طراحی و شبیه سازی حسگر ارتعاشات نوری MEMS مبتنی بر فراماده تمام عایق و تشدید فانو برای پایش سلامت توربین های بادی و ردیاب های خورشیدی در نیروگاه های تجدیدپذیر

با گسترش نیروگاه های بادی و خورشیدی پایش بی درنگ ارتعاشات مکانیکی در توربین های بادی و سامانه های ردیاب خورشیدی به منظور افزایش بازدهی، کاهش توقف های ناخواسته و جلوگیری از خرابی های فاجعه بار ضرورتی انکارناپذیر یافته است. حسگرهای شتاب متداول خازنی، پیزو و مقاومتی در محیط های دارای نویز الکترومغناطیسی شدید نزدیک ژنراتورها و اینورترها و شرایط محیطی دشوار رطوبت، گرد و غبار، نوسانات دمایی با افت دقت مواجه هستند. در این مقاله یک حسگر ارتعاشات نوری از نوع MEMS مبتنی بر فراماده تمام عایق و بهره گیرنده از تشدید فانو طراحی و به روش عددی شبیه سازی شده است. بخش مکانیکی حسگر شامل جرمی به جرم ۱۳٫۸ نانوگرم و فنری با ثابت ۰٫۱۰۶ نیوتن بر متر بوده که شتاب ورودی را به جابه جایی مکانیکی تبدیل می کند. بخش نوری از آرایه ای از نانو آنتن های سیلیکونی بر بستر سیلیکا تشکیل شده که با تغییر فاصله گاف، طول موج مرکزی قله تشدید فانو دستخوش جابه جایی طیفی می شود. شبیه سازی با روش FDTD در نرم افزار CST انجام شده است. نتایج نشان می دهد حساسیت مکانیکی ۱۳ نانومتر بر گرم، حساسیت نوری ۱٫۰۴ نانومتر بر نانومتر و حساسیت کلی ۱٫۱۷ نانومتر بر گرم می باشد. بازه اندازه گیری خطی ۳۸٫۴ گرم و ضریب کیفیت ۷۲۳ حاصل شده است. این مقادیر نسبت به نمونه های مشابه برتری چشمگیری داشته و حسگر پیشنهادی برای نصب بر پره های توربین بادی و ردیاب های خورشیدی بسیار مناسب ارزیابی می شود. سازگاری با فناوری CMOS و استفاده از مواد تمام عایق هزینه تولید انبوه و نصب گسترده را کاهش می دهد.

کلیدواژه ها:

حسگر ارتعاشات ، نوری ، انرژی های تجدیدپذیر ، پایش سلامت توربین بادی ، تشدید فانو ، فراماده تمام عایق ، MEMS