Ҷамъоварандаи гибридии энергияи пьезоэлектрикӣ–термоэлектрикӣ равиши табдили энергия мебошад, ки дар як сохтори физикӣ ҳам истеҳсоли барқ аз деформатсияи механикӣ тавассути таъсири пьезоэлектрикӣ ва ҳам истеҳсоли барқ аз фарқи ҳарорат тавассути таъсири термоэлектрикиро якҷо истифода мебарад. Ин таҳқиқот чунин сохторро барои ҳамгироӣ ба тугмаи клавиатураи ноутбук моделсозӣ карда, системаи бисёрқабатаро аз композити пьезоэлектрикии PU-40%PZT ва полимери термоэлектрикии PEDOT:PSS дар COMSOL Multiphysics 6.2 бо усули сеандозаи унсурҳои ниҳоӣ меомӯзад. Таҳқиқот озмоиши прототипи физикӣ нест; ҳамаи натиҷаҳо аз симулятсияи рақамӣ ба даст омадаанд.

Дар меъмории пешниҳодшуда қабати марказии пьезоэлектрикии PU-40%PZT қувваи механикии пахши тугмаро ба посухи электрӣ табдил медиҳад, дар ҳоле ки қабатҳои берунии PEDOT:PSS барои тавлиди шиддати Seebeck аз фарқи ҳарорат байни ҷузъҳои гармидиҳандаи ноутбук ва сатҳи сардтар моделсозӣ шудаанд. Масоҳати тугмаи клавиатура дар симулятсия 10 mm × 10 mm аст. Қабати пьезоэлектрикӣ 1 mm ва қабатҳои берунии термоэлектрикии PEDOT:PSS, ки дар Figure 1-и манбаъ нишон дода шудаанд, дар миқёси ғафсии 0,5 mm моделсозӣ шудаанд.

Дар қисми механикӣ қувваҳои 0,5, 1, 1,5, 8, 9, 10 ва 16 N таҳқиқ шудаанд. Қувваи баромади пьезоэлектрикӣ вобаста ба муқовимати сарборӣ тағйир ёфта, дар манбаъ дар сарбории тақрибан 1,37 kΩ ба қиматҳои қуллавӣ расидааст. Барои қувваҳои пасти пахшкунии 0,5, 1 ва 1,5 N қувваҳои максималии ҳисобшуда мутаносибан 7,3 µW, 14,3 µW ва 74,7 µW мебошанд. Барои қувваҳои баландтари 8, 9, 10 ва 16 N бошад, мутаносибан 0,51, 0,65, 0,81 ва 2,07 mW қувваи қуллавӣ ҳисоб шудааст.

Дар қисми термоэлектрикӣ шароити манбаи гармии 295, 296 ва 297 K истифода шудааст. Манбаъ дар Figure 10 мутаносибан қиматҳои максималии шиддати термоэлектрикии тақрибан 3,94, 5,91 ва 7,92 mV-ро нишон медиҳад; натиҷаҳои қувва бошад тақрибан 7,94, 31,86 ва 71,93 µW дода шудаанд. Table 4-и манбаъ ин шароитро ҳамчун фарқи ҳарорати тақрибан 2–4 K ҷамъбаст мекунад.

Ҳангоми якҷо баррасӣ кардани қиматҳои баландтарини пьезоэлектрикӣ ва термоэлектрикӣ, манбаъ аз қувваи максималии гибридии тақрибан 2,14 mW сухан мегӯяд. Аммо ин қимат қувваи миёнаи барқие нест, ки аз клавиатураи воқеӣ пайваста гирифта шудааст. Тибқи шарҳи худи таҳқиқот, натиҷаи пьезоэлектрикӣ посухи қуллавии кӯтоҳмуддат дар як пахши тугма мебошад; саҳми термоэлектрикӣ бошад ҳамчун манбаи сусттар ва нимпайваста дар градиенти идеализатсияшудаи устувори ҳарорат моделсозӣ шудааст. Манбаъ инчунин қайд мекунад, ки дар истифодаи воқеӣ қувваи миёнаи ҷамъоваришуда пасттар хоҳад буд.

Маҳдудиятҳои асосии модел таҳлили устувори гармӣ, боркунии механикии quasi-static, моделсозии мустақили электрии қабатҳои пьезоэлектрикӣ ва термоэлектрикӣ аз ҳамдигар, набудани схемаи муштараки идоракунии қувва, модел нашудани хастагии механикӣ ва таъсирҳои ғайрихаттии мавод ва набудани тасдиқи прототипи физикӣ мебошанд. Аз ин рӯ, таҳқиқот нишондиҳандаи тарҳ/имконпазирӣ барои ҷамъоварии гибридии энергияи клавиатура аст; он таҷрибавӣ нишон намедиҳад, ки ноутбук ё клавиатураи бесими воқеӣ бо ин қувваҳо кор карда шудааст.

