Geniş bantlı ve düşük frekanslı mekanik titreşimler için esnek piezoelektrik enerji hasadı sistemi tasarımı ve üretimi
Design and fabrication of a flexible piezoelectric energy harvesting system for broadband and low-frequency mechanical vibrations
Yazar: HASAN GÖKSENİN ÇETİN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Piezoelektrik malzemeler = Piezoelectric materials

Özet:
Piezoelektrik enerji hasadı sistemleri genelde bir elastik katmanın iki adet piezoelektrik katman arasına sıkıştırılması ile iki örtülü kiriş yapısında üretilmektedir. Bu çalışmada, önceki çalışmalardan farklı olarak bir piezoelektrik polimer alt katman üzerine yerleştirilen polimer sütunlar vasıtasıyla enerjinin hasat edilmesi amaçlanmıştır. Bu konfigürasyonda, sütunlar titreşen ana yapı üzerinde çoklu osilatörler gibi hareket etmektedir ve titreşim enerjisinin ana yapıdan emilmesini sağlamaktadır. Daha sonra sütunlarda depolanan elastik enerji, piezoelektrik alt katman üzerinde oluşan gerilme yığılmaları vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Tasarlanan yapının çoğunluğunda polimer malzeme kullanılması, enerji hasadı sisteminin esnek, hafif ve düşük yoğunluklu özelliğe sahip olmasını sağlamaktadır. 

Bu tez kapsamında, enerji hasadı sisteminin analitik ve nümerik modellemesi gerçekleştirilmiştir. Analitik model, tek sütunlu yapının tek serbestlik dereceli modeli için serbest, harmonik ve adım tahrik titreşimleri altında incelenmiştir. Ayrıca piezoelektrik malzeme ve viskoelastik sönümleme modelleri üzerinde çalışılmıştır. Nümerik model ise, sonlu elemanlar metodu kullanılarak tek ve çok sütunlu enerji hasadı sistemlerinin modal, harmonik ve geçiş titreşim analizleri üzerinde çalışılması amacıyla geliştirilmiştir. Analitik model ve nümerik model kullanılarak elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. 

Tasarlanan enerji hasadı sistemi birçok farklı konfigürasyonda (tek ve çok sütunlu yapılar) farklı üretim teknikleri kullanılarak üretilmiştir. Sonrasında enerji hasadı sistemlerinin titreşim testlerinin gerçekleştirilmesi için özel bir test düzeneği kurulmuştur. Tasarlanan her bir yapının farklı harmonik taban tahrik titreşimleri altında, frekans taraması, voltaj ve güç ölçüm deneyleri gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar nümerik sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Piezoelectric energy harvesting systems are widely produced by sandwiching an elastic layer between two rigid piezoelectric layers which is called a bimorph structure. Unlike prior efforts, this study presents a novel piezoelectric energy harvesting system where polymer pillars stand on a piezoelectric polymer backing layer. In this configuration, polymer pillars behave like a set of oscillators on the vibrating structure, which provide absorption of vibration energy and act as an energy sink. Then, the stored elastic energy is converted to electrical energy in the clamped boundary via stress concentration on the piezoelectric layer. Energy harvesting system designed in this study is very flexible, lightweight and has low-density, since only polymer material is used in the whole structure. 

In this thesis, an analytical and numerical modeling of the energy harvesting system is developed. Then, numerical modeling with finite element methods is performed to study the modal, harmonic and transient vibration analysis of the single and multiple pillar structures. Results from the vibration analyses of analytical and numerical models are also compared. The energy harvesting system is obtained for the single and multiple pillar structures using a combination of a soft molding and additive manufacturing techniques. Then, a special test setup is prepared in order to perform vibration tests of the energy harvesting system. Each structure is tested under different harmonic base excitation vibrations including frequency sweep, voltage and power measurement tests. Results are compared with the numerical simulation results.