Piezoelektrik enerji toplama sisteminin modelleme ve sistem tanımlama konusunda gelişmiş teknikler geliştirme

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.