Hava Yapıları Üzerinden Farklı Tip Piezoelektrik Malzemeler Kullanılarak Enerji Hasatı Çalışmaları

Hava Yapıları Üzerinden Farklı Tip Piezoelektrik Malzemeler Kullanılarak   Enerji Hasatı Çalışmaları 

Ahmet Levent AVŞAR

 ve Melin ŞAHİN

ABSTRACT:  

Energy  harvesting  studies  are widely  conducted  with  piezoelectric  material  nowadays.  In  order  to  harvest  energy  by  piezoelectric  materials,  these  materials  are  attached  to  the  vibrating  structures.  It  is  aimed  to  maximize  the  harvested  energy  by  using  different  type  and  geometry  of  piezoelectric  materials.  When  piezoelectric  materials  are  structurally  coupled  and  placed  at  the  maximum  strain  locations  on  a  host  structure, harvested energy can be increased. In this study, locations of the piezoelectric materials on the fin  like  structure  which  is  the  integral  part  of  an  air  vehicle  are  investigated  via  finite  element  method. 

Moreover, harvested energy of both piezoceramic (BM 500, Sensortech) and micro fiber composite (MFC,  Smart Material) piezoelectric materials attached to the fin like structures are also analyzed by experimental  techniques.   

Key Words: Energy Harvesting, Air Vehicle, Piezoelectric Material    

ÖZET:  

Enerji hasatı çalışmaları kapsamında piezoelektrik malzemeler günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu  amaçla  piezoelektrik  malzemeler,  titreyen  yapılar  üzerine  yerleştirilerek  enerji  hasat  edilmektedir. 

Çalışmalar kapsamında farklı tip ve geometrilerdeki piezoelektrik malzemeler kullanılarak elde edilen enerji  miktarının  arttırılması  hedeflenmektedir.  Ayrıca,  piezoelektrik  malzemeler  yapı  ile  birleştirilmek  ve  yapı  üzerindeki maksimum gerinim bölgelerine yerleştirilmek suretiyle hasat edilen enerji miktarı da arttırılabilir. 

Bu  bildiride,  bir  hava  aracı  parçası  olan  dik  kuyruk  benzeri  yapı  üzerine  yerleştirilen  piezoelektrik  malzemelerin konumları sonlu eleman yöntemi ile belirlenmiştir. Ayrıca bu dik kuyruk benzeri yapı üzerine  yerleştirilen  hem  piezoseramik  (BM  500,  Sensortech)  hem  de  çoklu  fiber  kompozit  (MFC,  Smart  Material  GmBH)  tipindeki  farklı  piezoelektrik  malzemelerden  elde  edilen  enerji  miktarları  da  deneysel  olarak  incelenmiştir.   

Anahtar Kelime: Enerji Hasatı, Hava Aracı, Piezoelektrik Malzeme   

1 Elektroakustik Baş Mühendisi, Meteksan Savunma, [email protected]. 

2 Doç. Dr., Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, [email protected]. 

1. GİRİŞ: 

Günümüzde  artan  enerji  ihtiyacını  karşılamak  ve  temiz  enerji  kullanımı  arttırmak  amacıyla  alternatif  yöntemler  araştırılmaktadır.  Bu  amaçla  yenilenebilir  ve  temiz  enerji  kaynaklarının  kullanımı  için  yeni  teknolojiler geliştirilmektedir. Bu kaynakların başında güneş ve rüzgar gelmektedir ve bu kaynaklardan enerji  hasat edebilmek için yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bilinen bu yöntemlerin dışında aktif/akıllı malzemeler  aracılığı  ile  de  enerji  hasatı  çalışmaları  yapılmaktadır.  Piezoelektrik  ve  magnetoelektrik  malzemeler  bu  tür  malzemelere örnek olarak verilebilir.  