Ҷамъоварандаи Гибридии Энергия Дар Тугмаи Клавиатура Чӣ Гуна Кор Мекунад?

Системаи пешниҳодшуда ду манбаи гуногуни энергияро дар як сохтори бисёрқабата истифода мебарад: фишурдашавии механикӣ ҳангоми пахши тугма дар қабати марказии PU-40%PZT барқи пьезоэлектрикӣ тавлид мекунад, дар ҳоле ки фарқи ҳарорат байни ҷузъҳои гармшудаи ноутбук ва сатҳи сардтар дар қабатҳои PEDOT:PSS шиддати термоэлектрикӣ ба вуҷуд меорад. Ҳадафи таҳқиқот омӯзиши ин ду саҳм дар як геометрияи физикӣ мебошад, аммо баромадҳои электрии онҳо дар модели мавҷуда алоҳида ҳисоб карда мешаванд.

Чаро ду механизми табдили энергия якҷо истифода мешаванд?

Истеҳсоли пьезоэлектрикӣ манбаи кӯтоҳмуддати энергия аст, ки танҳо ҳангоми ба тугма татбиқ шудани қувваи механикӣ ба вуҷуд меояд. Истеҳсоли термоэлектрикӣ бошад, то замоне ки фарқи кофии ҳарорат мавҷуд аст, метавонад ҳамчун манбаи сусттар ва давомдори энергия баррасӣ шавад. Равиши гибридии таҳқиқот на кафолати он аст, ки ду механизм ҳамзамон баромади максималӣ медиҳанд, балки ҳадафаш истифодаи мукаммалкунандаи ду манбаи муҳити зист бо хусусиятҳои гуногуни вақтӣ мебошад.

PU-40%PZT чист?

PU-40%PZT дар манбаъ ҳамчун композити чандире тавсиф шудааст, ки дар матритсаи полиуретан (PU) тақрибан %40 керамикаи пьезоэлектрикии PZT дорад. Матритсаи полиуретан чандирии сохториро таъмин мекунад ва зарраҳои PZT вазифаи тавлиди заряди пьезоэлектрикиро таҳти фишори механикӣ иҷро мекунанд.

PEDOT:PSS чист?

PEDOT:PSS дар манбаъ ҳамчун полимери ноқили термоэлектрикӣ интихоб шудааст, ки аз сабаби гузаронии пасти гармӣ ва гузаронии мувофиқи электрӣ метавонад дар диапазони миёнаи ҳарорат истифода шавад. Нақши он дар ин таҳқиқот истеҳсоли энергияи механикӣ нест, балки тавлиди шиддати Seebeck аз фарқи ҳарорат байни сатҳҳои гарм ва сард мебошад.

Хусусиятҳои мавод

Қабати Пьезоэлектрикӣ Қувваи Механикиро Чӣ Гуна Ба Барқ Табдил Медиҳад?

Таҳқиқот қабати пьезоэлектрикиро дар режими фишурдашавии \(d_{33}\) баррасӣ мекунад: қувваи ба тугма татбиқшуда тақрибан перпендикуляр ба сатҳи қабат ворид мешавад, фишурдашавии механикӣ заряди пьезоэлектрикӣ ба вуҷуд меорад ва ин заряд дар сохтори электрии иқтидорноки қабат ба шиддат табдил меёбад.

General piezoelectric constitutive relation

Манбаъ аввал:

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

баробариро истифода мебарад.

Дар ин баробарӣ тибқи ишорагузории манбаъ:

• \(S\): деформатсия (strain),
• \(s\): матритсаи compliance-и механикӣ,
• \(\sigma\): шиддати механикӣ/stress,
• \(d\): матритсаи коэффисиенти пьезоэлектрикӣ,
• \(E\): майдони электрӣ,
• \(\chi\): коэффисиенти васеъшавии гармӣ,
• \(\Delta T\): тағйирёбии ҳарорат мебошад.

Ин баробарӣ саҳмҳои деформатсияи механикӣ, электрӣ ва гармиро дар як constitutive relation муттаҳид мекунад. Дар татбиқи клавиатураи таҳқиқот таваҷҷуҳи асосӣ ба посухи пьезоэлектрикӣ таҳти фишори механикӣ равона шудааст.

Режими \(d_{31}\) ва \(d_{33}\)

Манбаъ ду режими асосии пьезоэлектрикиро ҷудо мекунад. Режими \(d_{31}\) бо деформатсияи хамшавӣ алоқаманд аст, дар геометрияи мавҷудаи клавиатура бошад, азбаски мавод уфуқӣ ҷойгир шуда ва қувва ба сатҳ перпендикуляр татбиқ мешавад, режими фишурдашавии \(d_{33}\) истифода шудааст.

Манбаъ:

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

муносибатро истифода мебарад.

Дар ин ҷо \(Q\) заряди электрии ҳосилшуда, \(F\) қувваи механикии татбиқшуда ва \(d_{33}\) коэффисиенти заряди пьезоэлектрикӣ мебошад. Манбаъ дар Table 1 барои PU-40%PZT коэффисиенти пьезоэлектрикии 21 pC/N-ро истифода мебарад.

