Flexible Solar Energy Harvesting and Fabric-Based Circuits: A Framework for Wearable Power Electronics
Esnek Güneş Enerjisi Hasadı ve Kumaş Tabanlı Devreler: Giyilebilir Güç Elektroniği için Bir Çerçeve
- Tez No: 952272
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KATHERİNE ANN KİM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ulusal Tayvan Unıversıtesı (natıonal Taıwan Unıversıty)
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Güneş enerjisi hasadı, biyomekanik, sağlık izleme ve kişisel sağlık gibi alanlarda kullanılan giyilebilir cihazlarda pil bağımlılığını azaltmak için uygun bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Bu cihazlar sensörler, işlemciler ve iletişim için sürekli güce ihtiyaç duymaktadır, ancak geleneksel pillere bağımlılık kısa ömür, hacim ve çevresel etki gibi sınırlamalar getirmektedir. Giyilebilir teknoloji ilerledikçe, işlevselliği sağlarken esneklik, uyumluluk ve daha fazla konfor gibi tasarım zorluklarını ele alan verimli, entegre enerji çözümlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez, bu zorluklara odaklanmakta ve ön kolda bulunan ticari olarak temin edilebilen esnek fotovoltaik (PV) panelleri kullanarak güneş enerjisiyle çalışan kol tabanlı bir cihaz ve güç yönetim sistemi için tasarım hususlarını özetlemektedir. Kol eğriliği, panel boyutlandırma, düzenleme ve yerleştirmenin etkileri araştırılmıştır. Kol boyutunun, güç çıkışında gelen ışık açısı kadar büyük bir faktör olmadığı bulunmuştur, bu da bir kollu hasat makinesinin bir popülasyon genelinde genelleştirilebileceği anlamına gelmektedir. Çeşitli dış mekan kullanım durumları altında yapılan testler, PV manşonunun dış mekanda 118,7 mW'a kadar güç üretebildiğini ve bunun çoğu algılama ve izleme uygulaması için yeterli olduğunu göstermiştir. Ayrıca, harcanabilir güneş enerjisinden etkin bir şekilde faydalanmak için kritik öneme sahip olan kumaş tabanlı güç dönüştürücülerin montajı için hibrit elektronik tekstil (e-tekstil) tabanlı bir yaklaşım tanıtılmıştır. Bu yaklaşım, kumaşa uygun devrelerin tasarlanmasını sağlayarak geleneksel sert ve esnek baskılı devre kartlarının (PCB'ler) sınırlamalarının üstesinden gelmeyi ve güç yönetimi uygulamaları için yumuşak ve giyilebilir elektroniklerin geliştirilmesine izin vermeyi amaçlamaktadır. İlk olarak, iletken kumaşları ve bakır folyoyu birleştiren el yapımı bir prototip sunulmuş ve kavram kanıtı olarak test edilmiştir. Daha sonra, kumaş alt tabakalar üzerinde hassas ve tekrarlanabilir düzenler oluşturmak için vinil kesiciler gibi erişilebilir araçları içeren geliştirilmiş ve kolaylaştırılmış bir devre tasarım metodolojisi özetlenmiştir. Metodoloji, giyilebilir cihazların güç yönetimi ihtiyaçlarını karşılamada bu yaklaşımın pratikliğini ve etkinliğini gösteren %86 ila 90 arasında verimlilik elde eden birkaç işlevsel prototipin geliştirilmesiyle değerlendirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Solar energy harvesting is emerging as a viable solution to reduce battery dependency in wearable devices used in areas like biomechanics, health monitoring, and personal wellness. These devices require continuous power for sensors, processors, and communication, but reliance on traditional batteries poses limitations such as short lifespan, bulkiness, and environmental impact. As wearable technology advances, efficient, integrated energy solutions are needed that address design challenges like flexibility, conformability, and user comfort while ensuring functionality. This dissertation focuses on these challenges and outlines design considerations for a solar-powered sleeve-based device and its power management system using commercially-available flexible photovoltaic (PV) panels located on the forearm. The effects of arm curvature, panel sizing, arrangement, and placement are explored. The arm size is found to be not as big of a factor in power output as the incident light angle, meaning a sleeve harvester could be generalizable across a population. Tests under various outdoor use cases demonstrated that the PV sleeve could generate up to 118.7 mW outdoors, which is sufficient for most sensing and monitoring applications. Additionally, a hybrid electronic textile (e-textile) -based approach is introduced for assembling fabric-based power converters, which are critical for effectively utilizing harvested solar energy. This approach aims to overcome the limitations of traditional rigid and flexible printed circuit boards (PCBs) by enabling the design of circuits that conform to fabric, allowing the development of soft and wearable electronics for power management applications. First, a handmade prototype combining conductive fabrics and copper foil is presented and tested as a proof of concept. An improved and streamlined circuit design methodology is then outlined, incorporating accessible tools such as vinyl cutters to create precise and reproducible layouts on fabric substrates. The methodology is validated through the development of several functional prototypes, achieving efficiencies between 86 to 90%, demonstrating the practicality and effectiveness of this approach in meeting the power management needs of wearable devices.
Benzer Tezler
- Doğu Karadeniz bölgesi kıyı şeridini korumak için en uygun yapı tipinin belirlenmesi
Başlık çevirisi yok
RASİM TULGAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
İnşaat MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BASRİ ERTAŞ
- Sabit çıkış projeksiyon alanı ve lüle yüksekliğine sahip dairesel kesitli üç boyutlu hava yastıklarının mukayeseli etüdü
A Comparative study of three-dimensional air cushions with circular cross section, exit projection area and constant nozzle height
ARMAĞAN İNALHAN