A Comprehensive Study on Effect of Auxetic Structure on Analysis of Piezoelectric Energy Harvesting Systems

Abstract

Numerous studies have shown that piezoelectric devices are highly effective in harvesting energy. Auxetic materials stand out owing to their exceptional qualities, and this results in an improvement in efficiency when used in piezoelectric systems. Energy harvesting from ambient mechanical vibrations is a universal endeavor because it can sustainably provide wireless sensors and portable electronic gadgets. In comparison to other vibration-based energy collection methods, piezoelectric energy harvesting is now a more widespread technique due to its benefits such as simplicity, scalability, and high-power output. Therefore, the present study investigated an auxetic piezoelectric energy harvester (APEH) system focusing on the structure of auxetic materials along with their behavior and efficiency in the system. In this thesis, four different models were investigated under different conditions with finite element modeling using COMSOL Multiphysics 6.0. This study simulated the models under four different studies such as frequency response, acceleration dependence, R load dependence and eigenfrequency study. Results are evaluated regarding all studies to decide which model is more efficient in under which conditions. This study demonstrated that COMSOL Multiphysics is a powerful tool for engineers and researchers to work on 3D models. Keywords: Auxetic Structure; Negative Poisson Ratio; Piezoelectric; Energy Harvesting; Vibration.

Çok sayıda araştırma, enerji hasadında piezoelektrik cihazların yüksek verimliliğini göstermiştir. Negatif poisson oranına sahip malzemeler olağanüstü nitelikleriyle öne çıkar ve bu tip malzemeler, piezoelektrik sistemlerde kullanıldığında verimliliğin artmasına neden olur. Ortamdaki mekanik titreşimlerden enerji hasadı, dünya çapında önemli bir uğraş konusudur; çünkü sürdürülebilir bir şekilde kablosuz sensörler ve taşınabilir elektronik cihazlar üretilebilir. Piezoelektrik enerji hasadı, basitliği, ölçeklenebilirliği ve yüksek güç çıkışı gibi avantajları nedeniyle diğer titreşime dayalı enerji toplama tekniklerinden daha yaygın hale geldi. Bu nedenle, bu çalışma, negatif poisson oranına sahip yapıların yanı sıra sistemdeki davranışları ve verimliliklerine odaklanan ve esnetildiğinde kalınlaşma özelliği olan piezoelektrik enerji toplayıcı (EPET) sistemini araştırmıştır. Bu tezde, COMSOL Multiphysics 6.0 kullanılarak sonlu elemanlar modellemesi ile farklı koşullar altında dört farklı model incelenmiştir. Bu çalışma, frekans tepkisi, ivme bağımlılığı, rezistans yük bağımlılığı ve öz frekans çalışması gibi dört farklı çalışma altındaki modelleri simüle etmiştir. Hangi modelin hangi koşullarda daha verimli olduğuna karar vermek için tüm çalışmalarla ilgili sonuçlar değerlendirilmiştir. Bu çalışma, COMSOL Multiphysics'in mühendisler ve araştırmacılar için üç boyutlu modeller üzerinde çalışmak üzere önemli bir araç olduğunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Negatif Poisson Oranına Sahip Yapılar; Negatif Poisson Oranı; Piezoelektrik; Enerji Toplanması; Titreşim.