Aktif/akıllı  malzemeler  üzerlerinde  oluşan  yer  değiştirmeler  sebebiyle  voltaj  üretmektedir.  Tam  tersi  durumda ise voltaj verildiğinde piezoelektrik malzemeler üzerinde yer değiştirme görülmektedir.  Aktif/akıllı  malzemenin  bu  özelliği  kullanılarak  titreyen  yapılar  üzerinden  enerji  hasat  etmek  mümkündür.  Güneş  ve  rüzgar gibi enerji kaynaklarına kıyasla bu tür malzemelerden elde edilen enerjiler oldukça küçük kalmaktadır. 

Fakat  titreyen  küçük  yapıların,  örnek  olarak  mikro  veya  mini  insansız  hava  araçların  enerji  ihtiyacı  karşılanabilmektedir. Farklı bir uygulamada ise daha büyük ölçekli sistemlerin alt sistemlerinin enerji ihtiyacı  bu  akıllı  malzemeler  aracılığı  ile  sağlanabilmektedir.  Akıllı/aktif  malzemelerden  enerji  hasat  etmenin  en  yaygın yöntemi pil şarj etmektir. Uygun elektronik devreler kullanılarak piller şarj edilebilir ve piller aracılığı  ile  sistem  çalıştırılabilir.  Günümüzde  akıllı  malzemelerin  kullanıldığı  en  popüler  uygulama  ise  içerisinde  pil  bulunan yapısal sağlık kontrolü sistemleridir. Yapısal sağlık kontrolü sistemlerin içerisinde bulunan ve pil ile  çalışan ivmeölçer, sıcaklıkölçer ve basınçölçer algılayıcılarının enerji ihtiyacı bu akıllı malzemeler aracılığı ile  karşılanabilmektedir.  

Akıllı  malzeme  ile  enerji  hasatı  çalışmalarında,  titreyen  yapının  dinamik  karakteristiği  belirlenerek,  uygun  malzeme  özelliklerine  ve  geometriye  sahip  akıllı  malzeme  yapının  üzerine  yerleştirilmelidir.  Ayrıca  akıllı  malzemenin  yerleştirileceği  konum  da  önemlidir.  Maksimum  gerinimin  olduğu  konuma  yerleştirildiğinde  maksimum voltajı üretebilecektir. 

Piyasada  farklı  tipte  ve  geometride  piezoelektrik  malzeme  bulunmaktadır.  Mukavemet,  esneklik  ve  elektriksel  özellikler  bakımında  farklılık  gösteren  bu  malzemeler  yaygın  bir  şekilde  kullanılmaktadır.       

Şekil‐1’de  verilen  3  farklı  tip  piezoelektrik  malzeme  gösterilmiştir  [1,  2,  3].  Örneğin,  MFC,  makro  fiber  kompozit,  tip  piezoelektrik  malzeme  esnek  bir  yapıya  sahip  olup  ince  tasarımı  sayesinde  yapının  dinamik  özelliklerini değiştirmektedir.  

Şekil‐1: Farklı Piezoelektrik Malzemeler; (a) MFC, (b) MIDE Çift Taraflı Piezoelektrik Kiriş, (c) Thunder   

a  b c

Ayrıca bu farklı tip piezoelektrik malzemelerin performanslarını görebilmek amacıyla basit test düzenekleri  kurularak pil şarj etme karakteristikleri incelenmektedir. Yapılan farklı iki çalışmada 3 farklı tip piezoelektrik  malzeme  sarsıcı  üzerine  bağlanarak  titreştirilmiştir  (Şekil‐2  [4]).  Çalışmada  AFC,  MFC  ve  Piezoseramik  malzemenin enerji hasatı performansı karşılaştırılmıştır. 

Şekil‐2:  Farklı Tip Piezoelektrik Malzemelerin Enerji Hasatı Performanslarının İncelenmesi [4] 

Uygun  malzeme  ve  geometrik  özelliklerine  sahip  piezoelektrik  malzemenin  seçilmesinin  ardından  uygulamaya  yönelik  gerekli  çalışmanın  yapılması  gerekmektedir.  Yapılan  bir  çalışmada  piezoelektrik  malzemenin üzerine yerleştirilen ince film pil aracılığı ile kendi kendini şarj edebilen bir yapı oluşturulmuştur  (Şekil‐3  [5,  6]).  Bu  yapı  mini  insansız  hava  aracının  üzerine  yerleştirilerek  herhangi  bir  alt  sistemin  veya  yapısal sağlık kontrolü sisteminin enerji ihtiyacı karşılanabilecektir. 

