Piezoelectric energy harvesting for munitions applications

Abstract

Son yıllarda, küçük elektronik parçaların düşen güç gereksinimleri nedeniyle titreşim kaynaklı enerji hasadı büyük önem kazanmıştır. Harici güç kaynağı ve bakım gereklilikleri mekanik titreşim güç üreteçleri kullanımı sayesinde en düşük seviyeye indirilebilmektedir. Çevresel koşullardan güç üretimi kimyasal bataryalara göre yüksek güvenilirlik, uzun raf ömrü ve düşük fiyat avantaja sahip olma temel avantajlarına sahiptir. Elektromanyetik, elektrostatik ve piezoelektrik enerji çevirim mekanizmaları üç temel enerji hasadı yöntemidir.Bu çalışmada, piezoelektrik eleman teknolojilerinin mühimmat patlaması sonucu enerji depolama yöntemi olarak uygulanması amaçlanmıştır. Piezoelektrik enerji üreteçlerinin tasarımlarında karşılaşılan sorunlar araştırılmıştır. Enerji hasadının yüksek güç ihtiyaçlarına göre uygulanabilirliği üzerine çalışılmıştır. Çalışmada elde edilen deneyim mühimmat uygulamaları için piezoelektrik güç üreteci tasarımında kullanılacaktır.Harmonik ve mekanik şok yükleme durumları için farklı tipten piezoelektrik malzemeler içeren piezoelektrik güç üreteçleri tasarlanmış ve test edilmiştir. Test sonuçları MATLAB® ve ORCAD PSPICE® programlarında hazırlanan analitik modeller ve ATILA® programında hazırlanan sonlu elemanlar modelleri ile karşılaştırılmıştır. Kazanılan enerjinin optimum olarak saklanması konusu da incelenmiştir.

In recent years, vibration-based energy harvesting technologies have gained great importance because of reduced power requirement of small electronic components. External power source and maintenance requirement can be minimized by employment of mechanical vibration energy harvesters. Power sources that harvest energy from the environment have the main advantages of high safety, long shell life and low cost compared to chemical batteries. Electromagnetic, electrostatic and piezoelectric transduction mechanisms are the three main energy harvesting methods.In this thesis, it is aimed to apply the piezoelectric elements technology to develop means for energy storage in munitions launch. The practical problems encountered in the design of piezoelectric energy harvesters are investigated. The applicability of energy harvesting to high power needs are studied. The experience compiled in the study is to be exploited in designing piezoelectric energy harvesters for munitions applications.Piezoelectric energy harvesters for harmonic and mechanical shock loading conditions with different types of piezoelectric materials are designed and tested. The test results are compared with both responses from analytical models generated in MATLAB® and ORCAD PSPICE®, and finite element method models generated in ATILA®. Optimum energy storage methods are considered.