Чаро қабати пьезоэлектрикӣ ҳамчун конденсатор моделсозӣ мешавад?

Азбаски қабати диэлектрикии пьезоэлектрикӣ байни ду электрод аз ҷиҳати электрӣ метавонад рафтори иқтидорнок дошта бошад, манбаъ:

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

ва:

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

муносибатҳоро истифода мебарад.

Дар ин ҷо \(C\) иқтидор, \(\epsilon_0\) permitivity-и вакуум, \(\epsilon_r\) permitivity-и нисбӣ, \(S\) масоҳати сатҳ ва \(e\) ғафсии қабати пьезоэлектрикӣ мебошад.

Огоҳии рамзӣ: Манбаъ дар Equation (1) ҳарфи \(S\)-ро барои деформатсия истифода мебарад, аммо дар Equation (4) ва (5) ҳамон \(S\)-ро барои масоҳати сатҳ дубора истифода мекунад. Инҳо як бузургии физикӣ нестанд.

Ҳангоми истифодаи Equation (3) ва (4) манбаъ:

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

ифодаро медиҳад.

Маънои физикии ин формула чунин аст: барои як миқдори заряди тавлидшуда, бо зиёд шудани ғафсӣ шиддат метавонад зиёд шавад; бо зиёд шудани масоҳати сатҳ ё permitivity, бинобар зиёд шудани иқтидор, шиддат метавонад кам шавад. Ин шарҳи сохтори математикии баробарӣ мебошад; дар манбаи мавҷуда ғафсии қабат ё масоҳат ба таври параметрӣ скан нашудааст.

Баробарии қувваи пьезоэлектрикӣ дар манбаъ

Манбаъ Equation (6)-ро:

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

ба ин шакл медиҳад.

Дар ин ҷо \(R_L\) муқовимати берунии сарбории электрӣ мебошад. Дар формулаи чопшуда қувва бо \(F^2\) тағйир меёбад; бинобар ин модели манбаъ дар қувваи баландтари пахши тугма баромади электрии баландтарро интизор мешавад.

Ёддошти баробарии дохили манбаъ: Шакли чопшудаи Equation (6) бе нишон додани қадамҳои алгебравии мобайнӣ аз Equation (2)–(5) дода шудааст ва мустақиман ба таври шаффоф аз формулаҳои пешина ҳосил намешавад. Аз ин рӯ, дар ин ҷо формулаи манбаъ бетағйир нигоҳ дошта шудааст ва пинҳонӣ аз нав ҳосил ё иваз карда нашудааст.

Схемаи эквивалентии пьезоэлектрикӣ

Манбаъ маводи пьезоэлектрикиро дар схемаи эквивалентии электрӣ бо манбаи шиддати \(V_{\mathrm{piezo}}\), ки аз шиддати механикӣ ба вуҷуд меояд, \(C_p\), ки иқтидори пьезоэлектрикиро намояндагӣ мекунад, ва \(R_p\), ки талафоти дохилӣ/рафтори damping-ро нишон медиҳад, шарҳ медиҳад. Барои интиқоли энергия ба берун инчунин муқовимати берунии сарборӣ \(R_L\) истифода мешавад.

Қабати Термоэлектрикӣ Фарқи Ҳароратро Чӣ Гуна Ба Барқ Табдил Медиҳад?

Дар қабати PEDOT:PSS фарқи ҳарорат байни сатҳҳои гарм ва сард тавассути таъсири Seebeck шиддати занҷири кушода ба вуҷуд меорад; манбаъ ин шиддатро ба схемаи эквивалентии генератори термоэлектрикӣ бо муқовимати дохилии \(R_G\) ва муқовимати берунии сарбории \(R_L\) пайваст намуда, қувваи электрии эҳтимолиро дар сарборӣ ҳисоб мекунад.

Шиддати Seebeck

Манбаъ:

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

муносибатро истифода мебарад.

Дар ин ҷо:

• \(V_{\mathrm{TEG}}\): шиддати тавлидкардаи генератори термоэлектрикӣ,
• \(\alpha_{\mathrm{Seeb}}\): коэффисиенти Seebeck,
• \(\Delta T_{\mathrm{TEG}}\): фарқи ҳарорат байни ду сатҳи TEG,
• \(T_H\): ҳарорати тарафи гарм,
• \(T_C\): ҳарорати тарафи сард мебошад.

Манбаъ дар Table 1 барои PEDOT:PSS:

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

қиматро истифода мебарад.

Қувваи термоэлектрикии тавлидшуда дар сарборӣ

Манбаъ:

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

ва ба шакли эквивалентӣ:

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

ифодаро истифода мебарад.

