Finite element modeling of a piezo patch energy harvester and equivalent circuit modeling on a thin plate with AC-DC conversion

Küçük elektronik cihazlara sürekli güç kaynağı sağlayabilmek amacıyla, titreşim tabanlı piezoelektrik enerji hasadı, araştırmacılar tarafından yoğun ilgi görmektedir. Piezoelektrik enerji hasadıyla ilgili en yaygın uygulama, piezoseramik katmanla örtülü ankastre kirişin titreşen ana yapıya bağlanmasıdır. Piezoseramik katmana bağlanan elektrik devresi AC çıktıyı kararlı DC çıktısına dönüştürür ve depolama bileşeninin şarj edilmesini sağlar. Literatürde yaygın olarak bahsedilen kiriş yapıda enerji üreteçleri çalışılmıştır. Piezoseramik yamaların doğrudan ince plaka benzeri yapılara entegre edildiği uygulamalar ise kiriş yapıdaki üreteçlere alternatif olarak kullanılabilir. Bu yöntem özellikle havacılık, otomotiv ve denizcilik uygulamalarında, ince plaka benzeri yapılarda kompakt ve geniş bantlı enerji hasadı imkânı sağlayacaktır. Ancak, literatürde iki boyutlu yapılarda enerji hasadı uygulamaları, kiriş yapılardaki uygulamalara göre kısıtlıdır. Bu tezde ilk olarak, ince plaka şeklindeki ana yapıya bağlı piezoseramik yama için elektro-elastik sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Daha sonra sonlu elemanlar modeli kullanılarak çok modlu eşdeğer devre modeli elde edilmiştir. Enerji üretecinin çok modlu eşdeğer devre modeline, SPICE yazılımında, lineer ve lineer olmayan enerji hasadı devreleri eklenmiştir. Simülasyon sonuçları lineer AC-AC ve lineer olmayan AC-DC devre konfigürasyonları için doğrulanmıştır. AC-AC konfigürasyonu için voltaj frekans cevap fonksiyonları, farklı direnç yükleri bağlanarak hesaplanmış ve sonuçlar kapalı yapıdaki analitik model ve sonlu elemanlar modeli sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sonuçlar arasında çok yüksek benzerlik görülmüştür. AC-DC konfigürasyonunda, kararlı bir doğru akım voltajı elde edebilmek için, tam dalgalı doğrultucu ve süzgeçleme kapasitörü kullanılmıştır. Son olarak, sonlu elemanlar modeli ile ilgili bir vaka çalışması yapılmış, ve ana yapı olarak ağır yük kamyonu kabininin titreşen paneli kullanılmıştır. Deneysel verilerden elde edilen kuvvetler kullanılarak, operasyonel koşullar altında panelin titreşim cevabı ve panele entegre edilen piezoseramik yamanın voltaj cevabı elde edilmiştir. Kapalı devre ve açık devre koşullarında elektrik gücü çıktıları sunulmuştur. Nümerik sonuçlar elektrik gücü çıktılarının kabul edilebilir düzeyde olduğunu göstermektedir.