Διερεύνηση της επίδοσης μάστευσης ηλεκτρικής ενέργειας από μηχανική μέσω ειδικών διατάξεων με πιεζοηλεκτρικές συστοιχίες

• Κύριος συγγραφέας: Τζουνάκος, Ρωμανός
• Άλλοι συγγραφείς: Tzounakos, Romanos
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Διάταξη ανάκτησης ενέργειας; Ταλαντώσεις; Πιεζοηλεκτρικά στοιχεία; Βελτιστοποίηση ισχύος; Energy-harvesting setup; Oscillations; Piezoelectric elements; Power optimization; Computational tool

Η ανάγκη για εύρεση βιώσιμων πηγών ενέργειας για την τροφοδότηση ηλεκτρονικών συσκευών ή την αποθήκευση της ενέργειας για μελλοντική χρήση ώθησε τους ερευνητές να εργαστούν για την εύρεση λύσεων. Η πρόοδος που έχει συντελεστεί τα τελευταία χρόνια στην Επιστήμη των Υλικών έχει καταστήσει δυνατή την παρασκευή όλο και πιο αποδοτικών πιεζοηλεκτρικών υλικών. Τα υλικά αυτά έχουν την δυνατότητα να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια όταν υπόκεινται σε μηχανική καταπόνηση. Έτσι, η ανάκτηση ενέργειας με πιεζοηλεκτρικά στοιχεία, με παρασιτικό τρόπο, από στοιχεία κατασκευών που ταλαντώνονται λόγω των συνθηκών που επικρατούν στο περιβάλλον τους, αποτελεί μια ιδιαίτερα ελκυστική λύση. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μια ειδική ταλαντωτική διάταξη ανάκτησης ενέργειας, εφοδιασμένη με πιεζοηλεκτρικές συστοιχίες. Διερευνάται η επίδοση της διάταξης αυτής στην ανάκτηση ηλεκτρικής ενέργειας από μηχανική ενέργεια ταλαντώσεων για κύκλωμα ανάκτησης ενέργειας με αντίσταση και με αυτεπαγωγή-αντίσταση. Στο πλαίσιο της μελέτης αναπτύσσεται ένα υπολογιστικό εργαλείο, ικανό να προσομοιώσει την δυναμική συμπεριφορά της συσκευής ανάκτησης ενέργειας. Απώτερος στόχος είναι το υπολογιστικό εργαλείο να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εύρεση των συνθηκών βέλτιστης παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος. Για την μαθηματική μοντελοποίηση του συστήματος αναπτύσσεται ένα ηλεκτρομηχανικά συζευγμένο, γραμμικό σύστημα συνήθων διαφορικών εξισώσεων δεύτερης τάξης, το οποίο επιλύεται στο υπολογιστικό περιβάλλον του Matlab. Στην συνέχεια υπολογίζεται και παρουσιάζεται το μέτρο της δυναμικής απόκρισης του συστήματος ως προς την επιτάχυνση της βοηθητικής μάζας της συσκευής, το ηλεκτρικό δυναμικό στα άκρα του κυκλώματος ανάκτησης ενέργειας, καθώς και την αποδιδόμενη ηλεκτρική ισχύ, για διάφορες τιμές της ωμικής αντίστασης και της αυτεπαγωγής. Το θεωρητικό μοντέλο του συστήματος επαληθεύεται πειραματικά για ένα εύρος τιμών της ωμικής αντίστασης και της αυτεπαγωγής. Πράγματι, οι συγκρίσεις μεταξύ πειραματικών και θεωρητικών αποτελεσμάτων είναι αρκετά καλές, έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί το υπολογιστικό εργαλείο για μια πρώτη εκτίμηση των βέλτιστων τιμών της αντίστασης ή της αυτεπαγωγής, καθώς και της συχνότητας διέγερσης της βάσης του μηχανισμού, για τις οποίες η ανακτώμενη ηλεκτρική ισχύς μεγιστοποιείται. Επιπλέον, προκύπτει ότι η ειδική πιεζοηλεκτρική διάταξη που μελετήθηκε μπορεί να αποδώσει σημαντικά ποσά ισχύος, ειδικά στην περίπτωση του επαγωγικού κυκλώματος. Συμπερασματικά, η προτεινόμενη πιεζοηλεκτρική συσκευή ανάκτησης ενέργειας είναι πολλά υποσχόμενη και θα πρέπει σίγουρα να μελετηθεί περαιτέρω, ώστε να αξιοποιηθούν οι πλήρεις δυνατότητές της.