Ин баробарӣ нишон медиҳад, ки муқовимати сарборӣ танҳо бо мантиқи «ҳар қадар баланд бошад, қувва ҳамон қадар зиёд» амал намекунад. Азбаски \(R_L\) ҳам дар сурат ва ҳам дар муқовимати умумии квадрати махраҷ ҷой дорад, минтақаи муайяни оптималии сарборӣ пайдо мешавад. Маънои электрии максимуми қуввае, ки дар натиҷаҳои пьезоэлектрикӣ тақрибан дар 1,37 kΩ мушоҳида шудааст, низ бо ҳамин мантиқи мувофиқсозии импеданс алоқаманд аст.

Ёддошти навишти дохили манбаъ: Дар ҷумлаи манбаъ фавран пас аз Equation (8) барои тарафи гарм \(T_H\) ва барои тарафи сард низ иштибоҳан боз \(T_H\) навишта шудааст. Баробарӣ ва таърифи қаблӣ тарафи сардро ҳамчун \(T_C\) нишон медиҳанд. Verianla нишондиҳии \(T_H-T_C\)-ро дар баробарӣ нигоҳ дошта, такрори матнро ҳамчун мушкили навиштии манбаъ қайд мекунад.

Фарқи дохили манбаъ байни коэффисиенти Seebeck ва шиддатҳои Figure 10

Манбаъ Table 4 симулятсияи термоэлектрикиро ҳамчун \(\Delta T=2\)–4 K ҷамъбаст мекунад ва Table 1 барои PEDOT:PSS коэффисиенти Seebeck-и 70 µV/K медиҳад. Санҷиши мустақими арифметикии Equation (7) бо ин ду қимати манбаъ диапазони шиддати 0,14–0,28 mV медиҳад. Аммо Figure 10-и манбаъ барои ҳолатҳои манбаи гармии 295, 296 ва 297 K қиматҳои тақрибан 3,94, 5,91 ва 7,92 mV-ро нишон медиҳад.

Манбаъ ин фарқро бо коэффисиенти иловагии геометрия, шумораи унсурҳои термоэлектрикии пайдарпай ё параметри дигари самаранок шарҳ намедиҳад. Аз ин рӯ, Verianla қиматҳои Figure 10-ро ҳамчун баромади симулятсияи манбаъ интиқол дода, ин фарқи ададиро байни Equation (7) ва Table 1/4 пинҳон намекунад.

Геометрияи симулятсия ва шартҳои сарҳадӣ

Шабакаи унсурҳои ниҳоӣ чӣ гуна сохта шудааст?

Манбаъ мегӯяд, ки дар қабати пьезоэлектрикӣ байни fine mesh ва extra-fine mesh натиҷаҳо тағйир накардаанд ва бинобар ин fine mesh кофӣ дониста шудааст. Азбаски қабати термоэлектрикӣ бориктар аст, extra-fine mesh истифода шудааст. Манбаъ барои мустақилияти mesh графики алоҳидаи конвергенсия ё ҷадвали хатои фоизиро пешниҳод намекунад; кофӣ будани mesh бар асоси мушоҳидаи симулятсионии муаллифон гузориш шудааст.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Пайдарпаии иҷрои симулятсия

1. Геометрияи бисёрқабатаи мувофиқ барои тугмаи клавиатураи 10 mm × 10 mm сохта шуд.
2. Дар марказ қабати пьезоэлектрикии 1 mm PU-40%PZT ва дар минтақаҳои берунӣ қабатҳои термоэлектрикии PEDOT:PSS ҷойгир карда шуданд.
3. Хусусиятҳои механикӣ, электрӣ ва гармии мавод аз Table 1-и манбаъ ба модел ворид карда шуданд.
4. Қабати пьезоэлектрикӣ бо fine ва қабатҳои термоэлектрикӣ бо шабакаи extra-fine FEM дискретӣ карда шуданд.
5. Ба сатҳи боло амплитудаҳои гуногуни қувваи механикӣ дар диапазони 0,5–16 N татбиқ шуданд.
6. Сатҳи муқобил аз ҷиҳати механикӣ собит карда шуд.
7. Бо шароити манбаи гармии 295, 296 ва 297 K майдони устувори гармӣ сохта шуд.
8. Сарбории электрӣ дар диапазони 0–16 kΩ скан карда шуд.
9. Барои механизми пьезоэлектрикӣ stress, ҷойивазкунӣ, шиддат ва қувва дар сарборӣ ҳисоб шуданд.
10. Барои механизми термоэлектрикӣ тақсимоти ҳарорат, шиддати Seebeck ва қувва дар сарборӣ ҳисоб шуданд.
11. Баромадҳои ду механизм алоҳида арзёбӣ шуданд; онҳо аз ҷиҳати электрӣ ба ҳам пайваст карда нашуданд.

Бо зиёд шудани қувва stress-и механикӣ ва ҷойивазкунӣ чӣ гуна тағйир меёбанд?

