Vıbratıon energy harvestıng from a raılway vehıcle usıng commercıal pıezoelectrıc transducers

Abstract

TİCARİ PİEZOELEKTRİK GÜÇ DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİ KULLANILARAK TREN GİRDİSİNDEN TİTREŞİM ENERJİ HASADININ İNCELEMESİ Bu tez çalışması kapsamında klasik titreşim spectral analizi, piezoelektik ve enerji hasadı metodolojileri literatürde yer aldığı üzere incelenmiş olup, tüm bu alanlarda yeni perspektifler sunulmuş olmanın yanı sıra Midé'nin PPA-1011 ve 2011 ticari piezoelektrik güç dönüştürücü, güç çıktısının yüksek doğrulukta hesaplanmasına yönelik özgün teorik hesap yöntemleri aktarılmış olup, tüm bunlara ek olarak özgün 2 ve 3 serbestlik dereceli, ilgili 2 ve 3 dominant frekanslara ayarlanabilen hasat sistemleri önerilmiştir. Tez kapsamındaki incelemeler, hali hazırda yayılmakta olan hasat edilecek titreşim kaynağının tren titreşimi olarak belirlenmesi ile başlamıştır. Test sürüşleri esnasında alınan 16 farklı noktadaki titreşim verilerinden genliği en yüksek olan 4 adet yatay ve dikey titreşim verisi seçilmiş ve spectral analizleri tamamlanılarak, ivme ve pozisyon titreşim girdilerinin dominant frekansları bulunmuştur. Literatürde yer alan yöntemlerden ayırd edici olarak, yer değiştirme dominant frekanslarındaki enerjinin de enerji hasadına uygun ve verimli düzeyde olduğu gözlemlenmiş olup, Midé piezoelectric enerji hasat sistemlerinde (PPA-1011 and 2011) ayarlanılacak olan doğal frekans değerlerine eklenilmiştir.Son bölümde, piezoelektrik enerji üretimi, tek serbestlik dereceli titreşim enerji hasat sistemlerinin modellenmesi ve optimum rezistans bulunmasına yönelik literatürdeki mevcut hesaplama prosedürleri uygulanmış ve detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bunun devamında, sunulan yeni methodolojinin neticelerinin Midé'nin yayınladığı deney bulguları ile uyumunun, tez çalışmasında yürütülen hesaplama methodoloj isinin doğruluğunu desteklemiştir. Ek olarak, titreşim davranışını daha iyi gözlemleyebilmek ve inceleyebilmek için ANSYS (PPA-1021) ve SAP2000 (PPA-1011) simulasyonları analiz edilmiştir. Son olarak, gelecekte incelenmesi planlanan modeler ve bu tez çalışmasından doğan yeni inceleme konuları sunulmuştur.

VIBRATION ENERGY HARVESTING FROM A RAILWAY VEHICLE USING COMMERCIAL PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS This thesis study covers classic vibration spectral signal analysis, piezoelectricity and energy harvesting methodologies in literature, and offers a new perspective in all those field as well as presenting an accurate novel theoretical estimation of power output methodology for Midé's PPA-1011 and 2011 commercial piezoelectric vibration energy harvester (VEH) models, in addition to proposed alternatives of novel 2 DOF and 3 DOF configurations that can be adjusted relative 2 and 3 dominant frequencies of input excitation. Investigations begin with the selection and analysis of train vibration as an input dissipated energy source. Among 16 vibration measurements of train test runs, spectrum analysis of 4 vertical and lateral acceleration data having maximum vibration amplitudes are analyzed, and dominant frequencies of acceleration and displacement excitations are detected for each. As a distinct consideration, it is seen that input displacement dominant frequency is suitable for efficient energy harvesting and thus, it is also taken as tuning frequency of Midé piezoelectric VEHs (PPA-1011 and 2011). Last of all, existing estimation procedures in literature on piezoelectric energy generation, single DOF VEH modeling and optimum load are covered in detail and new methodologies with high precision that is inline with Midé's experiment data are expressed in this research. Additionally, to better visualize and investigate the vibration behavior, ANSYS (PPA-1021) and SAP2000 (PPA-1011) simulations are analyzed. Finally, further models and research complementary ideas that arose from the conducted examinations are represented.