Investigation of networked SSHI configurations for plate-based piezoelectric energy harvesting
Plaka tabanlı piezoelektrik enerji hasatlamak için ağ bağlantılı SSHI konfigürasyonlarının incelenmesi
- Tez No: 825289
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA İPEK BAŞDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 58
Özet
Titreşime dayalı enerji hasadı, bakım maliyetini azaltmak ve pilin atılmasını ortadan kaldırmak için çoğunlukla geleneksel pillerle çalışan küçük elektrikli cihazlarda ve bileşenlerde kullanılacak elektrik enerjisi üretmek için son yirmi yılda büyük ilgi görmüştür. Mevcut transdüksiyon mekanizmaları arasında piezoelektrik dönüştürücüler, büyük güç yoğunluklarına sahip oldukları için araştırmacıların ilgi alanına girmektedir. Piezoelektrik enerji hasadı ile ilgili çalışmaların çoğunda, piezoelektrik enerji hasatlayıcılar, basit yapılarından dolayı, sırasıyla unimorf konfigürasyon ve bimorf konfigürasyon olarak bilinen sırasıyla bir veya iki piezoelektrik malzeme tabakası ile konsol kirişler şeklindedir. Konsol kirişli enerji hasatlayıcılara bir alternatif olarak, yama tabanlı piezoelektrik enerji hasatlayıcıların, ana yapının titreşim enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek için plaka benzeri yapılar üzerinde uygulanması daha verimli ve daha kolaydır. Plaka benzeri yapılara bağlı piezo-yama enerji hasatlayıcılar, otomotiv, havacılık ve denizcilik uygulamalarında çok modlu titreşim enerjisini çıkarmak için kullanılabilir. Enerji hasadından elde edilen alternatif akım, pratik uygulamalar için daha kararlı (DC) bir forma dönüştürülmelidir. Bu dönüşümlerin çoğu için tam dalga standart AC-DC doğrultucu devreleri kullanılır. Çıkış gücünü artırmak için araştırmacılar, indüktör üzerinde senkronize anahtar hasatlayıcı (SSHI) da dahil olmak üzere çeşitli devreler üzerinde çalıştılar. Her piezo yaması için, SSHI devreleri, standart doğrultucu toplama devrelerine kıyasla toplanan gücü artırabilir. Bununla birlikte, SSHI ağının farklı konfigürasyonlarını çoklu piezo yamalar için kullanmanın plaka yapıları üzerindeki etkisi henüz anlaşılamamıştır. Bu çalışma, ağa bağlı SSHI konfigürasyonlarının performansını ağa bağlı doğrultucu konfigürasyonlarına kıyasla değerlendirmeyi ve enerji hasadı uygulamaları için optimum konfigürasyonları araştırmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmada, üç piezo-yaması bir alüminyum ana plakaya yapıştırılmış ve tekli ve/veya çoklu enerji hasatlama devrelerine bağlanmıştır. Elektromekanik sistemin eşdeğer devre modeli (ECM), deneysel olarak onaylanmış analitik modelden geliştirilmiştir ve bir elektronik devre simülasyon yazılımı olan LTspice'da kullanılmıştır. Tekli/çoklu doğrultucular ve SSHI devreleriyle ilgili dört farklı konfigürasyon çalışması ele alınmıştır. İlk iki durum tek bir doğrultucu/SSHI devresini içerirken, diğer ikisi her yama için ayrı doğrultucu/SSHI devrelerini içermektedir. Her konfigürasyonun performansı, harmonik uyarım altında tepe güç çıkışları açısından değerlendirilmiştir ve her konfigürasyon için optimum yük dirençleri elde edilmiştir. Deneysel bulgulara dayanarak, en iyi konfigürasyon belirlenmiştir ve deneysel sonuçlar simülasyon sonuçları tarafından doğrulanmıştır. Sonuçlar, ilgili SSHI'ları kullanarak, artan diyot kaybına rağmen yük kaybını önleyerek güç çıkışının iyileştirilebileceğini göstermektedir. Bu çalışma, plaka yapıları üzerindeki çoklu piezo-yamaları için ağ bağlantılı SSHI konfigürasyonlarının etkinliğini araştırarak optimum enerji hasatlama tekniklerini anlamamıza katkıda bulunuyor.
