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
- Tez No: 851044
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA İPEK BAŞDOĞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 74
Özet
Çevre titreşimi, birkaç teknik aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülebilen ve küçük elektronik cihazları beslemek için kullanılabilen en yaygın ve umut verici enerji kaynağıdır. Ambiyans titreşimi enerjisi toplamanın avantajı, bakım maliyeti ve kimyasal atık gibi harici güç kaynaklarının, örneğin pillerin ortadan kaldırılmasıdır. Titreşim tabanlı enerji toplama için çeşitli yöntemler arasında, istenen geometriler ve ölçeklerde üretimde etkileyici güç yoğunluğu ve uyarlanabilirlikleri nedeniyle piezoelektrik malzemeler öne çıkar. Piezoelektrik enerji toplayıcıları, ayrıca deniz, havacılık ve otomotiv yapılarında 2B bileşenlerin yapısal sağlık izlemesi gibi kendi kendini besleyen cihazlar ve sistemler geliştirmek için araştırmacılara olanak tanır. Titreşim tabanlı piezoelektrik enerji toplama, kinetik enerji sağlayan titreşen bir ana yapı ile yapısal olarak bağlantılı bir piezoelektrik transdüserden oluşur ve bu enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesini sağlar. Toplanan elektrik enerjisini düzenlemek için bir toplama devresi elektriksel olarak piezoelektrikle bağlanmıştır. Titreşen ana yapının değişken kesitli kirişler ve birkaç şekil için yoğun bir şekilde incelendiği görülmüştür. Kirişlere alternatif olarak, piezoelektrik enerji toplama için plaka yapıları hem pratik uygulamalarda bulunabilirlikleri hem de geniş bant enerji toplama sağlama yetenekleri nedeniyle daha uygun görünmektedir. Öte yandan, stabil elektrik güç akışı, yani DC güç çıkışı sağlamak ve enerji toplama sisteminin verimliliğini artırmak için gelişmiş elektrik devreleri tanıtılmıştır. Ancak, mekanik kısımdaki araştırma, gelişmiş toplama devrelerinin kullanımını göz ardı etmiş ve elektrik kısmındaki çalışmalar, sadece bir titreşim modunu dikkate alan basit titreşen yapıları içermiştir. Bu tez, piezoelektrik enerji toplama üzerine elektriksel ilerlemeler ile mekanik çalışmalar arasındaki araştırma boşluğunu kapatmaya adanmıştır. Bu çalışmanın ilk kısmı, ince bir plaka yapısına entegre edilmiş gelişmiş bir toplama devresi olan, endüktrde senkronize anahtarlamalı toplama (SSHI) ile çoklu modlu piezoelektrik enerji toplama için analitik bir model geliştirmeye odaklanmaktadır. Analitik çözüm, harvester'ın sürekli durum elektriksel yanıtını kapalı bir form çözümü olarak tahmin etmek için bir eşdeğer empadans yaklaşımına dayanarak geliştirilmiştir. Deneyler, sistem için ilk ve ikinci titreşim modlarının analitik çözümünü doğrulamak için yapılmıştır. SSHI devresinin enerji toplama performansı, standart doğrultucuyla karşılaştırılmış ve sırasıyla birinci ve ikinci titreşim modları için %183 ve %134 güç çıkışı artışı göstermiştir. Ayrıca, deneysel sonuçlar, plaka benzeri bir harvester'a SSHI entegrasyonunun, plakanın çoklu modal titreşim özellikleri nedeniyle standart tek anahtarlamalı bir davranış yerine çoklu anahtarlamalı bir davranış tanıttığını ortaya koymaktadır. Eşdeğer devre modelleme (EDM), karmaşık ana yapı geometrileri ve doğrusal olmayan devrelerin enerji toplama sistemlerinde kullanılması durumunda, piezoelektrik enerji toplayıcıları için elektromekanik yanıtı analiz etmek için kullanışlı bir araçtır. Tezin ikinci bölümünde, piezoelektrik yamaçların fiziksel özelliklerine ve/veya ana plakanın geometrisine önceden bilgi sahibi olmadan çoklu modal EDM'nin tanımlanmasına izin veren deneysel bir admans tabanlı sistem tanımlama yöntemi sunuyoruz. Önerilen deneysel yöntem kullanılarak, her titreşim modunda PEH sisteminin elektromekanik frekans tepki admansını elde ediyoruz ve böylece eşdeğer sistem parametrelerini hesaplıyoruz. Ayrıca, EDM'nin her LCR dalıyla ilişkilendirilen eşdeğer voltaj kaynaklarının tanımlanması için yeni bir deneysel teknik sunulmaktadır. Elde edilen EDM, bir plakadaki tekli ve çoklu piezoelektrik yamaç toplayıcıları için deneysel olarak doğrulanmıştır. Sistemin elektrik frekans tepkisi, SPICE yazılımı kullanılarak standart AC ve doğrultucu devreleri için doğrulanmıştır. Genel olarak, önerilen admans tabanlı sistem tanımlaması, eşdeğer sistem parametrelerini tanımlamak için doğru ve sağlam bir yöntem olup, piezoelektrik enerji toplama sistemlerini modellemek için pratik ve güvenilir bir araç haline getirir.
