Esnek kanat üzerinde piezoelektrik malzemeler kullanılarak mikro hava araçları için enerji üretim potansiyelinin incelenmesi
Experimental investigation on capacity of energy generation of piezoelectric patches mounted over flexible membrane wing
Yazar: NİHAL BAYRAMOĞLU
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA SERDAR GENÇ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bugün insansız hava araçları (İHA) askeri, bilimsel, ticari, tarımsal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle gözlem ve keşif için kullanılan mikro İHA'lar, araştırmacılar için önemli bir çalışma alanı haline gelmiştir. Mikro İHA'lar küçük boyutları nedeniyle düşük Reynolds (Re) sayılı uçuşlar gerçekleştirirler ve bu durum bazı olumsuzluklara neden olabilir. Bu nedenle esnek kanat aerodinamiği bu sorunların çözümünde uygulanabilir bir çözüm yolu olarak kullanılmıştır. Deneysel olarak yapılan bu çalışma, mikro İHA'ların esnek yüzeyi üzerine monte edilen piezoelektrik yamaların İHA'ların uçuşları sırasındaki esnek kanat titreşimlerden elektrik enerjisi elde etme potansiyelini araştırmayı amaçlamaktadır. Bu amaçla, 1.5 açıklık oranına sahip bir kanat kullanılmıştır ve öncelikle duman teli ile akış görselleştirme tekniği ile kanat etrafındaki akış ortaya konmuştur. Daha sonra kanat üzerine yerleştirilen üç farklı tipteki piezoelektrik yamaların farklı düşük Re sayısı ve hücum açılarında voltaj çıkışları ölçülmüştür. Sonuçlar piezoelektrik yamaların konumlarının ve birbirlerine olan etkilerinin sonuçları ciddi şekilde etkilediğini göstermiştir. Ayrıca 470 ohm değerine sahip direnç üzerinden enerji hesaplamaları yapılmıştır. Deneysel sonuçlar, tutunma kaybı öncesi akış durumunun, özellikle daha düşük hücum açılarında elektrik üretiminin daha az olmasına neden olduğunu göstermiştir. Ayrıca, hücum açısı ve Re sayısı arttıkça membran malzemenin deformasyonu da artmış buna bağlı olarak da piezoelektrik yamalardan elde edilen enerji miktarında da artış meydana gelmiştir.

Abstract:
Today, unmanned aerial vehicles (UAVs) are widely used in military, scientific, commercial, agricultural applications. Micro-UAVs used for observation and exploration have become very important and researchable in terms of working subjects. They operate in a low Reynolds number regime because of their small size, and this may cause disadvantages to their performance. Therefore, membrane flexibility has been identified as a tenable method to alleviate this problem. This experimentally based study aims to investigate the potential of piezoelectric patches mounted over the flexible surface of micro UAVs to obtain electrical energy from vibrations during their flight. In this respect, a flexible membrane wing with 1.5 aspect ratio was used. Smoke wire experiments were performed on the wing and three different type piezoelectric materials were employed over the flexible membrane and the voltage output of each piezoelectric material was investigated at different angles of attack and Reynolds numbers. The results showed that the location of piezoelectric patches and their effects on each other significantly affected the results.  Furthermore, energy calculations are made over 470 ohm resistor. Experimental results revealed that pre-stall flow condition caused the electricity generation to be less at especially lower angles of attack. Also fluctuations over membrane material increased simultaneously when angle of attack and Re number increased. Those fluctuations indicated that vortex sheds and rolling vortices over membrane material were energized due to flow separation.