Натиҷаҳои FEM contour-и манбаъ нишон медиҳанд, ки бо зиёд шудани қувва stress-и von Mises ва деформатсия дар қабати пьезоэлектрикӣ меафзоянд. Дар шароити 16 N матни натиҷа stress-и максималиро тақрибан 22 Pa гузориш медиҳад; нишони ранг/қуллаи Figure 6-и манбаъ 22,8 Pa-ро нишон медиҳад. Ин фарқ бо гирдкунӣ мувофиқ аст.

Барои ҷойивазкунии максималӣ дар 16 N дар манбаъ се намуди гуногун мавҷуд аст:

• Матни натиҷа: \(14\times10^{-4}\) mm = \(1,4\times10^{-3}\) mm.
• Бахши маҳдудиятҳои модел: тақрибан \(1,52\times10^{-3}\) mm.
• Дар панели (g)-и 16 N дар Figure 7-и манбаъ ба ҷойи воҳиди ҷойивазкунӣ “Pa” ва нишони 22,8 дида мешавад.

Аз ин рӯ, Verianla барои 16 N як қимати ягонаи «ислоҳшудаи дақиқи displacement» намесозад. Ҳар ду қимати матнӣ ҳамон тавре ки дар манбаъ гузориш шудаанд, нигоҳ дошта мешаванд.

Натиҷаҳои шиддати пьезоэлектрикӣ

Манбаъ ин натиҷаҳоро ҳамчун тамоюли тақрибан мутаносиб байни қувва ва посухи пьезоэлектрикӣ дар диапазони таҳқиқшуда шарҳ медиҳад. Дар 16 N гуфта мешавад, ки тақсимоти шиддат камтар яксон мегардад ва консентратсияҳои stress/deformation метавонанд дида шаванд. Бо вуҷуди ин, азбаски модел хастагии механикиро мустақиман симулятсия намекунад, натиҷаи нокомии дарозмуддат ё мӯҳлати хизмат ҳисоб нашудааст.

Қувваи баромади пьезоэлектрикӣ

Манбаъ гузориш медиҳад, ки каҷҳои қувва–баромад дар муқовимати берунии сарбории тақрибан 1,37 kΩ ба максимум мерасанд. Вақте ки \(R_L\) хеле паст аст ё аз оптимум хеле зиёд мешавад, қувваи гирифташуда дар сарборӣ кам мегардад. Ин рафтор аз ҷониби манбаъ бо мантиқи интиқоли максималии қувва ва мувофиқсозии импеданс шарҳ дода мешавад.

Ёддошти воҳиди Table 4: Ҷадвали муқоисавии манбаъ диапазони пьезоэлектрикии ин таҳқиқотро ҳамчун “7.3–2.07 mW” менависад. Аммо бахши муфассали натиҷаҳо барои 0,5 N равшан 7,3 µW медиҳад. Ҷадвали боло натиҷаҳои муфассали вобаста ба қувваро нигоҳ дошта, фарқи воҳиди Table 4-ро пинҳонӣ ба маълумоти натиҷа намегузаронад.

Натиҷаҳои шиддати термоэлектрикӣ

Манбаъ шарҳ медиҳад, ки бо зиёд шудани ҳарорат градиенти ҳарорат дар дохили қабат ва шиддати термоэлектрикӣ меафзоянд. Аммо модел ба шартҳои ҳарорати steady-state асос ёфтааст. Дар ноутбуки воқеӣ, бинобар сарбории протсессор, кори вентилятор, муҳити беруна ва массаи гармии мавод, градиентҳои ҳарорат бо вақт тағйир меёбанд.

Натиҷаҳои қувваи термоэлектрикӣ

Чаро саҳми пьезоэлектрикӣ ва термоэлектрикӣ натиҷаи мустақими як схема нест?

Гарчанде манбаъ истеҳсоли барқи пьезоэлектрикӣ ва термоэлектрикиро дар як системаи геометрӣ симулятсия мекунад, ду манбаи электриро ба як схемаи ягонаи идоракунии қувва пайваст намекунад. Баромадҳои пьезоэлектрикӣ ва термоэлектрикӣ мустақил ҳисоб шудаанд. Аз ин рӯ, қимати максималии тақрибан 2,14 mW бояд ҳамчун ҷамъи ду саҳми максималии алоҳидаи идеализатсияшуда арзёбӣ шавад; талафоти росткунанда, табдилдиҳандаи DC–DC, унсури захираи энергия ва схемаи умумии идоракунии қувва дар ин таҳқиқот моделсозӣ нашудаанд.

Оё Тақрибан 2,14 mW Қувваи Баромади Пайвастаи Клавиатураи Воқеӣ Аст?

Не. Манбаъ қимати тақрибан 2,14 mW-ро ҳамчун ҷамъи саҳмҳои максималии пьезоэлектрикӣ ва термоэлектрикӣ дар шароити идеализатсияшудаи симулятсия баррасӣ мекунад; қимати пьезоэлектрикӣ посухи қуллавии кӯтоҳмуддат дар як пахши тугма аст ва дар истифодаи воқеӣ қувваи миёнаи ҷамъоваришуда вобаста ба басомади чоп, қувваи корбар ва шароити гармӣ пасттар хоҳад буд.

