Flexible PVDF-TrFe piezoelectric energy harvesters for structural health monitoring applications in wind turbines
Rüzgar türbini yapısal sağlık kontrol uygulamaları için esnek PVDF-TrFe piezoelektrik enerji hasatçısı
- Tez No: 739099
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT BEKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Mikroelektronik cihazlar, günlük yaşamda sıklıkla kullanılmaya başlanan çok sayıda yeni elektronik cihazın son yıllarda piyasaya sürülmesiyle sonuçlanan muazzam bir ilerleme kaydetmiştir. Enerji hasadı teknolojilerindeki sürekli gelişmeler cihazların maliyetlerini, boyutlarını, ağırlıklarını ve güç gereksinimlerini azaltarak kablosuz sensör ağları gibi dağınık sistemlerin oluşturulmasına yol açmıştır. Bununla birlikte, mevcut pil teknolojisi yavaş inovasyon hızı nedeniyle mikroelektronik cihazlarin ölçeğini, ağırlığını ve maliyetini belirlemekte en önemli etken olmaya devam etmektedir. Piller, çevresel etkilerinden ve dağınık veya gömülü sistemlerde pil değiştirmenin zorluğundan dolayı çözülmesi gereken bir problem olarak mikroelektronik cihaz tasarımının önünde durmaktadır. Bunun bir sonucu olarak, elektronik cihazlarda sabit kapasiteli enerji kaynaklarının neden olduğu sorunları çözmesi beklenen enerji hasadı teknolojilerine ilgi duyulmaya başlanmıştır. Bahsedilen problemlere çözüm getirmek amacı ile bu tezde, yapısal sağlık kontrolü uygulamaları için bir piezoelektrik enerji hasatçısı (PEH) ve özgün üretim akışı sunulacaktır. Proje hedef, geliştirilen özgün fabrikasyon akışı ile PEH'i elektrik karakterizasyon testlerinden geçirmek, paketlemesini ve elektronik entegrasyonunu sağlamak ve PEH'in, cihazların içerisinde bulunan pillerin ömürlerini uzatacak fayda sağladığını, testler sonucunda alınacak değerler ile göstermektir. Günümüzde enerji maliyetlerindeki artış ve daha düşük karbon emisyonuna olan yönelim, yenilenebilir enerji teknolojisinde ilerlemeleri zorunlu kılmaktadır. Zorlu ortamlarda birçok sensörün kullanılamaması nedeniyle, son teknoloji rüzgar türbini enstrümantasyonunun maliyeti yüksektir. Bu enstrümanlar ile birlikte dolaylı ölçüm prosedürleri kullanılmaktadır. Güvenliği sağlarken verimliliği artırmak ve emisyonları en aza indirmek için, dağıtılmış bir sensör ağı ile birlikte yapısal sağlık izleme yöntemlerinden yararlanılabilir. Yeni yapısal sağlık izleme sistemleri, enerji hasatçılarından elde edilen enerji kullanılarak çalıştırılabilen düşük güçlü sensörler ve kablosuz iletişim bileşenleri içermektedir. Bağımsız sensör sistemlerine güç sağlamak için ortamda halihazırda bulunan kaynaklardan enerji elde etmek mümkündür. Bu tezde esnek bir piezoelektrik enerji hasatçısı sunulmuştur. Piezoelektrik sensör katmanı için, polivinilidin florür-trifloroetilenden (PVDF-TrFE) kullanılmıştır. Tezde piezoelektrik enerji hasatçılarının; fabrikasyon, karakterizasyon ve matematiksel modelleme kısımları açıklanacaktır. Iki farklı piezoelektrik enerji hasatçısı tasarlanmış ve farklı parametreler ile karşılaştırılmıştır. Bir rüzgar testi düzeneğinde çıkış voltajı ve akım karakteristikleri incelenmiştir. PVDF-TrFE malzemesinin elektriksel, mekanik ve kimyasal özellikleri incelenmiştir. Hasatçının sağladığı maksimum güç, akım ve gerilim değerleri rüzgar basıncı altında sırasıyla 272.99 µW, 291.34 µA ve 937.01 mV'dir. Bu değerler rüzgar türbini yapısal sağlık kontrol uygulamalarında kullanılacak bir MEMS basınç sensörünü çalıştırmak için yeterlidir.
Özet (Çeviri)
The field of microelectronics has made tremendous advancements, resulting in the emergence of various electronic devices that have become commonplace in daily life. The continual advancement of energy harvesting technologies has reduced these devices' cost, size, weight, and power needs; therefore, the formation of distributed environments, has been made feasible as a consequence of this. The existing energy storage capacity continues to be the major factor in determining the size, mass, and cost of modern electronic equipment. This is because the rate of technical advancement is substantially slower than in the past. Batteries typically lead people to be worried about the influence that their disposal has on the environment as well as the feasibility of replacing them in systems. Because of this difficulty, there was substantial growth in interest in the solutions of energy harvesting, which are predicted to address the challenges that are brought on by the energy sources utilized in electronic devices. This thesis introduces a flexible piezoelectric energy harvester that could be used for monitoring structural health. Recent energy costs and efforts to reduce emissions necessitate advancements in renewable energy technology. Due to the inability to use sensors in harsh environments, modern wind turbine instrumentation is expensive and frequently employs indirect measuring techniques. Health monitoring technologies for the establishment of a distributed sensor network can be used to increase productivity and reduce emissions while ensuring safety. The most recent SHM systems have low-power sensors and wireless communication components, both of which can be powered by the outputs of energy harvesters. It is possible to obtain energy from the environment around autonomous sensor systems, which can then be used to power the systems. In the thesis, a flexible piezoelectric wind energy harvester will be presented. The piezoelectric sensor layer was constructed with polyvinylidene fluoride- trifluoroethylene (PVDF-TrFE). Fabrication, characterization, and modeling of piezoelectric energy harvesters (PEHs) will be discussed. Two different piezoelectric energy harvesting devices were designed and compared. The output voltage and current characteristics were analyzed in a wind test apparatus. The electrical, mechanical, and chemical properties of the PVDF-TrFE material were examined. The harvester's output power and current values were sufficient to power a MEMS pressure sensor with a maximum of 291.34 µA for current and 937.01 mV for voltage under wind pressure, resulting in a power value of 272.99 µW.
Benzer Tezler
- High performance multimaterial fibers and devices
Yüksek performanslı çoklu-malzemeli fiberler ve cihazlar
MEHMET GİRAYHAN SAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET BAYINDIR
- MEMS teknikleri kullanarak esnek piezoelektrik dokunsal algılayıcı dizini üretimi
Fabrication of flexible piezoelectric tactile sensor using MEMS techniques
ZEYNEP KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Bilim ve TeknolojiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
- Dıelectrıc behavıor characterızatıon of functıonal fıbrous - ceramıc / polymer nanocomposıtes
Fiber yapili seramik/polimer fonksiyonel nanokompozitlerin dielektrik davraniş karakterizasyonu
CANAN DAĞDEVİREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİH PAPİLA
- hBN and BaTiO3 reinforced PVDF-HFP matrix piezoelectric nanocomposites for flexible energy storage and harvesting applications
Esnek enerji depolama ve hasadı uygulamaları için hBN ve BaTiO3 takviyeli PVDF-HFP matrisli piezoelektrik nanokompozitler
LEVENT KÖROĞLU
Doktora
İngilizce
2024
EnerjiEskişehir Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURAN AY
- Grafen katkılı polimer matrisli piezokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of graphene doupted polymer matrixed piezocomposites
AHMET ÖZBEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EBRU MENŞUR ALKOY