Vibration Analysis of Piezoelectric Energy Harvesting Advanced Light Weight Rotating Beams

Abstract

Renewable energy is energy that can be found in nature as solar energy and wind energy. A new type of renewable energy is added recently: energy harvesting. This category is only for small systems such as sensors and one of its categories is vibrational energy. Material that gives the ability to convert mechanical energy (i.e. Vibration) to electrical energy and vice-versa is the piezoelectric material. In this thesis, a sandwich structure consisting of a piezoelectric layer and light materials is proposed, this structure can be inserted in different rotational environments such as flex plates tires, and the blade of a wind turbine, the vibration of these environments can be transformed to electrical energy to power sensors or any low power type of equipment. PZT-5H piezoelectric material will be used, the harmonic analysis will be applied to three different light materials to determine the voltage output from the PZT5H which are aluminum and magnesium and, titanium. Noise will be added to the beams to enhance the output power of the harvesters and to make the systems have more than one stable position to allow the stochastic resonance phenomenon to occur. The temperatures on the produced electrical power will be also examined for each beam, the harmonic analysis will be done with the finite element method (FEM) on ABAQUS® software, curve fitting temperature data to get the elasticity at a desired temperature and noise inheritance are done using MATLAB® Software. The results showed that Magnesium substrate produced the highest electrical power by 756.06 µW and Titanium substrate comes next with 501.9 µW and at last Aluminum substrate with a value of 489.92 µW, also the results demonstrated that the temperature reduced the electrical power by overall but the highest substrate material was Aluminum with a value of 427.0 µW and next comes the Magnesium substrate with a value of 401.0 µW and at last Titanium substrate with a value of 395.0 µW. Keywords: Stochastic resonance, Finite element method, Euler-Bernoulli beam, Piezoelectric energy harvesting.Yenilenebilir enerji, doğada güneş enerjisi ve rüzgar enerjisi olarak bulunabilen enerjidir. Son zamanlarda yeni bir yenilenebilir enerji türü eklendi: enerji hasadı. Bu kategori sadece sensörler gibi küçük sistemler içindir ve kategorilerinden biri de titreşim enerjisidir. Mekanik enerjiyi (yani Titreşim) elektrik enerjisine veya tam tersine dönüştürme yeteneği veren malzeme piezoelektrik malzemedir. Bu tezde, bir piezoelektrik katman ve hafif malzemelerden oluşan bir sandviç yapı önerilmiş, bu yapı esnek plaka katmanları ve bir rüzgar türbininin kanadı gibi farklı dönme ortamlarına yerleştirilebilmekte, bu ortamların titreşimi dönüştürülebilmektedir. sensörlere veya herhangi bir düşük güçlü ekipman tipine güç sağlamak için elektrik enerjisi, PZT-5H piezoelektrik malzeme kullanılacak, PZT-5H'den gelen voltaj çıkışını belirlemek için üç farklı hafif malzeme üzerinde harmonik analiz uygulanacaktır, bunlar alüminyum ve magnezyum ve Biçerdöverlerin çıkış gücünü artırmak ve sistemlerin stokastik rezonans olgusunun oluşmasına izin vermek için birden fazla kararlı konuma sahip olmasını sağlamak için kirişe titanyum gürültüsü eklenecek, Üretilen elektrik gücü üzerindeki sıcaklığın etkisi de her kiriş için incelenecektir, Harmonik analiz, ABAQUS® yazılımı üzerinde sonlu elemanlar yöntemi (FEM) ile yapılacaktır, elastisiteyi elde etmek için eğri uydurma sıcaklık verileri MATLAB® Yazılımı kullanılarak istenen bir sıcaklık ve gürültü mirası elde edildi, sonuçlar Magnezyum substratın 756.06 µW ile en yüksek elektrik gücünü ürettiğini ve Titanyum substratın 501.9 μW ile ardından geldiğini ve son olarak Alüminyum substratın 489.92 μW değerinde olduğunu gösterdi, ayrıca sonuçlar sıcaklığın elektrik gücünü genel olarak azalttığını, ancak en yüksek substrat malzemesinin 427,0 μW değerinde Alüminyum olduğunu ve ardından 401,0 μW değerinde Magnezyum substrat ve son olarak 395,0 μW değerinde Titanyum substrat olduğunu gösterdi. Anahtar Kelimeler: Stokastik rezonans, Sonlu elemanlar yöntemi, Euler-Bernoulli ışını, Piezoelektrik enerji hasadı.