Таҳқиқот дар муҳокимаи баъдӣ аз басомади намояндагии чопи тақрибан 2–3 пахши тугма/сония ёд мекунад. Аммо бо истифода аз ин маълумот энергияи солона, мӯҳлати батарея ё қимати воқеии миёнаи watt ҳисоб нашудааст. Барои чунин ҳисоб шаклҳои мавҷии электрии вобаста ба вақт, талафоти идоракунии қувва, давраҳои бекорӣ ва циклҳои воқеии гармӣ лозиманд.

Самаранокии табдили энергия

Манбаъ барои қабати пьезоэлектрикӣ тақрибан:

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

ва барои қабати термоэлектрикӣ:

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

самаранокии табдили энергияро гузориш медиҳад.

Аммо манбаъ дар бахши натиҷаҳо баробарии алоҳидаи самаранокӣ, вақти интегратсия ё буҷети муфассали энергияро, ки нишон диҳад ин ду самаранокӣ аз кадом ҳисоби умумии энергияи механикӣ/гармии воридотӣ гирифта шудаанд, пешниҳод намекунад. Аз ин рӯ, Verianla ин таносубҳоро ҳамчун натиҷаи манбаъ нигоҳ медорад ва мустақилона аз нав ҳисоб намекунад.

Муқоиса бо адабиёти манбаъ

Ин муқоиса мусобиқаи мустақими короӣ нест. Геометрияи дастгоҳҳо, қувваҳо, механизмҳои табдили энергия, шароити сарборӣ ва усулҳои таҷриба/симулятсия дар манбаъҳо гуногунанд. Аз ин рӯ, масалан, таҳқиқоти дигаре, ки 30 mW гузориш медиҳад, ва қимати 2,07 mW дар ин модел танҳо аз он сабаб, ки дар як ҷадвал ҷой доранд, набояд ҳамчун шароити эквивалентии таҷрибавӣ тафсир шаванд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Модели FEM-и сохтори бисёрқабата, ки қабатҳои PU-40%PZT ва PEDOT:PSS-ро дар геометрияи тугмаи клавиатура муттаҳид мекунад, сохта шудааст.
• Бо зиёд шудани қувваи механикии татбиқшуда баромади пьезоэлектрикӣ дар симулятсияи манбаъ меафзояд.
• Дар қувваҳои аз 0,5 N то 16 N FEM-и манбаъ қувваҳои қуллавии пьезоэлектрикии тақрибан аз 7,3 µW то 2,07 mW медиҳад.
• Дар каҷҳои қувваи пьезоэлектрикӣ минтақаи оптималии сарборӣ тақрибан дар 1,37 kΩ вуҷуд дорад.
• Симулятсияи термоэлектрикии PEDOT:PSS бо баланд шудани шароити ҳарорати таҳқиқшуда шиддат ва қувваи баландтар медиҳад.
• Манбаъ дар шароити 297 K тақрибан 71,93 µW қувваи термоэлектрикӣ гузориш медиҳад.
• Манбаъ ҳадаф дорад нишон диҳад, ки саҳмҳои пьезоэлектрикӣ ва термоэлектрикӣ метавонанд ҳамчун манбаъҳои мукаммалкунандаи энергия якҷо истифода шаванд.
• Тибқи арзёбии манбаъ, баромади электрии механизми пьезоэлектрикӣ аз механизми термоэлектрикӣ ба таври назаррас калонтар аст.
• Симулятсия нишон медиҳад, ки консепсияи ҷамъоварии гибридии энергияи клавиатура метавонад барои прототипи минбаъда ва таҳлили гузариши вақтӣ арзандаи омӯзиш бошад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Аз прототипи воқеии клавиатура 2,07 mW ё 2,14 mW чен нашудааст.
• Нишон дода нашудааст, ки батареяи ноутбуки воқеӣ бо ин система пур шудааст.
• Нишон дода нашудааст, ки клавиатураи бесими воқеӣ пурра бо энергияи худ кор мекунад.
• 2,14 mW қувваи миёнаи баромади пайваста нест.
• Схемаи воқеии идоракунии қувва, ки манбаъҳои пьезоэлектрикӣ ва термоэлектрикиро якҷо пайваст мекунад, моделсозӣ нашудааст.
• Талафоти росткунанда, табдилдиҳандаи DC–DC, захираи энергия ва идоракунии электронии қувва ҳисоб нашудаанд.
• Хастагии механикӣ ё устуворӣ пас аз миллионҳо пахши тугма омӯхта нашудааст.
• Қаторҳои воқеии вақти ҳарорати протсессор ва циклҳои вентилятор/хунуккунӣ истифода нашудаанд.
• Дар манбаъ истеҳсоли прототипи воқеӣ, ченкунии лабораторӣ ё тасдиқи саҳроӣ вуҷуд надорад.
• Маълумоти манбаъ сарфаи воқеии энергияи ягон модели мушаххаси тиҷоратии ноутбукро исбот намекунад.