Şekil‐3: Kendini Şarj Eden Yapıların Mini İnsansız Araçlara Uygulanması [5, 6] 

Bu bildiride hava aracının bir yapısı üzerinden enerji hasat edebilmek amacıyla dik kuyruk üzerine farklı tip  piezoelektrik  malzemeler  yerleştirilmiştir.  Piezoelektrik  malzemelerin  yapıştırılacağı  konumlar  sonlu  elemanlar  yöntemi  ile  belirlenmiş  olup  maksimum  gerinimin  olacağı  yerlere  yerleştirilmiştir.  Farklı  tip  piezoelektrik malzemelerin (MFC ve BM500) performansları sarsıcı ile yapılan yer testleri ile incelenmiştir. 

2. DİK KUYRUK ÜZERİNE BM500 TİPİ PİEZOELEKTRİK MALZEMELERİN YERLEŞTİRİLMESİ 

Yapılan  bir  önceki  çalışmalarda  dik  kuyruk  (AL‐6061‐T6)  üzerine  BM500  [7]  tipi  piezoseramik  malzemeler  yerleştirilerek  akıllı  yapı  haline  getirilmiştir  [8,  9].  Bu  çalışmalarda  kullanılan  dik  kuyruğun  ve  BM500’ün  geometrik özellikleri Şekil‐4’te verilmiştir [8]. BM500 piezoseramik malzemenin yapısal özelliklerine referans  [7]’de  ulaşılabilir.  Piezoseramik  malzemelerin  yerleştirileceği  konumlar  sonlu  elemanlar  yöntemi  ile  belirlenmiştir. 3 adet BM500'ün dik kuyruk üzerine yerleştirilmesi sonrası ANSYS Workbench 14.0 [10] sonlu  elemanlar analizi yazılımı ile yapının ilk üç doğal frekansı (f1=27.82 Hz, f2=90.16 Hz ve f3=148.32 Hz) ve uzama  mod şekilleri (Şekil ‐5) elde edilmiştir.  

Şekil‐4: Dik Kuyruğun (a) Üzerindeki BM500 Konumları, (b) Geometrisi ve (c) BM500’ün Geometrisi [8] 

BM500

BM500‐1 BM500‐1 

BM500‐1 

a  b c

Şekil‐5: Dik Kuyruğun İlk Üç Doğal Frekansının Uzama Mod Şekli [9] 

Sonlu  elemanlar  analizi  doğrulamak  amacıyla  gerekli  deneysel  çalışmalar  (Şekil‐6)  gerçekleştirilmiştir  [9]. 

Yapılan  deneysel  modal  analiz  çalışması  sonrası  akıllı  yapının  frekans  tepki  fonksiyonları  ve  ilk  iki  doğal  frekansı  (Şekil‐6)  elde  edilmiştir.  Deneysel  yöntem  ile  elde  edilen  ilk  iki  doğal  frekans  (f1=26.50  Hz  ve  f2=91.65 Hz) sonlu elemanlar yöntemi ile bulunan değerlere oldukça yakındır.  

Şekil‐6: Deneysel Modal Analiz ve Frekans Tepki Fonksiyonu [9] 

Frequency Respo nse H 1(R espo nse 1, Fo rce) (M agnitude) M o dal : Input : Input : M o dal FFT A nalyzer 1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10m 30m 100m 300m 1 3 10 30 100

[H z]

[(m/ s²)/N ] Frequency Respo nse H 1(R espo nse 1, Fo rce) (M agnitude) M o dal : Input : Input : M o dal FFT A nalyzer 1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10m 30m 100m 300m 1 3 10 30 100

[H z]

[(m/ s²)/N ]

