Vibrational energy harvesting with piezoelectric patches integrated on plate structures
Piezoelektrik malzemeler ile plaka yapıların titreşimlerinden elektrik enerjisi üretimi
- Tez No: 367644
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İPEK BAŞDOĞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 170
Özet
Titreşimden elektrik enerjisi üretimi, medikal ve havacılık uygulamalarında kullanılabilir ve kendi enerjisini üreten cihazların geliştirilmesi amacıyla son yıllarda önemli derecede ilgi çeken bir araştırma alanı olmuştur. Bu araştırma eğiliminin bir parçası olarak, son on yılda, titreşen piezoelektrik kirişler üzerine yoğun araştırma faaliyetleri yürütülmüştür. Kiriş üreteçlere alternatif olarak, plaka ve paneller üzerine yerleştirilebilen yama-tipi piezoelektrik enerji üreteçler otomobil, gemi ve havacılık yapıları için daha uygun olanaklar sunmaktadır. Ancak, esnek ve hafif yapıların titreşiminden piezoelektrik malzeme ile elektrik enerjisi üretimi çok az sayıda araştırmada raporlanmıştır ve yama-tipi piezoelektrik enerji üreteçlerin tasarım ve analizinde kullanılmak üzere doğru matematiksel modellere ihtiyaç bulunmaktadır. Bu tez, ince bir plaka yapının titreşiminden yama-tipi piezoelektrik enerji üreteçlerle elektrik enerjisi üretiminin analitik yöntemlerle modellenmesini, deneysel doğrulama çalışmalarını ve performans analizlerini ilk kez sunmaktadır. İlk olarak, ince bir plaka üzerinde bulunan yama-tipi piezoelektrik enerji üretecin dağıtılmış-parametre elektroelastik modeli geliştirilmiştir. Yapısal ve elektriksel çıktıların kararlı durumları için analitik çözümleri bulunmuş ve elektroelastik frekans tepki fonksiyonlarının (FTF) kapalı formda formülleri elde edilmiştir. Deneysel ölçümler dört-kenarından tutturulmuş alüminyum bir plaka üzerinde bulunan piezoelektrik yama-tipi üreteçle gerçekleştirilmiştir. Analitik elektroelastik model, deneysel ve analitik sonuçlar karşılaştırılarak doğrulanmış ve plakanın farklı titreşim modlarındaki elektriksel güç çıktısı geniş bir direnç aralığı için incelenmiştir. Daha sonra, tek-yama elektroelastik modeli, çok sayıda seri veya paralel bağlı yamalar için geliştirilmiştir. Böylelikle, çok sayıda piezoelektrik enerji üreteçler için elektroelastik model elde edilmiş ve yapısal ile elektriksel çıktıların kararlı durumları için analitik çözümler elde edilmiştir. Deneysel ve analitik durum çalışmaları iki adet seri ve paralel bağlı yama-tipi piezoelektrik üreteçler için sunulmuş ve analitik model tahminlerinin deneysel ölçümlerle çokça tutarlı olduğunu gösterilmiştir. Çalışmanın devamında, geniş ve kısıtlı bantta gelişigüzel (random) titreşimlerden elektrik enerjisi üretilmesi incelenmiştir. Beklenen elektrik güç değeri ile titreşim hızının ortalama-kare değerinin analitik ve sayısal çözümleri, bu tez kapsamında geliştirilen elektroelastik modeller kullanılarak türetilmiştir. Gelişigüzel titreşim deneyleri plaka üzerine yapıştırılan üç adet seri bağlı yama-tipi üreteç için gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, analitik ve sayısal tahminlerin tutarlı ve benzer olduğunu göstermiştir. Son olarak, gelişigüzel titreşimden elektrik enerjisi üretimi senaryoları, kuvvet bant aralığının beklenen elektrik gücü ile yama-tipi enerji üreteçlerin eniyileştirilmiş pozisyonu üzerindeki etkilerini incelemek için sunulmuştur. Bu doktora tezi kapsamında sunulan çalışmalar, yama-tipi üreteçlerin elektroelastik davranışlarını geliştirilen analitik modellerin doğru olarak tahmin ettiğini göstermiştir. Ayrıca, analitik ve deneysel sonuçlar yama-tipi enerji üreteçlerin iki boyutlu yapılar üzerinde başarılı bir şekilde titreşimden elektrik enerjisi üretimi için kullanılabilir olduğunu göstermektedir. Bu sebeple, bu doktora tezi enerji üretimi araştırma alanına kullanılabilir ve doğru analitik modeller sunarak katkıda bulunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Vibrational energy harvesting has received considerable attention in recent years to develop self-powered devices that can offer many advantages for a wide variety of medical and aerospace applications. As a part of this trend, piezoelectric resonant beams have been extensively studied over the past decade. As an alternative to harvester beams, patch-based piezoelectric energy harvesters integrated to thin plates can be more convenient and practical for use on the surfaces of aerospace, automotive, and marine applications. However, piezoelectric energy harvesting on two-dimensional lightweight and flexible