Маҳдудиятҳои модел

• Таҳлили устувори гармӣ: Ба ҷойи тағйирёбии ҳарорат дар дохили ноутбук бо вақт, сарҳадҳои ҳарорати собит истифода шудаанд.
• Бори механикии quasi-static: Динамикаи импулсӣ ва вобаста ба вақти пахши воқеии тугма пурра моделсозӣ нашудааст.
• Равиши ҳадди боло: Манбаъ қайд мекунад, ки ин фарзияҳо баҳодиҳии идеализатсияшудаи короиро ба вуҷуд меоранд.
• Пайвасти гибридии электрӣ нест: Саҳмҳои пьезоэлектрикӣ ва термоэлектрикӣ алоҳида ҳисоб шудаанд.
• Схемаи идоракунии қувва нест: Схемаи электронӣ барои мувофиқ кардани фарқҳои шиддат, муқовимати дохилӣ ва посухи вақтии ду манбаи энергия моделсозӣ нашудааст.
• Хастагӣ нест: Mechanical fatigue моделсозӣ нашудааст.
• Равиши хаттии мавод: Таъсирҳои nonlinear-и мавод ба модел дохил карда нашудаанд.
• Тасдиқи таҷрибавӣ нест: Пешгӯиҳои FEM бо прототипи физикӣ муқоиса нашудаанд.
• Transient-и гармӣ нест: Тағйироти вақти воқеии ҳарорат вобаста ба фаъолияти протсессор ва хунуккунӣ барои кори оянда гузошта шудаанд.

Мушкилоти ададӣ ва ишорагузории дохили манбаъ

• Дар Equation (1) \(S\) ҳамчун деформатсия ва дар Equation (4)–(5) \(S\) ҳамчун масоҳати сатҳ истифода мешавад.
• Нишон дода нашудааст, ки шакли чопшудаи Equation (6) чӣ гуна аз Equation (2)–(5) ҳосил шудааст ва занҷири формулаҳо мустақиман шаффоф нест.
• Дар шарҳи пас аз Equation (8), ба ҷойи тарафи сард \(T_C\), бори дуюм \(T_H\) навишта шудааст.
• Дар Table 4-и манбаъ канори поёнии диапазони қувваи пьезоэлектрикӣ таассуроти “7.3 mW” медиҳад, дар ҳоле ки бахши муфассали натиҷаҳо барои 0,5 N 7,3 µW медиҳад.
• Ҷойивазкунии максималӣ дар 16 N дар матни натиҷа \(1,4\times10^{-3}\) mm ва дар бахши маҳдудиятҳо тақрибан \(1,52\times10^{-3}\) mm дода шудааст.
• Панели displacement-и (g) дар 16 N дар Figure 7-и манбаъ ба ҷойи mm воҳиди Pa ва нишони 22,8-ро нишон медиҳад.
• Қимати мустақими Equation (7) бо коэффисиенти Seebeck-и 70 µV/K дар Table 1 ва фарқи ҳарорати 2–4 K дар Table 4 бо диапазони 3,94–7,92 mV дар Figure 10 мувофиқат намекунад; манбаъ ин фарқро шарҳ намедиҳад.
• Барои пьезоэлектрикӣ тақрибан %8,4 ва барои термоэлектрикӣ тақрибан %2,3 самаранокӣ гузориш шудааст, аммо буҷети муфассали энергия/баробарии ҳисоб барои ин таносубҳо дода нашудааст.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Унвони аслӣ: Piezoelectric and Thermoelectric Analysis of a Multilayer Structure for a Hybrid Energy-Harvesting Application

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

Тартиби муаллифон: Imane Salhi → Yassine Tabbai → Abdelhadi Mortadi → Hajar Rejdali → Fouad Belhora → Abdelowahed Hajjaji.

Муаллифи масъул: Imane Salhi; дар манбаъ бо суроғаи salhi.i@ucd.ac.ma ҳамчун Correspondence ишора шудааст.

Саҳми баробар: Дар манбаъ изҳороти ҳаммуаллифи якуми баробар ё саҳми баробар вуҷуд надорад.

Муассисаҳо: 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.

Маҷалла: Physics.

Бахши маҷалла: Applied Physics.

Ношир: MDPI.

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 8(3), 56.

DOI: 10.3390/physics8030056.

Ирсол: 12 Апрел 2026.

Бозбинӣ: 9 Июн 2026.

Қабул: 18 Июн 2026.

Нашр: 3 Июл 2026.

Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқотии рецензияшудаи физикаи амалӣ ва ҷамъоварии энергия, ки ба ҳисобҳои рақамӣ/симулятсия асос ёфтааст.

Иҷозатнома: Creative Commons Attribution 4.0, CC BY 4.0.