3. DİK KUYRUK ÜZERİNE MFC TİPİ PİEZOELEKTRİK MALZEMELERİN YERLEŞTİRİLMESİ 

Farklı tip piezoelektrik malzemenin enerji hasatı performansını görmek amacıyla bir önceki çalışmada BM500  tipi  piezoseramik  malzemenin  yerleştirilerek  oluşturulan  akıllı  yapının  üzerine  MFC  tipi  piezoelektrik  malzemeler yerleştirilmiştir. MFC tipi piezoelektrik malzemeler kompozit yapılar olup iç yapısına ait detaylar  Şekil‐7’de  verilmiştir  [11].  Kullanılan  MFC’nin  tipi  M2814‐P3’tür  ve  malzeme  özellikleri  ile  ilgili  detaya  referans  [11]’dan  ulaşılabilir.  Ayrıca  kullanılan  MFC’nin  geometrik  özellikleri  ve  dik  kuyruk  üzerindeki  konumları Şekil‐7’de sunulmuştur. 

Şekil‐7: MFC Tipi Piezoelektrik Malzemenin Dik Kuyruk Üzerindeki Konumları ve Geometrisi 

Piezoseramik  Fiber 

Yapısal  Yapıştırıcı  Elektrot 

MFC‐3

MFC‐2 

MFC‐1  14 x 28 mm 

MFC  tipi  piezoelektrik  malzemenin  içerisinde  bulunan  aktif  elemanın  kalınlığının  0.3  mm  [11]  olması  sebebiyle yapının dinamiğine etkisinin olmayacağı düşünülmüştür. Bu sebepten dolayı MFC’li dik kuyruk için  sonlu elemanlar analizi yapılmamıştır. Fakat bu kabulü doğrulamak amacıyla akıllı yapılı için deneysel modal  analiz  yapılarak  ilk  iki  doğal  frekansı  bulunmuştur.  Bu  test  için  darbe  çekici  (Bruel&Kjaer  8206  [12])  ve  minyatür ivmeölçer (Bruel&Kjaer 4517‐002 [13]) kullanılmıştır. Bruel&Kjaer PULSE [14] yazılımı kullanılarak  elde edilen frekans tepki fonksiyonundan, Şekil‐8, yapının ilk iki doğal frekansı 27.50 ve 92.50 Hz olarak elde  edilmiştir.  Sonuçlar  dik  kuyruk  üzerinde  sadece  BM500’ün  olduğu  durum  için  yapılan  deney  sonuçlarına  yakındır. Böylelikle MFC’lerin ince olması sebebiyle kabulümüz doğrulanmıştır. 

Şekil‐8: Akıllı Yapının Frekans Tepki Fonksiyonu 

Frequency Respo nse H 1(R espo nse 1, Fo rce) (M agnitude) M o dal : Input : Input : M o dal FFT A nalyzer 1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

100m 300m 1 3 10 30 100 300

[H z]

[(m/ s²)/N ] Frequency Respo nse H 1(R espo nse 1, Fo rce) (M agnitude) M o dal : Input : Input : M o dal FFT A nalyzer 1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

100m 300m 1 3 10 30 100 300

[H z]

[(m/ s²)/N ]

4.  DİK  KUYRUK  ÜZERİNDEKİ  BM500  ve  MFC  TİPİ  PİEZOELEKTRİK  MALZEMELERİN  ENERJİ  HASATI  PERFORMANSLARININ KARŞILAŞTIRILMASI 

Dik  kuyruk  üzerine  yerleştirilen  iki  tip  piezoelektrik  malzemenin  enerji  hasatı  performansını  incelemek  amacıyla  modal  sarsıcı  kullanılarak  dik  kuyruk  ilk  iki  rezonans  frekansında  titreştirilmiştir.  Bu  amaçla  Şekil‐

9’da  verilen  test  düzeneği  oluşturulmuştur.  Testler  sırasında  modal  sarsıcıdan  verilen  titreşimin  şiddeti  dik  kuyruğun ucundaki ivmelenme 1 g olacak şekilde ayarlanmıştır. Sarsıcıdan verilen titreşim esnasında her bir  piezoelektrik malzemenin ürettiği voltaj NI Veri Toplama Cihazı [15] aracılığı ile toplanmıştır. Titreşim altında  BM500  ve  MFC  tipi  piezoelektrik  malzemelerden  alınan  voltaj  çıktıları  ve  karşılaştırmaları  Şekil‐10,  11  ve  12’de gösterilmiştir. 

