Köprü yapılarda piezoelektrik enerji üreteçlerinin optimal yerleşimi

Abstract

Bu çalışmada köprü yapılardaki araç geçişlerinden dolayı köprülerde oluşan titreşimlerden Piezoelektrik Enerji Üreteçleri (PEÜ) aracılığıyla enerji kazanımı amaçlanmıştır. Kazanılan enerjinin de maksimum düzeyde olabilmesi için PEÜ'lerin optimal konumlara yerleşimi hedeflenmiştir. Yapılan çalışmada üç farklı araç yükü ve üç farklı piezoelektrik malzeme kullanılarak köprü yapılardaki titreşimlerden enerji kazanımı elde edilmiştir. Elazığ'ın Baskil ilçesi Kuşsarayı köyünde bulunan Kuşsarayı-2 köprüsünün projesi gerçek ölçülerle ANSYS programında modellenmiştir. Köprünün sırasıyla modal, harmonik ve piezoelektrik enerji kazanımı analizleri gerçekleştirilmiştir. Toplam 9 adet PEÜ için üç farklı piezoelektrik malzeme (PZT-4, PZT-5A ve PZT-8) kullanılarak en fazla enerji üretiminin olduğu tip belirlenmiş ve sonuçların karşılaştırılabilmesi için üç farklı araç yükü (60 kN, 90 kN ve 120 kN) altında toplamda 13 farklı çözüm yapılmıştır. Analizler gerçekleştirildiğinde elde edilen maksimum toplam gücün 120 kN yük altındaki PZT-5A malzemeli PEÜ ile 1.484 µW olduğu hesaplanmıştır. Sağlanan bu güç, köprülerin yapısal sağlığını izlemede kullanılan kablosuz sensör sistemlerine yeterli gelecek seviyededir. Titreşim ile enerji kazanımının güneş ve rüzgâr gibi enerji kaynakların aksine meteorolojik öğelerden bağımsız olduğu düşünüldüğünde bu sistemlerin yaygınlaştırılması ile mevcut sistemlerde oluşan atık pillerin de çevreye zararı önlenmiş olacaktır.

In this study, it is aimed to harvesting energy from vibrations in bridges due to vehicle movements in bridge structures by using Piezoelectric Energy Harvester (PEH). In order to maximize the energy harvesting, it is aimed to place the PEH's in their optimal positions. In the study, energy harvesting was obtained from vibrations in bridge structures by using three different vehicle loads and three different piezoelectric materials. The project of Kuşsarayı-2 bridge, located in Kuşsarayı village of Baskil district of Elazığ, was modeled with real dimensions in the ANSYS program. The modal, harmonic and piezoelectric energy harvesting analysis of the bridge were carried out, respectively. For a total of 9 PEH's, three different piezoelectric materials (PZT-4, PZT-5A ve PZT-8) were used to determine the type with the highest energy harvest, and in order to compare the results, a total of 13 different solutions were made under three different vehicle loads (60 kN, 90 kN ve 120 kN). When the analyzes were performed, it was calculated that the maximum total power obtained was 1.484 µW with the PZT-5A material PEH under 120 kN load. This power is sufficient for wireless sensor systems used to monitor the structural health of bridges. Considering that energy harvesting by vibration is independent of meteorological elements, unlike energy sources such as the sun and wind, the widespread use of these systems will prevent the environmental damage of waste batteries formed in existing systems.