Investigation of nonlinear damping in vibration energy harvesters

Abstract

Enerji üreteçlerinin önemi kablosuz sensör ağı sistemleri, durum görüntüleme (CBM) uygulamaları, yapısal kontrol sistemleri gibi teknolojilerin gelişmesiyle günden güne artmaktadır. Doğada güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, termal enerji gibi enerji üretimi için kullanılabilecek farklı kaynaklar olmasına rağmen titreşimden enerji üretmek bu enerji kaynağının çokluğu ve güneş enerjisinin her zaman ve her yerde bulunmamasından dolayı gün geçtikçe daha çok ön plana çıkmaktadır. Geleneksel bir titreşim tabanlı, elektromanyetik çevrim mekanizmasına sahip enerji üretecinde elektrilsel sönümleme doğrusaldır. Sistem içindeki hareketli kütlenin sınırlı hareket alanı olması ve değişken dış ortam titreşim karakteristikleri gibi tasarım zorluklarından dolayı bu üreteçlerin verimlerinin arttırılması için bugüne kadar yapılmış çeşitli çalışmalar mevcuttur. Bu tezde sunulan çalışmada söz konusu üreteçler için doğrusal olmayan elektriksel sönümleme kullanılması önerilmektedir. Doğrusal ve doğrusal olmayan elektriksel sönümlemelerin karşılaştırılabilmesi için sistemler modellenerek MATLAB ortamında nümerik olarak çözdürülmüştür. Simülasyonlar parazitik sönümlemenin olduğu ve olmadığı iki farlı durum için yapılmıştır. Simülasyonlardan verilmiş ortam titreşim frekansı ve genliği aralıkları için alınan sonuçlar normalize edilerek farklı durumlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuçlara bakıldığında parazitik sönümlemenin olmadığı durumlarda doğrusal olmayan sönümlemenin uygulandığı sistem doğrusal sönümlenin uygulandığı sisteme göre test uzayının genelinde daha verimli sonuç vermiştir. Doğrusal olmayan sönümlemenin derecesi arttıkça sistemin daha verimli hale geldiği görülmüştür. Parazitik sönümlemenin sistem üzerindeki etkisi incelendiğinde sistem parazitik sönümleme değeri arttıkça doğrusal olmayan elektriksel sönümleden alınan verim artışının azaldığı görülmüştür. Çalışmanın ikinci bölümünde doğrusal olmayan elektriksel sönümleme fiziksel olarak oluşturulmaya çalışılmıştır. Birbirinden bağımsız beş ayrı sarım bölgesi olan ve zamana bağlı açık devre voltajlarının ölçülebildiği bir deney düzeneği tasarlanmış ve üretilmiştir. Deney çalışmasında ilk olarak mıknatıs hızı ve sarım sayılarının üretilen voltaj üzerindeki etkisi incelenmiştir. Daha sonra ilk deneylerden alınan sonuçlar kullanılarak istenen sönümleme profilini elde etmek için kullanılması gereken sarım konfigurasyonunu belirleyebilmek adına bir kod yazılmıştır. Yazılan kod ile doğrusal ve doğrusal olmayan iki farklı sönümleme profili için gerekli sarım konfigürasyonları hesaplanmış ve deneysel olarak test edilmiştir. Sonuçlara bakıldığında hazırlanan algoritmanın gerekli sarım konfigürasyonunu başarı ile hesaplayabildiği ve deneysel olarak doğrulanabildiği görülmüştür. Sonuç olarak bu çalışmada enerji üreteçleri için doğrusal olmayan elektriksel sönümlemenin uygulanabilir ve verimi arttıran bir metod olduğu gösterilmiştir.

Energy harvesting continually attracts more interest as a result of the development technologies such as wireless sensor network systems, condition-based monitoring (CBM) applications, structural monitoring systems, etc. Although there are many sources in the nature that can be used as ambient energy source like solar energy, wind energy and thermal energy, vibration based energy harvesters outshines among them because of its abundance and non-availability of solar energy every time. In a conventional vibration energy harvester with electromagnetic transduction mechanism, the electrical damping is linear. Because of some design challenges like limited travel span for the proof mass of the system and variable ambient vibration characteristics, many suggestions are offered up to now in order to increase the efficiency of these harvesters. Within this scope, in this study, using nonlinear electrical damping is proposed. In order to compare the efficiencies of the linearly and nonlinearly damped systems, they are both modelled and solved numerically in MATLAB environment. The simulations are carried on for both with and without including parasitic damping. Over a range of ambient vibration amplitudes and frequencies, power results are normalized and comparisons are made. It is seen that using nonlinear damping increases efficiency of the harvester in majority of the testing range when parasitic damping is not included in the analysis. As the nonlinearity of the damping increases, the efficiency of the system increases as well. When the effect of parasitic damping is examined, it is seen that as the amount of parasitic damping increases, the superiority of the nonlinear damping decreases. For the second part of the study, nonlinear damping is realized physically. An experimental setup that can hold five different coil loops and measure the open circuit voltages is design and built. For the experimental study, firstly, the relationships of the effect of magnet speed and coil turn numbers are established with initial experiments. After that an algorithm is written to calculate the desired coil configuration for a desired damping profile. The required configuration is calculated with DPF and tested experimentally with two different damping profiles one representing linear and other representing the nonlinear case. It is seen that the written algorithm successfully calculates the linear and nonlinear damping profiles. The results are then validated experimentally. As a result of this study, it is shown that nonlinear damping can be an effective and applicable way to increase the efficiencies of the vibration based energy harvesters in the future.