Şekil‐9: Enerji Hasatı Performansı İncelemesi için Test Düzeneği 

Minyatür İvmeölçer

NI Veri  Toplama 

Cihazı 

Modal  Sarsıcı

Şekil‐10: Titreşim Testi Altında (27.50 Hz Uyarı Frekansı)  MFC‐1 ve BM5001’in Ürettiği Voltaj  

‐5

‐4

‐3

‐2

‐1 0 1 2 3 4 5

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Zaman (s)

Voltsaj (V)

mfc‐1 bm500‐1

Şekil‐11: Titreşim Testi Altında (27.50 Hz Uyarı Frekansı) MFC‐2 ve BM500‐2’nin Ürettiği Voltaj  

‐4

‐3

‐2

‐1 0 1 2 3 4

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Zaman (s)

Voltsaj (V)

mfc‐2 bm500‐2

Şekil‐12: Titreşim Testi Altında (92.50 Hz Uyarı Frekansı) MFC‐3 ve BM500‐3’ün Ürettiği Voltaj 

‐4

‐3

‐2

‐1 0 1 2 3 4

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Zaman (s)

Voltsaj (V)

mfc‐3 bm500‐3

Piezoelektrik malzemeler yardımıyla enerji hasatı uygulamalarında genellikle piller şarj edilerek bir sensörün  veya  sistemin  enerji  ihtiyacı  karşılanmaktadır.  Şekil  10,  11  ve  12’den  de  görüldüğü  üzere  piezoelektrik  malzemelerinin  titreşim  altındaki  voltaj  karakteristikleri  AC  tipidir.  Bu  AC  tip  voltaj  ile  bir  pili  şarj  etmek  mümkün değildir. Bu sebeple uygun enerji hasatı elektronik devreleri kullanılarak AC tip voltajı DC tip voltaja  çevirmek  gerekmektedir.  Bu  çalışmada  Smart  Material  firmasına  ait  Enerji  Hasatı  Modülü  [16]  kullanılarak  BM500‐1 ve MCF‐1’in DC voltaj karakteristiği incelenmiştir, Şekil‐13. 

Şekil‐13: (a) Enerji Hasatı Modülü ve (b) MFC / BM500 Piezoelektrik Malzemelerin DC Voltaj Çıktıları 

  a 

b

5. SONUÇ: 

Bu  çalışmada  farklı  tip  piezoelektrik  malzemelerin  dik  kuyruk  üzerine  yerleştirilmesi  ile  oluşturulan  akıllı  yapının  enerji  hasatı  performansı  incelenmiştir.  Akıllı  yapı  oluşturulurken  gerekli  olan  bilgisayar  analizleri  ANSYS  Workbench  14.0  sonlu  elemanlar  yazılımı  ile  gerçekleştirilmiştir.  Ayrıca  bu  analizler  sonucu  akıllı  yapının elde edilen dinamik karakteristiği deneysel modal analiz çalışmalar ile de doğrulanmıştır. Bu sonuçlar  ışığında  modal  sarsıcı  kullanılarak  yapılan  titreşim  testleri  ile  akıllı  yapı  üzerindeki  voltaj  çıktıları  incelenmiştir.  Sonuçlardan  da  görüldüğü  üzere  BM500  tipi  piezoelektrik  malzeme  MFC  tipi  piezoelektrik  malzemeye  göre  daha  fazla  voltaj  çıktısı  vermektedir.  Buradaki  temel  sebep  BM500  tipi  piezoelektrik  malzemenin  g31  değerinin  (‐11.5e‐3  Vm/N)  M2814‐P2  değerine  (‐11.2e‐3  Vm/N)  yakın  olmasına  rağmen,  BM500’ün  daha  kalın  olması,  voltaj  çıktısının  MFC’ye  göre  fazla  olmasını  sağlamaktadır.  Fakat  MFC  tipi  malzemelerin  ince  ve  kıyaslanabilir  malzeme  özelliklerine  sahip  olması  sebebiyle,  havacılık  yapılarında  kullanıldığında yapının dinamik karakteristiğini değiştirmeyecektir.   

