Broadband and high frequency piezoelectric energy harvesting system with curved panels for passive vibration isolator
Pasif titreşim izolatörü için kavisli panelli geniş bant ve yüksek frekanslı piezoelektrik enerji hasat sistemi
- Tez No: 798824
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Askeri uçaklarda yüksek genlikte ve geniş frekans bandında titreşim meydana gelmektedir. Elektronik birimlere etki eden yüksek titreşim profilleri zamanla yorulmalara neden olarak mekanik ve elektronik kartlara zarar verebilmektedir. Bu nedenle elektronik birimler titreşimi sönümlemek için izolatörler aracılığıyla hava platformlarına entegre edilmektedir. İzolatörler, maruz kalınan titreşimi büyük oranda sönümlerken birimlerin ömrünü kayda değer oranda artırmaktadır. İzolatörlerle monte edilmelerine rağmen zamanla meydana gelebilecek gevşeme ve mekanik deformasyonların hayati sorunlara neden olmasının önüne geçilebilmesi için anlık sağlık takibinin yapılması büyük önem taşımaktadır. Gündelik hayatımızda kullanılan tüm elektronik cihazlarda enerji ihtiyaçları çeşitli kaynaklar aracılığıyla sağlanmaktadır. Sağlık takibi ve veri aktarımında kullanılan mikroelektromekanik sistemler ise ulaşılması zor alanlarda kullanılması sebebiyle kendi enerji kaynağına ihtiyaç duymaktadır. Bu nedenle alternatif kaynaklardan enerji üretim yöntemleri araştırılmaktadır. Dar alanlarda yüksek enerji üretim kapasitesine sahip, başka elektrik kaynağına ihtiyaç duymadan geniş titreşim frekans bandında enerji üretimi gerçekleştirebilen piezoelektrik malzemeler enerji hasatlama için bir adım öne çıkmaktadır. Piezoelektrik malzemeler yapıştırıldığı yüzeyde titreşim kaynaklı oluşan gerilmeler aracılığıyla voltaj üretmektedir. Voltaj, pozitif ve negatif yüklü şekilde, titreşim iv frekansında, harmonik olarak meydana gelmektedir. Üretilen voltaj devreye bağlandığında alternatif akım oluşturmaktadır. Enerji, regüle edilerek batarya/kapasitör şarj edebilmekte ve elektronik cihazlara güç vermektedir. Sonuç olarak titreşim olduğu sürece ek bir enerji kaynağına ihtiyaç duyulmadan sistemler çalışabilmektedir. Bu tez çalışmasında, askeri uçaklara izolatörlerle bağlanan elektronik birimlerin izolatörlerine yerleştirilen kavisli panele yapıştırılan piezoelektrik malzemeden enerji hasatlanması simüle edilmiştir. Titreşim kaynağı ile kütle arasına, üzerine piezoelektrik yamalar yapıştırılan kavisli paneller monte edilmiştir. İzolatöre etki eden titreşim, faz farkı ve amplifikasyon ile uygulanan titreşim profilinden daha yüksek profil ile kavisli panele etki etmiştir. Kavisli panelin doğal frekansları sayesinde piezoelektrik malzemeler daha yüksek titreşimlere maruz kalmış ve daha geniş frekans bandında yüksek enerji üretimi gerçekleştirmiştir. Hava platformlarda yoğun miktarda karşılaşılan tamamen istenmeyen bir enerji olan titreşimden faydalanılarak enerji üretimi yapılmıştır. Elektronik birim olarak kukla kütle kullanılmıştır ve belirlenen kütle doğrultusunda izolatör seçimi yapılmıştır. Kütle ve izolatör seçiminde ilgilenilen frekans bandında sistemin tek doğal frekansı olmasına özen gösterilmiştir. Sisteme beyaz gürültü verilerek ölçümler yapılmıştır ve davranışları incelenmiş ve doğrulamalar gerçekleştirilmiştir. Piezoelektrik malzemeler, kavisli panel üzerine 3 farklı yama olarak yapıştırılmıştır. Belirlenen boyutlarda üretilen kavisli panel ve piezoelektrik malzemeler harmonik titreşim ile tahrik edilerek enerji üretimi gerçekleştirilmiştir. Space Claim kullanılarak aynı boyutlarda sistemin sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Ansys yardımıyla sonlu elemanlar analizi yapılarak model doğrulanmıştır. Analiz çalışmasında piezoelektrik yamaların genişlikleri, kalınlıkları ve uzunlukları değiştirilerek izolatör doğrulama çalışmasında ölçülen bağıl ivme verileri uygulanarak optimizasyon yapılmıştır. Yapılan her boyut değişikliği için her bir yamanın enerji çıktısı ve enerji verimi değerlendirilmiş ve karşılaştırmalar yapılmıştır.
