\) ni ndogo sana au inapanda sana juu ya optimum, nguvu inayopatikana kwenye mzigo hupungua. Tabia hii inaelezwa na chanzo kwa mantiki ya uhamishaji wa nguvu ya juu na kulinganisha impedansi.

Dokezo la kitengo cha Table 4: Jedwali la kulinganisha la chanzo linaandika kiwango cha piezoelectric cha utafiti huu kama “7.3–2.07 mW”. Hata hivyo, sehemu ya kina ya matokeo inatoa wazi 7,3 µW kwa 0,5 N. Jedwali hapo juu linahifadhi matokeo ya kina kulingana na nguvu na halihamishi kimya kimya tofauti ya kitengo katika Table 4 kwenda kwenye data ya matokeo.

Matokeo ya voltage ya thermoelectric

Chanzo kinaeleza kuwa gradient ya joto ndani ya tabaka na voltage ya thermoelectric huongezeka kadiri joto linavyoongezeka. Hata hivyo, modeli inategemea mipaka ya joto ya steady-state. Katika kompyuta mpakato halisi, gradients za joto zitabadilika kwa muda kutokana na mzigo wa prosesa, uendeshaji wa feni, mazingira ya nje na wingi wa joto wa nyenzo.

Matokeo ya nguvu ya thermoelectric

Kwa nini mchango wa piezoelectric na thermoelectric si matokeo ya moja kwa moja ya mzunguko mmoja?

Ingawa chanzo kinaigiza uzalishaji wa umeme wa piezoelectric na thermoelectric ndani ya mfumo uleule wa kijiometri, hakiunganishi vyanzo viwili vya umeme kwenye mzunguko mmoja wa usimamizi wa nguvu. Matokeo ya piezoelectric na thermoelectric yamekokotolewa kwa kujitegemea. Kwa hiyo, thamani ya juu ya takriban 2,14 mW inapaswa kutathminiwa kama jumla ya michango miwili tofauti ya juu iliyorahisishwa; hasara katika rectifier halisi, kibadilishaji DC–DC, kipengele cha kuhifadhi nishati na mzunguko wa pamoja wa usimamizi wa nguvu hazijamodellishwa katika utafiti huu.

Je, Takriban 2,14 mW ni Nguvu ya Pato la Kuendelea ya Kibodi Halisi?

Hapana. Chanzo kinajadili thamani ya takriban 2,14 mW kama jumla ya michango ya juu ya piezoelectric na thermoelectric katika hali za uigaji zilizorahisishwa; thamani ya piezoelectric ni mwitikio wa kilele wa muda mfupi katika mbofyo mmoja wa kitufe na katika matumizi halisi nguvu ya wastani inayovunwa itakuwa ndogo zaidi kulingana na kasi ya kuandika, nguvu ya mtumiaji na hali za joto.

Katika mjadala wa baadaye, utafiti unataja kasi wakilishi ya kuandika ya takriban mibofyo 2–3 ya kitufe/sekunde. Hata hivyo, taarifa hii haikutumika kukokotoa nishati ya mwaka, maisha ya betri au thamani halisi ya wastani ya watt. Hesabu kama hiyo ingehitaji maumbo ya mawimbi ya umeme yanayotegemea muda, hasara za usimamizi wa nguvu, vipindi vya kutotumika na mizunguko halisi ya joto.

Ufanisi wa ubadilishaji wa nishati

Chanzo kinaripoti kwa tabaka la piezoelectric takriban:

\[ \eta_{\mathrm{piezo}} \approx 8.4\% \]

na kwa tabaka la thermoelectric:

\[ \eta_{\mathrm{TEG}} \approx 2.3\% \]

ufanisi wa ubadilishaji wa nishati.

Hata hivyo, katika sehemu ya matokeo chanzo hakitoi mlinganyo tofauti wa ufanisi, muda wa integration au bajeti ya kina ya nishati inayoonyesha jinsi ufanisi huu mbili ulivyopatikana kutoka hesabu gani ya jumla ya nishati ya kimitambo/joto ya kuingia. Kwa hiyo, Verianla huhifadhi uwiano kama matokeo ya chanzo na haukotoi upya kwa kujitegemea.

