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
- Tez No: 418842
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FATMA İPEK BAŞDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Küçük elektronik cihazlara sürekli güç kaynağı sağlayabilmek amacıyla, titreşim tabanlı piezoelektrik enerji hasadı, araştırmacılar tarafından yoğun ilgi görmektedir. Piezoelektrik enerji hasadıyla ilgili en yaygın uygulama, piezoseramik katmanla örtülü ankastre kirişin titreşen ana yapıya bağlanmasıdır. Piezoseramik katmana bağlanan elektrik devresi AC çıktıyı kararlı DC çıktısına dönüştürür ve depolama bileşeninin şarj edilmesini sağlar. Literatürde yaygın olarak bahsedilen kiriş yapıda enerji üreteçleri çalışılmıştır. Piezoseramik yamaların doğrudan ince plaka benzeri yapılara entegre edildiği uygulamalar ise kiriş yapıdaki üreteçlere alternatif olarak kullanılabilir. Bu yöntem özellikle havacılık, otomotiv ve denizcilik uygulamalarında, ince plaka benzeri yapılarda kompakt ve geniş bantlı enerji hasadı imkânı sağlayacaktır. Ancak, literatürde iki boyutlu yapılarda enerji hasadı uygulamaları, kiriş yapılardaki uygulamalara göre kısıtlıdır. Bu tezde ilk olarak, ince plaka şeklindeki ana yapıya bağlı piezoseramik yama için elektro-elastik sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Daha sonra sonlu elemanlar modeli kullanılarak çok modlu eşdeğer devre modeli elde edilmiştir. Enerji üretecinin çok modlu eşdeğer devre modeline, SPICE yazılımında, lineer ve lineer olmayan enerji hasadı devreleri eklenmiştir. Simülasyon sonuçları lineer AC-AC ve lineer olmayan AC-DC devre konfigürasyonları için doğrulanmıştır. AC-AC konfigürasyonu için voltaj frekans cevap fonksiyonları, farklı direnç yükleri bağlanarak hesaplanmış ve sonuçlar kapalı yapıdaki analitik model ve sonlu elemanlar modeli sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sonuçlar arasında çok yüksek benzerlik görülmüştür. AC-DC konfigürasyonunda, kararlı bir doğru akım voltajı elde edebilmek için, tam dalgalı doğrultucu ve süzgeçleme kapasitörü kullanılmıştır. Son olarak, sonlu elemanlar modeli ile ilgili bir vaka çalışması yapılmış, ve ana yapı olarak ağır yük kamyonu kabininin titreşen paneli kullanılmıştır. Deneysel verilerden elde edilen kuvvetler kullanılarak, operasyonel koşullar altında panelin titreşim cevabı ve panele entegre edilen piezoseramik yamanın voltaj cevabı elde edilmiştir. Kapalı devre ve açık devre koşullarında elektrik gücü çıktıları sunulmuştur. Nümerik sonuçlar elektrik gücü çıktılarının kabul edilebilir düzeyde olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Research on vibration based energy harvesting has received great interest over the last two decades with motivation to provide continuous power to small electronic devices and eliminate the need of battery replacement and disposal. Ambient vibrations available in the environment of such devices can be converted to electric energy through piezoelectric transduction mechanisms. A typical piezoelectric energy harvester application is attachment of a cantilever beam with piezoceramic layers to a vibrating host structure. Energy harvesting circuits are connected to piezoceramic layers to convert the AC output of the harvesters into a stable DC output to charge storage components. Cantilever harvesters have been widely studied in the literature. As an alternative to beam harvesters, piezoelectric patches can be easily integrated to thin plates to extract vibrational energy of their host structure and convert it into electrical energy. This implementation can be convenient especially for thin structures employed in aerospace, automotive, and marine applications to enable compact and broadband energy harvesting. Integrating piezo-patch energy harvesters to such host plates eliminates the mass loading and volumetric occupancy of base-excited cantilever design. Relatively limited literature has focused on energy harvesting for those two-dimensional structures. In this thesis, first, a coupled electroelastic FE model of a patch based piezoelectric energy harvester integrated to a thin plate is generated. Then, a multi-mode equivalent circuit model of the piezo-patch energy harvester is developed using finite-element model of the harvester by accounting for two-way coupling. Multi-mode circuit representation of the harvester is connected to linear and nonlinear circuit elements using the SPICE software. Simulation results are validated for the standard AC-AC and AC-DC configurations. For the AC input – AC output problem, voltage frequency response functions are calculated for various resistive loads, and they show excellent agreement with modal analysis-based analytical closed-form solution and with the finite-element model. For the AC input – DC output case, a full-wave rectifier and a smoothing capacitor are connected to the harvester circuit for conversion of the AC voltage to stable DC voltage. Finally, FE modeling technique for the AC input-AC output problem is also demonstrated on a case study which involved harvesting on a vibrating panel of a heavy duty truck cabin. The vibration response of the panel as well as the voltage output of the harvester patch under the real operating conditions is simulated using the forces obtained from experimental measurements on the vehicle. The electrical power generation of the harvester patch is predicted for a wide range of resistive loads. Electrical power outputs are then presented for short-circuit and open-circuit conditions. The numerical results show that the use of a harvester patch attached on a panel of a heavy duty vehicle generates reasonably good electrical power outputs.
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
- Modeling for vibration analysis of thin non-uniform plates using Heaviside Functions
Ince düzgünsüz plakaların titreşim analizi için Heaviside Fonksiyonları kullanarak Modelleme
MEHMET MURAT GÖZÜM
Doktora
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA İPEK BAŞDOĞAN
- Micro-scanning mirrors and lenses for improving image resolution
Görüntü çözünürlüğünün arttırılması amacıyla mikro tarama ayna ve lens geliştirilmesi
AHMET SÖZAK
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
- Modeling of concrete under high strain rate conditions using nonlinear finite element method
Betonun yüksek hızlı şekil değiştirme koşulları altında doğrusal olmayan sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi
M.ALPER ÇANKAYA
Doktora
İngilizce
2017
İnşaat Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SELÇUK SAATCI
PROF. DR. ALPER TAŞDEMİRCİ
- Endüstriyel tesislerde enerji sağlama alternatiflerinin irdelenmesi: Piezoelektrik enerji hasadı ile bir elektrik motorunun ürettiği titreşimin modellenmesi
Examining energy supply alternatives in industrial plants: Modeling the vibration produced by an electric motor with piezoelectric energy harvesting
ONUR ATA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
EnerjiEskişehir Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZLEM ONAY
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE TÜFEKÇİOĞLU