Özet (Çeviri)
In military aircrafts, random vibration occurs with high amplitude in broad frequency spectrum. High vibration profiles, which affecting electronic units, can cause fatigue over time and damage mechanics and electronic cards. Therefore, electronic units are integrated into aerial platforms via isolators to dampen vibration. The isolators significantly dampen the vibration exposure and significantly increase the life of the electronic units. Although they are mounted with isolators, it is of great importance to carry out instant health monitoring in order to prevent loosening and mechanical deformations that may cause vital problems. The energy needs of all electronic devices used in our daily lives are provided through various sources. Micro-electromechanical systems used in health monitoring and data transfer need their own energy source because they are used in hard-to-reach areas. For this reason, energy production methods from alternative sources are being investigated. Piezoelectric materials, which have a high energy production capacity in narrow spaces and can produce energy in a wide vibration frequency band without the need for another electrical source, are one step ahead for energy harvesting. Piezoelectric materials generate voltage through stresses caused by vibration on the surface to which they are attached. The voltage occurs harmonically at the vibration ii frequency, positively and negatively charged. When the generated voltage is connected to the circuit, it creates alternating current. After the energy is regulated, the battery/capacitor can charge and power electronic devices. As a result, systems can operate without the need for an additional energy source as long as there is vibration. In this thesis, energy harvesting from the piezoelectric material placed on the curved panels which are mounted on the isolators of the electronic unit subjected to military helicopter vibration profile. Curved panels on which piezoelectric patches are attached are mounted between the vibration source and the mass. Vibration acting on the isolator affected the curved panel with a higher profile than the vibration profile applied with phase difference and amplification. With the help of the natural frequencies of the curved panel, the piezoelectric materials were exposed to higher vibrations and produced high energy in a wider frequency band. Energy was produced by vibration, which is a completely undesirable energy encountered greatly on aerial platforms. Dummy mass was used as electronic unit and isolators was selected in line with the determined mass. In the selection of mass and isolators, care has been taken to ensure that the system is the only natural frequency in the frequency band of interest. Measurements were made by giving white noise to the system and its behavior was examined and verifications were carried out. Piezoelectric materials were adhered to the curved panel as 3 different patches. Curved panels and piezoelectric materials produced in the specified dimensions were driven by harmonic vibration and energy was produced. A finite element model of the system was created with the same dimensions with the help of Space Claim. The model was verified by performing finite element analysis using by Ansys. In the analysis study, the width, thickness and length of the piezoelectric patches were changed and the relative acceleration data measured in the isolator verification study was applied and sensitivity analysis was made
Benzer Tezler
- Energy harvesting from piezoelectric stacks via impacting beam
Çarpan bir kirişte pıezoelektrik malzeme kullanarak enerji hasadı
YİĞİT ÖZPAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÇALIŞKAN
- Process development for microfabrication of phase reversal CMUT devices for structural health monitoring and development of dynamic characterization processes for mems applications
Yapısal sağlık izleme için fazı tersine çeviren CMUT cihazlarının mikroüretimi için süreç geliştirilmesi ve MEMS uygulamaları için dinamik karakterizasyon süreçlerinin geliştirilmesi
MERVE MİNTAŞ KÜÇÜK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. ABDULLAH ATALAR
DR. MEHMET YILMAZ
- Fotoakustik sinyal algılanması için fabry-perot sensörgeliştirilmesi
Development of fabry-perot sensor for photoacoustic signaldetection
ŞEKİP ESAT HAYBER
Doktora
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER GALİP SARAÇOĞLU
- Disk şeklindeki ince piezoelektrik plakalar kullanılarak gerçekleştirilen geniş bandlı ultrasonik dönüştürücü tasarımı
Başlık çevirisi yok
ŞABAN ERGÜN
Doktora
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektronik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İNAN GÜLER
- Geniş bantlı TEM ve ridged horn anten dizisi tasarımı
Wide band TEM and ridged horn antenna array design
ALPER ÇALIŞKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET SERDAR TÜRK