Усули асосӣ: Усули сеандозаи унсурҳои ниҳоӣ дар COMSOL Multiphysics 6.2; structural mechanics, electrostatics, heat transfer ва thermoelectric coupling.

Маводҳои асосӣ: Композити пьезоэлектрикии PU-40%PZT ва полимери ноқили термоэлектрикии PEDOT:PSS.

Миқёси симулятсия: Як тугмаи клавиатураи 10 mm × 10 mm; қабати миёнаи PU-40%PZT бо ғафсии 1 mm ва қабатҳои берунии термоэлектрикии PEDOT:PSS дар миқёси 0,5 mm.

Шароити механикӣ: Борҳои 0,5, 1, 1,5, 8, 9, 10 ва 16 N; сатҳи муқобил собит; равиши quasi-static.

Шароити гармӣ: Шароити манбаи гармии собити 295, 296 ва 297 K; steady-state thermal analysis.

Сарбории электрӣ: 0–16 kΩ; барои қувваи максималии пьезоэлектрикӣ манбаъ сарбории оптималии тақрибан 1,37 kΩ гузориш медиҳад.

Давомнокии модел: Манбаъ қайд мекунад, ки барои як пахши маъмулии тугма миқёси вақти симулятсияи 100 ms истифода шудааст.

Басомади намояндагии чоп: Дар бахши муҳокима қимати тақрибан 2–3 пахши тугма/сония ҳамчун истифодаи намояндагӣ бар асоси адабиёт зикр шудааст.

Маблағгузорӣ: Манбаъ изҳороти “This research received no external funding”-ро медиҳад.

Дастрасии маълумот: Гуфта шудааст, ки саҳмҳои аслии таҳқиқот дар мақола ҷой доранд; анбори алоҳидаи кушодаи маълумоти хоми FEM гузориш нашудааст.

Ихтилофи манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки ихтилофи манфиатҳо вуҷуд надорад.

Сипосгузорӣ: Мақола ба хотираи Jacques Jay, ки гуфта мешавад ба таҳқиқот саҳми муҳим гузоштааст, бахшида шудааст.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия I.S. ва Y.T.; усул I.S. ва Y.T.; нармафзор A.M. ва H.R.; тасдиқ F.B.; таҳлили формалӣ I.S., Y.T. ва A.M.; таҳқиқ ва куратсияи маълумот I.S. ва Y.T.; тарҳи аввал I.S.; бозбинӣ/таҳрир I.S. ва Y.T.; визуализатсия A.M.; назорат A.H. гузориш шудааст.

Натиҷаи асосӣ: Манбаъ дар симулятсияи FEM барои PU-40%PZT дар 16 N қувваи қуллавии пьезоэлектрикии 2,07 mW ва барои PEDOT:PSS дар баландтарин шароити гармии таҳқиқшуда 71,93 µW қувваи термоэлектрикӣ гузориш медиҳад.

Ҳадди асосии тафсир: Ин натиҷаҳо ченкуниҳои прототипи физикӣ нестанд. Қимати максималии якҷояи тақрибан 2,14 mW қувваи миёнаи пайвастаи клавиатура нест ва модели мавҷуда схемаи воқеии муштараки идоракунии қувваро дар бар намегирад.

Ҳадди математикии дохили манбаъ: Қадамҳои ҳосил кардани Equation (6) аз баробариҳои қаблии пьезоэлектрикӣ дода нашудаанд; Verianla баробариро ҳамон тавре ки дар манбаъ чоп шудааст, нигоҳ доштааст.

Ҳадди мутобиқати термоэлектрикии дохили манбаъ: \(\alpha_{\mathrm{Seeb}}=70~\mu\mathrm{V/K}\), \(\Delta T=2\)–4 K дар Table 4-и манбаъ ва қиматҳои 3,94–7,92 mV дар Figure 10 дар як муносибати соддаи Seebeck мустақиман мувофиқат намекунанд; манбаъ ин фарқро шарҳ намедиҳад.

Ҳадди ҷойивазкунии дохили манбаъ: Барои displacement-и максималӣ дар 16 N матни натиҷа \(1,4\times10^{-3}\) mm ва маҳдудияти модел тақрибан \(1,52\times10^{-3}\) mm медиҳад; Figure 7(g) бошад ба ҷойи displacement миқёси Pa-ро нишон медиҳад.

Ҳадди воҳиди қувваи дохили манбаъ: Table 4 барои канори поёнии пьезоэлектрикӣ “7.3–2.07 mW” менависад, дар ҳоле ки матни муфассали натиҷа барои 0,5 N 7,3 µW медиҳад.

Ҳадди такрорпазирӣ: Гарчанде модулҳои физикии COMSOL ва шартҳои асосии геометрӣ/сарҳадӣ дода шудаанд, танзимоти пурраи solver, тафсилоти қадами вақт/tolerance, ҳамаи tensor-ҳои мавод, файли хоми модели FEM ва схемаи пурраи идоракунии қувва пешниҳод нашудаанд.