Ulinganisho na fasihi ya chanzo

Ulinganisho huu si mashindano ya moja kwa moja ya utendaji. Jiometri za vifaa, nguvu, mifumo ya ubadilishaji wa nishati, hali za mzigo na mbinu za jaribio/uigaji katika vyanzo ni tofauti. Kwa hiyo, kwa mfano, utafiti mwingine unaoripoti 30 mW na thamani ya 2,07 mW katika modeli hii haziwezi kutafsiriwa kama hali sawa za majaribio kwa sababu tu zimewekwa katika jedwali moja.

Hitimisho zinazoungwa mkono na utafiti

• Modeli ya FEM ya muundo wa tabaka nyingi unaounganisha tabaka za PU-40%PZT na PEDOT:PSS katika jiometri ya kitufe cha kibodi imeundwa.
• Pato la piezoelectric huongezeka katika uigaji wa chanzo kadiri nguvu ya kimitambo inayotumika inavyoongezeka.
• Kwa nguvu kutoka 0,5 N hadi 16 N, FEM ya chanzo hutoa nguvu za kilele za piezoelectric za takriban 7,3 µW hadi 2,07 mW.
• Katika mikunjo ya nguvu ya piezoelectric kuna eneo la mzigo optimum karibu na 1,37 kΩ.
• Uigaji wa thermoelectric wa PEDOT:PSS hutoa voltage na nguvu kubwa zaidi kadiri hali za joto zilizochunguzwa zinavyoongezeka.
• Chanzo kinaripoti takriban 71,93 µW ya nguvu ya thermoelectric katika hali ya 297 K.
• Chanzo kinalenga kuonyesha kuwa michango ya piezoelectric na thermoelectric inaweza kutumika pamoja kama vyanzo vya nishati vinavyokamilishana.
• Kulingana na makadirio ya chanzo, pato la umeme la mfumo wa piezoelectric ni kubwa kwa wazi kuliko la mfumo wa thermoelectric.
• Uigaji unaonyesha kuwa dhana ya uvunaji wa nishati mseto wa kibodi inaweza kustahili kuchunguzwa zaidi kwa prototaipu na uchanganuzi wa muda wa mpito.

Hitimisho ambazo utafiti hauungi mkono

• 2,07 mW au 2,14 mW hazikupimwa kutoka kwenye prototaipu halisi ya kibodi.
• Haijaonyeshwa kuwa betri ya kompyuta mpakato halisi ilichajiwa kwa mfumo huu.
• Haijaonyeshwa kuwa kibodi halisi isiyotumia waya iliendeshwa kikamilifu kwa nishati yake yenyewe.
• 2,14 mW si nguvu ya wastani ya pato endelevu.
• Mzunguko halisi wa usimamizi wa nguvu wenye vyanzo vya piezoelectric na thermoelectric vilivyounganishwa pamoja haujamodellishwa.
• Hasara za rectifier, kibadilishaji DC–DC, uhifadhi wa nishati na usimamizi wa nguvu wa kielektroniki hazijakokotolewa.
• Uchovu wa kimitambo au uimara baada ya mamilioni ya mibofyo ya kitufe haujachunguzwa.
• Mfululizo halisi wa muda wa joto la prosesa na mizunguko ya feni/kupooza haukutumika.
• Chanzo hakina utengenezaji wa prototaipu halisi, kipimo cha maabara au uthibitishaji wa uwanjani.
• Data ya chanzo haithibitishi akiba halisi ya nguvu ya modeli fulani ya kibiashara ya kompyuta mpakato.

Vikwazo vya modeli

• Uchanganuzi wa joto wa hali tulivu: Mipaka ya joto isiyobadilika ilitumika badala ya mabadiliko ya joto ndani ya kompyuta mpakato kwa muda.
• Mzigo wa kimitambo wa quasi-static: Mienendo ya msukumo na inayotegemea muda ya mbofyo halisi wa kitufe haijamodellishwa kikamilifu.
• Mbinu ya kikomo cha juu: Chanzo kinaeleza kuwa dhana hizi huunda makadirio ya utendaji yaliyidealishwa.
• Hakuna muunganisho mseto wa umeme: Michango ya piezoelectric na thermoelectric ilikokotolewa kando.
• Hakuna mzunguko wa usimamizi wa nguvu: Mzunguko wa kielektroniki unaolinganishwa tofauti za voltage, upinzani wa ndani na mwitikio wa muda wa vyanzo viwili vya nishati haujamodellishwa.
• Hakuna uchovu: Mechanical fatigue haijamodellishwa.
• Mbinu ya nyenzo ya mstari: Athari za nonlinear za nyenzo hazikujumuishwa kwenye modeli.
• Hakuna uthibitishaji wa majaribio: Utabiri wa FEM haukulinganishwa na prototaipu ya kimwili.
• Hakuna thermal transient: Mabadiliko ya joto ya wakati halisi yanayotokana na shughuli za prosesa na kupooza yameachwa kwa kazi za baadaye.

