Piezoelectric vibration energy harvesterwith movable tip mass

Abstract

Bu tez, doğal frekansını otomatik olarak ayarlayan yenilikçi bir titreşim bazlı enerji toplayıcısı sunar. Önerilen toplayıcı, elektrik üreten elemanı ortam titreşimi ile rezonans durumunda tutarak azami güç verimi sağlar. Yapı, iki adet piezoelektrik konsol kiriş, kirişlerinden birinin ucuna hareketli kütle bağlı bir minyatür piezomotor, kontrol ünitesi ve devre elemanlarından oluşur. Sabit konumda özkilitlenme özelliği sayesinde durağan halde enerji harcamaz. Önceden belirlenmiş aralıklarda, kontrol ünitesi, iki kirişin potansiyel farklarının seviye geçiş sürelerinin karşılaştırılması yoluyla iki kiriş arasındaki faz açısını hesaplar. Gerekli olduğu takdirde pizeomotor kütleyi uygun yönde harekete geçirir. İşlerini bitirdikten sonra, kontrol ünitesi enerji tasarruflu uyku moduna girer. Önerilen algoritmayla fraksiyonel bant genişliğinin %4'ten %10'a arttığı gösterilmiştir. Daha uzun hareket menziline sahip bir piezomotor kullanılması durumunda bu değer daha da arttırılabilir. Piezomotor hareketinin toplanılan gücün sadece %3,6'sını kullanmasının yanısıra, sistem üretilen enerjinin %66,8'ini kullanılabilir durumda korur. Sunulan etkili toplayıcı, kendini otomatik ayarlayan ve kendi kendine yeterli, kolayca elde edilebilen parçalardan yapılabilir ve farklı uygulamalarda kullanıma uygundur.

This thesis presents a novel smart vibration energy harvester that is able to automatically adjust its natural frequency. The proposed harvester preserves the electrical power generating element in a resonance with ambient vibration in order to maximize power yield. The structure consists of two piezoelectric cantilever beams, a miniature piezomotor with a movable mass connected to one of the beams, a control unit and electronics. The piezomotor does not require energy to fix its movable mass as a result of its self-locking feature. At each predefined interval, the control unit performs voltage comparisons where each level crossing provides timings to calculate the phase difference between two beams. When necessary, it actuates the piezomotor to move its mass in the appropriate direction. After completing its tasks, the control unit switches to the power-saving sleep mode. It is shown that the proposed tuning algorithm successfully increases the fractional bandwidth of the harvester from 4% to 10%. A piezomotor having longer range of motion will improve this value. The system is able to deliver 66.8% of the total harvested power into usable electrical power while the piezomotor actuation uses only 3.6% of the harvested power. The presented efficient, auto-tunable and self-sufficient harvester is built using off-the shelf components and it can be easily modified for wide range of applications.