Özet (Çeviri)
Vibration-based energy harvesting has received significant interest over the past two decades to generate electrical power to be used in small electrical devices and components mostly powered with conventional batteries to reduce maintenance cost and eliminate battery disposal. Among the existing transduction mechanisms, piezoelectric transducers are in the interest of the researchers as they have large power densities. In the majority of the studies about harvesting applications, the piezoelectric energy harvesters are in the form of cantilevered beams, with one or two layers of piezoelectric materials, which are known as unimorph configuration and bimorph configuration, respectively. As an alternative to the cantilever beam energy harvesters, patch-based piezoelectric energy harvesters are more efficient and easier to implement on plate-like structures to convert the vibrational energy of the host structure to electrical energy. Piezo-patch energy harvesters attached to plate-like structures can be used to extract multimodal vibrational energy in automotive, aerospace, and marine applications. The alternating current obtained from energy harvesting should be transformed into a more stable (DC) form for practical applications. For most of these transformations, a full wave standard AC-DC rectifier circuits are used. To improve the output power, researchers have studied several circuits, including synchronized switch harvesting on inductor (SSHI) circuits. For each piezo patch, SSHI circuits can boost the harvested power compared to standard rectifier harvesting circuits. However, the effect of using different configurations of the SSHI networks for multiple piezo patches on plate structures have not yet been understood. This study aims to assess the performance of the networked SSHI configurations compared to networked rectifier configurations and investigate the optimum configurations for energy harvesting purposes. In this study, three piezo patches are bonded to an aluminum host plate and connected to single and/or multiple energy harvesting circuits. The electromechanical system's equivalent circuit model (ECM) is developed from the experimentally validated analytical model and utilized in an electronic circuit simulation software LTspice. Four different case studies of single/ multiple rectifiers and SSHI circuits are considered. The first two cases include a single rectifier/SSHI circuit, while the other two include separate rectifier/SSHI circuits for each patch. The performances of each configuration are evaluated under harmonic excitation in terms of peak power outputs, and the optimal load resistances are obtained for each configuration. Based on the experimental findings, the best configuration is determined and verified by the ECM results. The results show that by using respective SSHIs, the power output can be improved by preventing charge cancellation despite the cost of increased diode loss. This study contributes to our understanding of optimal energy harvesting techniques by investigating the effectiveness of networked SSHI configurations for multiple piezo patches on plate structures.
Benzer Tezler
- Lise öğretmenleri bağlamında iş tatmini ve örgüt kültürü ilişkisinin incelenmesi
Investigation of the relationship between job satisfaction and organizational culture in the context of high school teachers
İLKNUR BALCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İşletmeİstanbul Gedik Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ERKASAP
- Investigation of fan driven flow fields by particle image velocimetry and infrared thermography
Fanin sürdüğü akış alanlarının parçacık görüntülemeli hız ölçümü ve kızılötesi görüntüleme ile incelenmesi
ÖZGÜN ÖZER
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK KUMLUTAŞ
- Energy aware endurance framework for mission critical aerial networks
Güdümlü havasal ağlar için enerji farkında endürans modeli
YUSUF ÖZÇEVİK
Doktora
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BERK CANBERK
- Çapraz bağlı polifosfazen nano/mikro kürelerin sentezi, yapılarının aydınlatılması ve ilaç taşıma sistemi olarak kullanımının araştırılması
Synthesis of cyclomatrix polyphosphazene nano/microspheres, characterization and investigation of application as a drug delivery system
SİMGE METİNOĞLU ÖRÜM
Doktora
Türkçe
2018
KimyaAnadolu ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN SÜZEN DEMİRCİOĞLU
- Kollajen membran ve hyalüronik asitinkemik rejenerasyonuna etkisinin histolojikve histomorfometrik incelenmesi
Histological and histomorphometric investigation of the effect of collagen membrane and hyaluronic acid on bone regeneration
GÜLŞAT KAYA
Doktora
Türkçe
2023
Diş Hekimliğiİstanbul ÜniversitesiOral İmplantoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİLÜFER BALCIOĞLU