Kullanılan  enerji  hasatı  modülü  ile  de  her  iki  tip  piezoelektrik  malzemenin  DC  voltaj  çıktı  performansı  incelenmiştir.  Özellikle  enerji  hasatı  çalışmalarında  bu  tip  elektronik  modüllerin  kullanılması  pil  şarj  etmek  veya  bir  sistemi  çalıştırmak  için  önem  arz  etmektedir.  Yapılan  bu  çalışmalar  ile  uygun  enerji  hasatçısının  tasarlanması konusunda izlenmesi gereken sistematik de aktarılmıştır. Yapılan ön analizler ve bu analizlerin  doğrulanması sonucu yapılan yer titreşim testleri ile piezoelektrik malzemelerinin performansı incelenmiştir. 

Bir  sonraki  aşamada  uygun  devre  seçimi  ve/  veya  tasarımı  ile  enerji  hasatçısı  bütünüyle  tamamlanmış  olacaktır. Tasarlanan bu piezoelektrik enerji hasatçısı ile bir sistem veya yapısal sağlık kontrolü içerisindeki  bir sensörün enerji ihtiyacı da karşılanabilecektir. 

KAYNAKÇA: 

[1] www.smart‐material.com, (27/05/2012 tarihinde erişilmiştir)  [2] www.mide.com, (27/05/2012 tarihinde erişilmiştir) 

[3] www.faceinternational.com, (27/05/2012 tarihinde erişilmiştir) 

[4] J. R. Farmer, “A comparison of power harvesting techniques and related energy storage issues”, Master  of Science in Mechanical Engineering of Virginia Polytechnic Institute and State University, May 15, 2007  [5] A. Erturk, S. R. Anton and D. J. Inman, “Piezoelectric energy harvesting from multifunctional wing spars  for  UAVs  –  Part  1:  coupled  modeling  and  preliminary  analysis”,  Active  and  Passive  Smart  Structures  and  Integrated Systems 2009, edited by Mehdi Ahmadian, Mehrdad N. Ghasemi‐Nejhad, Proc. of SPIE Vol. 7288,  72880C 

[6] A. Erturk, S. R. Anton and D. J. Inman, “Piezoelectric energy harvesting from multifunctional wing spars  for  UAVs  –  Part  2:  experiments  and  storage  applications”,  Active  and  Passive  Smart  Structures  and  Integrated Systems 2009, edited by Mehdi Ahmadian, Mehrdad N. Ghasemi‐Nejhad, Proc. of SPIE Vol. 7288,  72880D 

[7] Sensor Technologies Limited. BM‐500 Lead Zirconate Titanate Product Data Sheet, 2002.  

[8] A. L. Avşar ve M. Şahin, “Hava Aracının Üzerinden Titreşim Kaynaklı Enerji Hasatı Çalışmaları”, 4. Ulusal  Havacılık ve Uzay Konferansı, 2012 

[9]  A.  L.  Avşar  ve  M.  Şahin,  “Energy  Harvesting  Studies  on  Fin  Like  Structure  via  Piezoelectric  Material”,  7th Ankara International Aerospace Conference, 2013 

[10] ANSYS Workbench 14.0 Help Manuel 

[11] Smart Material Corp., “Macro Fiber Composite – MFC” 

[12] www.bksv.com/Products/transducers/vibration/impact‐hammers/8206.aspx (15/08/2012 tarihinde  erişilmiştir) 

[13] www.bksv.com/Products/transducers/vibration/accelerometers/accelerometers/4517.aspxn  (15/08/2012 tarihinde erişilmiştir) 

[14] www.bksv.com/products/pulse‐analyzer.aspx (15/08/2012 tarihinde erişilmiştir)  [15] www.ni.com/data‐acquisition/compactdaq (15/08/2012 tarihinde erişilmiştir)  [16] Smart Material Corp., “Energy Harvester Development Kit”