Özet (Çeviri)
Ambient vibration is the most available and promising source of energy that can be converted into electrical energy through several techniques and be used for powering small electronic devices. The advantage of harvesting ambient vibration energy is the removal of external power sources like batteries with maintenance cost and chemical waste. Among the diverse methods for vibration-based energy harvesting, piezoelectric materials stand out for their impressive power density and adaptability in manufacturing across desired geometries and scales. Piezoelectric energy harvesters, also, enable the researchers to develop self-powered devices and systems, such as structural health monitoring of 2D components in marine, aerospace, and automotive structures. Vibration-based piezoelectric energy harvesting consists of a piezoelectric transducer structurally coupled with a vibrating host structure which provides kinetic energy to be converted into electrical energy. A harvesting circuit is also connected electrically to the piezoelectric for regulating the harvested electrical energy. The vibrating host structure has been extensively studied for beams with variable cross sections and several shapes. Plate structures, as an alternative to beams, are more suitable for piezoelectric energy harvesting not only because of their availability in practical applications but also because of capability of providing broadband energy harvesting. On the other hand, advanced electrical circuits have been introduced to provide stable electrical power flow i.e., DC power output, and improve the efficiency of the energy harvesting system. However, the research in the mechanical part overlooked the use of advanced harvesting circuits and also the studies in the electrical part is limited to simple vibrating structures considering only one vibration mode of structure as an equivalent mass-stiffness-damper system. Therefore, this thesis is dedicated to bridge the research gap between the electrical advancements and mechanical studies on piezoelectric energy harvesting. The first part of this work focuses on developing an analytical model for multi-modal piezoelectric energy harvesting on a thin plate structure integrated with an advanced harvesting circuit i.e., synchronized switch harvesting on inductor (SSHI). The analytical solution is developed based on an equivalent impedance approach to predict the steady-state electrical response of the harvester as a closed-form solution. The experiments are conducted to validate the analytical solution for the system's first and second vibration modes. The energy harvesting performance of the SSHI circuit is compared against the standard rectifier, showing 183% and 134% power output enhancement for the first and second vibration modes, respectively. Additionally, the experimental results reveal that integration of SSHI to a plate-like harvester introduces a multi-switching behavior rather than a standard single-switching behavior due to the multimodal vibrational characteristics of the plate. Equivalent circuit modeling (ECM) is a useful tool for piezoelectric energy harvesters to analyze the electromechanical response of the system especially when complex host structure geometries and nonlinear circuits are used in the harvesting systems. At the second part of the thesis, we present an experimental admittance-based system identification method that allows us to identify the multi-modal ECM without prior knowledge of the host plate's geometry and/or physical properties of the piezoelectric patches. Using the proposed experimental method, we obtain the electromechanical frequency-response admittance of the PEH system at each vibration mode, and thereby, we calculate the equivalent system parameters. Additionally, a novel experimental technique is presented for the identification of the equivalent voltage sources associated with each LCR branch of the ECM. The derived ECM is experimentally validated for single and multiple piezoelectric patch harvesters on a plate. The electrical frequency response of the system has been validated for standard AC and rectifier circuits using SPICE software. Overall, the proposed admittance-based system identification is an accurate and robust method to identify the equivalent system parameters, making it a practical and reliable tool for modeling piezoelectric energy harvesting systems.
Benzer Tezler
- Next generation wireless networks for social good
Sosyal fayda için yeni nesil telsiz ağlar
SULTAN ÇOĞAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SEÇİNTİ
- Condition monitoring and fault detection for electrical power systems using signal processing and machine learning techniques
Sı̇nyal ı̇şleme ve makı̇ne öğrenme teknı̇klerı̇ kullanılarak elektrı̇k güç sı̇stemleri ı̇çı̇n durum ı̇zleme ve arıza belirleme
YASMIN NASSER MOHAMED
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAHİN SERHAT ŞEKER
- Tek silindirli bir dizel motorun tork oluşum modeli ve kontrolü
A model of torque generation process and control of single cylinder diesel engi̇ne
SEMİH ARAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
- İki parametreli aylık akım modeli-CBS entegrasyonu ve Gediz havzasında uygulaması
Two-parameter monthly water balance model-GIS integration and its application on Gediz basin
UMUT ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
İnşaat MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OKAN FISTIKOĞLU