Masuala ya namba na notasheni ndani ya chanzo

• Katika Equation (1), \(S\) hutumika kama strain, huku katika Equation (4)–(5), \(S\) hutumika kama eneo la uso.
• Haijaonyeshwa jinsi umbo lililochapishwa la Equation (6) lilivyotolewa kutoka Equation (2)–(5), na mnyororo wa fomula si wazi moja kwa moja.
• Katika maelezo baada ya Equation (8), upande wa baridi \(T_C\) umeandikwa kimakosa mara ya pili kama \(T_H\).
• Katika Table 4 ya chanzo, ncha ya chini ya kiwango cha nguvu ya piezoelectric inatoa taswira ya “7.3 mW”, huku sehemu ya kina ya matokeo ikitoa 7,3 µW kwa 0,5 N.
• Displacement ya juu katika 16 N imetolewa kama \(1,4\times10^{-3}\) mm katika maandishi ya matokeo na takriban \(1,52\times10^{-3}\) mm katika sehemu ya vikwazo.
• Paneli ya displacement ya (g) ya 16 N katika Figure 7 ya chanzo inaonyesha Pa na lebo 22,8 badala ya mm.
• Thamani ya moja kwa moja ya Equation (7) kwa kutumia koeffishenti ya Seebeck ya 70 µV/K katika Table 1 na tofauti ya joto ya 2–4 K katika Table 4 haipatani na kiwango cha 3,94–7,92 mV kinachoonyeshwa katika Figure 10; chanzo hakielezi tofauti hiyo.
• Ufanisi wa takriban %8,4 kwa piezoelectric na takriban %2,3 kwa thermoelectric umeripotiwa, lakini bajeti ya kina ya nishati/mlinganyo wa hesabu kwa uwiano huu haujatolewa.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Kichwa asilia: Piezoelectric and Thermoelectric Analysis of a Multilayer Structure for a Hybrid Energy-Harvesting Application

Waandishi: Imane Salhi, Yassine Tabbai, Abdelhadi Mortadi, Hajar Rejdali, Fouad Belhora, Abdelowahed Hajjaji.

Mpangilio wa waandishi: Imane Salhi → Yassine Tabbai → Abdelhadi Mortadi → Hajar Rejdali → Fouad Belhora → Abdelowahed Hajjaji.

Mwandishi wa mawasiliano: Imane Salhi; ameainishwa katika chanzo kama Correspondence kwa anuani salhi.i@ucd.ac.ma.

Mchango sawa: Hakuna tamko la uandishi wa kwanza sawa au mchango sawa katika chanzo.

Taasisi: National School of Applied Sciences, Chouaib Doukkali University, El Jadida, Morocco; Faculty of Sciences, Chouaib Doukkali University, El Jadida, Morocco; National Institute of Applied Sciences of Lyon, France.

Jarida: Physics.

Sehemu ya jarida: Applied Physics.

Mchapishaji: MDPI.

Juzuu / toleo / namba ya makala: 8(3), 56.

DOI: 10.3390/physics8030056.

Iliwasilishwa: 12 Aprili 2026.

Ilirekebishwa: 9 Juni 2026.

Ilikubaliwa: 18 Juni 2026.

Ilichapishwa: 3 Julai 2026.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu ya fizikia tumizi na uvunaji wa nishati, yenye msingi wa namba/uigaji.

Leseni: Creative Commons Attribution 4.0, CC BY 4.0.

Mbinu kuu: Mbinu ya vipengele vya mwisho ya pande tatu katika COMSOL Multiphysics 6.2; structural mechanics, electrostatics, heat transfer na thermoelectric coupling.

Nyenzo kuu: Kompoziti ya piezoelectric PU-40%PZT na polima inayoendesha thermoelectric PEDOT:PSS.