structures has been rarely reported in the existing literature and accurate mathematical models are required for the design and analysis of patch-based harvesters. Considering these needs, for the first time in the literature, this dissertation introduces analytical electroelastic models of patch-based piezoelectric energy harvesters attached on thin plates along with experimental validations and performance investigations for periodic and random vibrations. At first, distributed-parameter electroelastic model of a single patch-based piezoelectric harvester attached on a thin plate is developed. Exact solutions for steady-state electrical and structural responses are derived and closed-form expressions for electroelastic frequency response functions (FRFs) are obtained. Experimental measurements are carried out on a piezoceramic patch harvester structurally integrated on an all-four-edges clamped aluminum plate. Analytical electroelastic model is validated by comparing analytical predictions and experimental results. Power generation performance of the harvester patch from multiple vibration modes is investigated for a wide range of resistive loads. The single-patch model is extended to multiple patches connected in series and parallel. Coupled electroelastic models of multiple harvesters are developed and closed-form steady-state response expressions are derived for the series and parallel connection configurations. Experimental and analytical case studies of series- and parallel-connected double patch harvesters are given for validating predictions of multiple-patch models. Finally, patch-based harvesting from broadband and band-limited random vibrations of thin plates is studied. Analytical and numerical solutions for the expected power output and mean-square vibration response are obtained based on multiple-patch electroelastic models. Experiments for random vibration energy harvesting are conducted with the experimental setup having triple patch-based harvesters connected in series. It is shown that analytical and numerical predictions of expected structural and electrical responses agree well with experimental measurements for a wide range of resistive loads. Finally, random vibrational energy harvesting scenarios are studied to explore the effects of the excitation bandwidth on the expected power output and the optimal position of the piezoelectric energy harvester. The studies presented in this dissertation demonstrate that the developed analytical models successfully predict the electroelastic behavior of patch-based harvesters attached on thin plates. The analytical and experimental results also show that patch-based harvesting is an effective interface for vibrational energy harvesting from two-dimensional thin structures. Therefore, this dissertation contributes to the energy harvesting field by presenting accurate and compact analytical models of patch-based piezoelectric harvesters.
Benzer Tezler
- Advanced concepts of piezoelectric patch-based energy harvesting and locally resonant bandgap formation in thin plates
Pirometredeki piezoelektrik yama tabanlı enerji toplama ve lokal rezonant bandgap oluşumunun ileri kavramları
AMIRREZA AGHAKHANI
Doktora
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. IPEK BASDOGAN
- Developing advanced techniques on modeling and system identification of piezoelectric energy harvesting systems
Piezoelektrik enerji toplama sisteminin modelleme ve sistem tanımlama konusunda gelişmiş teknikler geliştirme
SEYEDMORTEZA HOSEYNI
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA İPEK BAŞDOĞAN
- Finite element modeling of a piezo patch energy harvester and equivalent circuit modeling on a thin plate with AC-DC conversion
İnce bir plaka ve piezoelektrik yamadan oluşan enerji üretecinin sonlu elemanlar modelinin ve AC-DC dönüşümü içeren eşdeğer devre modelinin oluşturulması
BUĞRA BAYIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA İPEK BAŞDOĞAN
- Optimization of power output in smart composite panel integrated with piezoelectric patches
Piezoelektrik yamalarla entegre edilmiş akıllı kompozit panelde güç çıktısının optimizasyonu
MUSTAFA KEMAL ACAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ PEYMAN LAHE MOTLAGH
- Novel techniques for electromechanical modeling of straight/curved panels integrated with multiple piezoelectric patches
Başlık çevirisi yok
PEYMAN LAHE MOTLAGH
Doktora
İngilizce
2020
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA İPEK BAŞDOĞAN