Design and prototyping of an electromagnetic mems energy harvester for low frequency vibrations
Düşük frekanslı titreşimler için mems tabanlı elektromanyetik enerji üreteci tasarımı ve prototiplemesi
- Tez No: 305149
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Enerji, Electrical and Electronics Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Mikro güç üreteci, Enerji toplama, Frekans çevirimi, Mikroelektromekanik sistemler (MEMS), Micro power generator, Energy harvesting, Frequency up-conversion, Microelectromechanical systems (MEMS)
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 98
Özet
Bu tez çalısmasında, düşük frekanslı bir elektromanyetik mikro enerji üretecinin tasarım, simülasyon ve mikro üretim süreçleri sunulmuştur. Bu üreteç ortamda zaten varolan düşük frekanslı çevresel titreşimleri (1-100 Hz) elektriksel enerjiye çevirebilmektedir. Bu çalışmanın amacı, METU-MEMS Araştırma Merkezi'nde geliştirilmiş olan düşük frekanslı titreşimlerden frekans yükseltme tekniği ile enerji elde edebilen yapının geliştirilmesi ve daha verimli çalışmasını sağlamaktır.Önerilen tasarımın çalışması makro prototipler ile doğrulanmıştır. Metal yayların kullanıldığı bir prototipte, düşük frekanslı diyafram bir mıknatıs taşırken, yüksek frekanslı diyaframın üzerinde tel sarımları ve manyetik malzeme bulunmaktadır. Bu manyetik malzemenin mıknatıs tarafından yakalanıp bırakılması sonucu 6 Hz'lik çevresel titreşimler 85 Hz'lik titreşimlere yükseltilmektedir ve bunun sonucunda 11.1 mV gerilim ve 5.1 µW güç elde edilmektedir.Geliştirilen başka bir prototipte daha yüksek güç değerlerine ulaşmak ve ayarlanabilir geniş bir frekans aralığında çalışabilmek için metal yayların yerini lastik yaylar almıştır. Bu prototip ile 30 Hz'lik titreşimlerde 37.7 mV gerilim ve 104 µW güç değerlerine ulaşılmıştır.Önerilen yapı ayrıca mikro boyutta üretim için de uygun nitelikleri taşımaktadır. Tasarımın mikro boyutlarda üretilmesiyle, 10 x 8.5 x 2.5 mm3 boyutlarındaki yapıdan 15.2 mV gerilim ve 119 nW güç seviyelerine ulaşılması beklenmektedir. Önerilen yapı için bir mikroüretim süreci önerilmiştir. Bu sürece göre enerji üreteci farklı diyaframların bulunduğu iki parça içermektedir ve bu iki parçanın birbirine yapıştırılması ile üretim sonlanmaktadır. Diyaframların üretiminde parylene malzemesi kullanılırken, tel sarımları ve manyetik malzeme bakır ve nikel kaplama teknikleri ile oluşturulmaktadır.Bu çalışma sonucunda, düşük frekanslı titreşimlerden enerji elde etmek için frekans yükseltme metodu ile yeni bir tasarım önerilmiştir ve önceki çalışmaya göre 100 kattan fazla (119 nanoWatts) güç değerine ulaşılması beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis study presents the design, simulation, and fabrication of a low frequency electromagnetic micro power generator. This power generator can effectively harvest energy from low frequency external vibrations (1-100 Hz). The main objective of the study is to increase the efficiency of the previously proposed structure in METU-MEMS Center, which uses the frequency up-conversion technique to harvest energy from low frequency vibration.The proposed structure has been demonstrated by constructing several macro scale prototypes. In one of the constucted prototypes, the diaphragms are connected to a fixed frame via metal springs. The upper diaphragm having lower resonance frequency carries a magnet, and the lower diaphragm carries a hand wound coil and a magnetic piece for converting 6 Hz external vibrations up to 85 Hz, resulting a maximum voltage and power levels of 11.1 mV and 5.1 µW, respectively.In an improved prototype, the metal springs are replaced with rubber ones, providing higher energy conversion efficiency and flexibility to tune the resonance frequency of both diaphragms to desired values. This prototype provides 104 µW maximum power and 37.7 mV maximum voltage in response to vibration levels of 30 Hz.The proposed structure is also suitable to be realized by using microfabrication techniques. Hence, the structure to be microfabricated is studied and optimized for this purpose. When scaled to microelectromechanical dimensions, the expected maximum power and voltage from the 10 x 8.5 x 2.5 mm3 generator is 119 nW and 15.2 mV, respectively. A microfabrication process has also been designed for the proposed generator structure. According to this process, the structure consists of a stack of two pieces, each carrying different diaphragms. The diaphragms are made of parylene, and the coil and the magnetic piece are electroplated copper and nickel, respectively.As a result of this study, a new topology is proposed for harvesting energy at low frequency vibrations by the frequency up-conversion technique, and an efficiency improvement is expected with more than three orders of magnitude (119 nanoWatts output for the same size) compared to the study realized in our laboratory in converting low frequency (70-150 Hz) environmental vibrations to electrical energy.
Benzer Tezler
- Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak süperiletken bobin ve bobin yığınlarının elektromanyetik, termal ve elektromekanik analizi
Electromagnetic, thermal and electro-mechanical analysis of superconducting coils and coil stacks using the finite element method
GAZİ ÇAĞLAR KAÇAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiKırşehir Ahi Evran Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞÜKRÜ YILDIZ
- IE4 verim sınıfı şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı
Design of IE4 efficiency level line start permanent magnet synchronous motor
BURCU DURAK GEDİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- 2-8 MBit/s fiber optik hat teçhizatı arayüz devresinin sahada programlanabilir kapı dizisi ile tasarlanması ve gerçeklenmesi
Designing and implementing 2MBit/s and 8 MBit/s fiber optic line terminating equipment interface circuit by using field programmable gate array
ÜMİT GÖĞÜSGEREN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU
- GaN-Hemt based Ku-Band RF power amplifier design for satcom applications
Uydu iletişim uygulamaları için GaN-Hemt tabanlı Ku-Bant RF Güç yükselteç tasarımı
AHMET MERT POLATER
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR