Document
A Hybrid piezoelectric and electromagnetic wind energy harvester.
Other titles
حاصدة طاقة رياح كهروضغطية وكهرومغناطيسية هجينة
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2022
Language
English
Subject
English abstract
This research work is aimed to develop a comprehensive coupled dynamic model of a
Wind Vortex-Induced Vibrations (W-VIVs) Hybrid Energy Harvester (HEH) to meet the
needs of microwatt self-powered wireless sensors for remote areas. It combines two
energy harvesters, a Piezoelectric Energy Harvester (PEH) and an Electromagnetic
Energy Harvester (EEH). PEH is a substrate with a PZT composite beam fixed at one end
and attached to a cylindrical bluff body at the other end. EEH is a magnet attached to a
spring in a cylindrical bluff body and moving inside a coil. Because of the PZT
deformation by W-VIVs, PEH power is produced. Whereas EEH power is generated due
to cutting off the induced magnetic field lines by the permanent magnet. To improve the
output power of the energy harvester, HEH is modeled as a two-degrees of freedom
equivalent lumped mass system. The physical and design parameters of the system are
linked together geometrically and mathematically. The system's coupled equations of
motion (EOMs) are derived using the Lagrange method. EOM parameters include the two
PEH and EEH sub-systems' physical and electrical properties. EOMs are solved
analytically and numerically to find both PEH and EEH powers. Implementing the
literature review of physical parameters on the proposed HEH results in a higher HEH
output power and bandwidth compared to PEH and EEH standalone. A parametric study
of EOM equivalent parameters is conducted to investigate their effects on the maximum
power of the HEH. Selected physical parameters are optimized to maximize the output
power of HEH using the particle swarm optimization (PSO) algorithm. Two different sets
of parameters are implemented into two suggested models of the proposed harvester (one
with the coil inside the bluff body and the other with the coil outside the bluff body). It is
found that the average RMS power of HEH with coil outside the bluff body is greater than
that of the model with the coil inside. In addition, the average RMS power of HEH can
reach up to 86.84% greater than that of PEH by proper optimization of the selected model
parameters. For the optimization purpose, three types of fitness functions are tested in this
study: average integrated power, average power, and regular integrated power. They result
in close optimized physical parameters. However, the integrated power function has the
advantage of increasing the power and the bandwidth. It is found that the maximum HEH
power at the second natural frequency of the harvester converges to the value of 60 mW.
Member of
Resource URL
Arabic abstract
يهدف هذا العمل البحثي إلى تطوير نموذج ديناميكي شامل مقترن لحاصدة الطاقة الهجينة )VIVs-W )التي تسببها اهتزازات الرياح )VIVs-W )وذلك لتلبية احتياجات أجهزة الاستشعار ذاتية الطاقة الالسلكية في المناطق النائية، والتي تعمل بطاقة كهربائية في مجال الميكرو. هذه الحاصدة الهجين تجمع بين اثنين من حصادات الطاقة، حاصدة الطاقة الكهروضغطية )PEH )وحاصدة الطاقة الكهرومغناطيسية )EEH). PEH عبارة عن ركيزة ذات حزمة PZT مركبة، مثبتة في أحد طرفيها ومثبتة بجسم أسطواني في الطرف الاخر. EEH عبارة عن مغناطيس متصل بنابض معلق داخل جسم أسطواني ويتحرك داخل ملف. بسبب انضغاط ال PZT بواسطة VIVs-W، يتم إنتاج الطاقة الكهرو ضغطية PEH. بينما يتم إنشاء الطاقة الكهرومغناطيسية EEH بسبب قطع خطوط المجال المغناطيسي المستحث بواسطة المغناطيس الدائم. لتحسين الطاقة الناتجة عن حصاد الطاقة، تم تصميم HEH كنظام كتلة مجمعة مكافئ درجتين من الحرية. ترتبط المعاملات الفيزيائية والتصميمية للنظام معًا هندسيًا ورياضيًا. يتم اشتقاق معادالت الحركة المقترنة بالنظام )EOMs )باستخدام طريقة (Lagrange(. تتضمن معاملات معادالت الحركة الخواص الفيزيائية والكهربائية لألنظمة الفرعية لحاصدات الطاقة ال PEH و ال EEH . يتم حل المعادالت الحركية للنظام تحليليًا وعدديًا للعثور على الطاقة الكهروضغطية PE والطاقة الكهرومغناطيسية EE. يؤدي ادخال معاملات النظام المجموعة من الدراسات السابقة على نموذج ال HEH المقترح إلى ارتفاع الطاقة الهجينة من ال HEH وعرض بـ ً النطاق الترددي مقارنة الطاقة الكهروضغطية من حاصدة الطاقة PEH أو الطاقة الكهرومغناطيسة من حاصدة الطاقة EEH. تم إجراء دراسة بارامترية للمعاملات المكافئة في المعادالت الحركية للنظام للتحقيق في تأثيرها على الطاقة القصوى لـحاصدة الطاقة الهجين HEH. تم تحسين المعاملات الفيزيائية المحددة لتحسين الطاقة الناتجة من حاصدة الطاقة الهجين HEH باستخدام خوارزمية تحسين سرب الجسيمات )PSO). يتم تنفيذ مجموعتين مختلفتين من المعاملات في نموذجين مقترحين للحاصدة المقترحة )أحدهما يحتوي على الملف داخل جسم الاسطواني والاخر مع الملف خارج جسم الاسطواني(. لقد وجد أن متوسط طاقة RMS لـحاصدة الطاقة الهجين HEH مع الملف خارج الجسم الاسطواني أكبر من طاقة النموذج الذي يكون فيه الملف داخل الجسم الاسطواني. بالاضافة إلى ذلك، يمكن أن يصل متوسط طاقة RMS لـحاصدة الطاقة الهجين HEH إلى ٪86.84 أكبر من متوسط طاقة حاصدة الطاقة الكهروضغطية PEH وذلك من خالل التحسين المناسب لمعاملات النموذج. تم اختبار ثالثة أنواع من معادالت التحسين (functions fitness (في هذه الدراسة ؛ معادلة متوسط القدرة المتكاملة ، ومعادلة متوسط الطاقة ، ومعادلة الطاقة المتكاملة العادية. إنها تؤدي تقريبا الى نفس المعاملات المحسنة. ومع ذلك، فإن معادلة الطاقة المتكاملة لها vii ميزة زيادة الطاقة وعرض النطاق الترددي. لقد وجد أن أقصى طاقة يمكن الحصول عليها من حاصدة الطاقة الهجينة HEH في هذا المقترح عند التردد الطبيعي الثاني للحاصدة يمكن أن تصل إلى 60 ميلي واط.
Category
Theses and Dissertations
File size
5.37 MB
0
0