Kiwango cha uigaji: Kitufe kimoja cha kibodi cha 10 mm × 10 mm; tabaka la kati la PU-40%PZT la 1 mm na tabaka za nje za thermoelectric PEDOT:PSS katika kiwango cha 0,5 mm.

Hali za kimitambo: Mizigo ya 0,5, 1, 1,5, 8, 9, 10 na 16 N; uso wa upande wa pili umewekwa; mbinu ya quasi-static.

Hali za joto: Hali za chanzo cha joto zisizobadilika za 295, 296 na 297 K; steady-state thermal analysis.

Mzigo wa umeme: 0–16 kΩ; kwa nguvu ya juu ya piezoelectric, chanzo kinaripoti mzigo optimum wa takriban 1,37 kΩ.

Muda wa modeli: Chanzo kinaeleza kuwa kiwango cha muda wa uigaji wa 100 ms kilitumika kwa mbofyo wa kawaida wa kitufe.

Kasi wakilishi ya kuandika: Katika sehemu ya mjadala, thamani ya takriban mibofyo 2–3 ya kitufe/sekunde imetajwa kama matumizi wakilishi yanayotokana na fasihi.

Ufadhili: Chanzo kinatoa tamko “This research received no external funding”.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kuwa michango asilia ya utafiti imo ndani ya makala; hazijaripotiwa ghala tofauti la wazi la data ghafi za FEM.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kuwa hakuna mgongano wa maslahi.

Shukrani: Makala imetolewa kwa kumbukumbu ya marehemu Jacques Jay, ambaye ametajwa kuwa alitoa mchango muhimu katika utafiti.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana I.S. na Y.T.; mbinu I.S. na Y.T.; programu A.M. na H.R.; uthibitishaji F.B.; uchanganuzi rasmi I.S., Y.T. na A.M.; utafiti na kuratibu data I.S. na Y.T.; rasimu ya kwanza I.S.; mapitio/uhariri I.S. na Y.T.; taswira A.M.; usimamizi A.H., kama ilivyoripotiwa.

Matokeo kuu: Katika uigaji wa FEM, chanzo kinaripoti 2,07 mW ya nguvu ya kilele ya piezoelectric kwa PU-40%PZT katika 16 N na 71,93 µW ya nguvu ya thermoelectric kwa PEDOT:PSS katika hali ya juu zaidi ya joto iliyochunguzwa.

Kikomo kikuu cha tafsiri: Matokeo haya si vipimo vya prototaipu ya kimwili. Thamani ya juu iliyojumuishwa ya takriban 2,14 mW si nguvu ya wastani endelevu ya kibodi na modeli ya sasa haijumuishi mzunguko halisi wa pamoja wa usimamizi wa nguvu.

Kikomo cha kihisabati ndani ya chanzo: Hatua za kupata Equation (6) kutoka kwenye milinganyo ya awali ya piezoelectric hazijatolewa; Verianla imehifadhi mlinganyo kama ulivyochapishwa katika chanzo.

Kikomo cha ulinganifu wa thermoelectric ndani ya chanzo: \(\alpha_{\mathrm{Seeb}}=70~\mu\mathrm{V/K}\), \(\Delta T=2\)–4 K katika Table 4 ya chanzo na thamani za 3,94–7,92 mV katika Figure 10 hazipatani moja kwa moja katika uhusiano uleule rahisi wa Seebeck; chanzo hakielezi tofauti hii.

Kikomo cha displacement ndani ya chanzo: Kwa displacement ya juu katika 16 N, maandishi ya matokeo yanatoa \(1,4\times10^{-3}\) mm na sehemu ya vikwazo vya modeli takriban \(1,52\times10^{-3}\) mm; Figure 7(g) inaonyesha kipimo cha Pa badala ya displacement.

Kikomo cha kitengo cha nguvu ndani ya chanzo: Table 4 inaandika “7.3–2.07 mW” kwa ncha ya chini ya piezoelectric, huku maandishi ya kina ya matokeo yakitoa 7,3 µW katika 0,5 N.

Kikomo cha uzalishaji tena: Ingawa moduli za fizikia za COMSOL na hali kuu za kijiometri/mipaka zimetolewa, mipangilio kamili ya solver, maelezo ya time step/tolerance, tensor zote za nyenzo, faili ghafi ya modeli ya FEM na mzunguko kamili wa usimamizi wa nguvu hazijatolewa.