Vibrational energy harvesting with piezoelectric patches integrated on plate structures

Titreşimden elektrik enerjisi üretimi, medikal ve havacılık uygulamalarında kullanılabilir ve kendi enerjisini üreten cihazların geliştirilmesi amacıyla son yıllarda önemli derecede ilgi çeken bir araştırma alanı olmuştur. Bu araştırma eğiliminin bir parçası olarak, son on yılda, titreşen piezoelektrik kirişler üzerine yoğun araştırma faaliyetleri yürütülmüştür. Kiriş üreteçlere alternatif olarak, plaka ve paneller üzerine yerleştirilebilen yama-tipi piezoelektrik enerji üreteçler otomobil, gemi ve havacılık yapıları için daha uygun olanaklar sunmaktadır. Ancak, esnek ve hafif yapıların titreşiminden piezoelektrik malzeme ile elektrik enerjisi üretimi çok az sayıda araştırmada raporlanmıştır ve yama-tipi piezoelektrik enerji üreteçlerin tasarım ve analizinde kullanılmak üzere doğru matematiksel modellere ihtiyaç bulunmaktadır. Bu tez, ince bir plaka yapının titreşiminden yama-tipi piezoelektrik enerji üreteçlerle elektrik enerjisi üretiminin analitik yöntemlerle modellenmesini, deneysel doğrulama çalışmalarını ve performans analizlerini ilk kez sunmaktadır. İlk olarak, ince bir plaka üzerinde bulunan yama-tipi piezoelektrik enerji üretecin dağıtılmış-parametre elektroelastik modeli geliştirilmiştir. Yapısal ve elektriksel çıktıların kararlı durumları için analitik çözümleri bulunmuş ve elektroelastik frekans tepki fonksiyonlarının (FTF) kapalı formda formülleri elde edilmiştir. Deneysel ölçümler dört-kenarından tutturulmuş alüminyum bir plaka üzerinde bulunan piezoelektrik yama-tipi üreteçle gerçekleştirilmiştir. Analitik elektroelastik model, deneysel ve analitik sonuçlar karşılaştırılarak doğrulanmış ve plakanın farklı titreşim modlarındaki elektriksel güç çıktısı geniş bir direnç aralığı için incelenmiştir. Daha sonra, tek-yama elektroelastik modeli, çok sayıda seri veya paralel bağlı yamalar için geliştirilmiştir. Böylelikle, çok sayıda piezoelektrik enerji üreteçler için elektroelastik model elde edilmiş ve yapısal ile elektriksel çıktıların kararlı durumları için analitik çözümler elde edilmiştir. Deneysel ve analitik durum çalışmaları iki adet seri ve paralel bağlı yama-tipi piezoelektrik üreteçler için sunulmuş ve analitik model tahminlerinin deneysel ölçümlerle çokça tutarlı olduğunu gösterilmiştir. Çalışmanın devamında, geniş ve kısıtlı bantta gelişigüzel (random) titreşimlerden elektrik enerjisi üretilmesi incelenmiştir. Beklenen elektrik güç değeri ile titreşim hızının ortalama-kare değerinin analitik ve sayısal çözümleri, bu tez kapsamında geliştirilen elektroelastik modeller kullanılarak türetilmiştir. Gelişigüzel titreşim deneyleri plaka üzerine yapıştırılan üç adet seri bağlı yama-tipi üreteç için gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, analitik ve sayısal tahminlerin tutarlı ve benzer olduğunu göstermiştir. Son olarak, gelişigüzel titreşimden elektrik enerjisi üretimi senaryoları, kuvvet bant aralığının beklenen elektrik gücü ile yama-tipi enerji üreteçlerin eniyileştirilmiş pozisyonu üzerindeki etkilerini incelemek için sunulmuştur. Bu doktora tezi kapsamında sunulan çalışmalar, yama-tipi üreteçlerin elektroelastik davranışlarını geliştirilen analitik modellerin doğru olarak tahmin ettiğini göstermiştir. Ayrıca, analitik ve deneysel sonuçlar yama-tipi enerji üreteçlerin iki boyutlu yapılar üzerinde başarılı bir şekilde titreşimden elektrik enerjisi üretimi için kullanılabilir olduğunu göstermektedir. Bu sebeple, bu doktora tezi enerji üretimi araştırma alanına kullanılabilir ve doğru analitik modeller sunarak katkıda bulunmaktadır.