Skip to main content
SUPERVISOR
Abolghasem Zeidaabadi Nezhad,Nasrin Rezaei hosseinabadi,Ahmadreza Tabesh
ابوالقاسم زیدابادی نژاد (استاد مشاور) نسرین رضایی حسین آبادی (استاد مشاور) احمدرضا تابش (استاد راهنما)
 
STUDENT
Alireza Abasian
علیرضا عباسیان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
This thesis presents a method for design and characterization of piezoelectric energy harvesters for supplying smart grids self-power wireless sensors. The proposed characterization methods determine the beam parameters including the mechanical damping ratio and electrical coupling coefficient which significantly affect on the performance of energy harvesters. Existing methods often need to measure the beam tip deflection for the characterization of the beam parameters. This requires the accessibility of the tip and advanced measurement tools such as a laser vibrometer. However, the proposed method determines the most of the beam parameters including mechanical damping ratio based on a pure electrical test. The proposed method is useful for the characterization of all types of piezoelectric energy harvesters particularly the vacuum-packed ones in which the tip of the beam is inaccessible. After the characterization, the design optimization of magnetic field energy harvesting platforms is presented. The designed platform can be used with any type of vibration-to-electricity energy conversion schemes including piezoelectric, electromagnetic, and electrostatic energy harvesters. The platform includes a cantilever beam with a miniaturized permanent magnet (PM) at the tip that vibrates due to the interaction with the magnetic field of the ac line. The proposed method analytically determines the optimum geometric orientations of the platform as well as the optimum dimensions of PM to maximize the applied magnetic force to the beam. In the next step a design method for wireless piezoelectric sensors of power lines is presented which includes a detailed method to optimize the piezoelectric energy harvester in order to extract the maximum energy at line frequency by tuning its electrical load and effective mass. Different modes of optimizing the energy harvestercorresponding to various amounts of the damping ratios will be explained and the design guidelines for each mode will be discussed. The validity of the all proposed methods and design procedures are experimentally verified using a few test setups. These tests are performed by designing a vacuum-packed piezoelectric energy harvester and a scaled down ac power line. The measured data and parameters verifies the validity of proposed methods.
برداشتگرهایانرژی مولدهای بسیار کوچک با توان تولیدی در محدوده میلی وات هستند که انرژی محیطاطراف، نظیر انرژی لرزش‌های مکانیکی، جریان سیال، میدان الکترومغناطیسی، نور یاحرارت را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. یکی از کاربردهای اصلی برداشتگرهایانرژی، توسعه حسگرهای بی‌سیم خودتوان است که نقش کلیدی در سامانه‌های پایش در کاربردهاییمانند اینترنت اشیا یا پایش پارامترهای خطوط انتقال در شبکه‌های الکتریکی هوشمندایفا می‌کنند. مدرن سازی شبکه‌های قدرت فعلی با اضافه نمودن بستر مخابراتی واستفاده از ابزارهای پایش، که تحت عنوان شبکه‌های الکتریکی هوشمند نیز شناخته می‌شود،نیازمند به‌کارگیری شبکه‌ای گسترده از حسگرها است. ازآنجاکه اندازه‌گیری بسیاری از پارامترها نظیر دمایخطوط انتقال، بایستی در خارج از پست­ها و فیدرها انجام ‌شوند، استفاده از شبکهحسگرهای بی‌سیم راهکار مناسبی جهت ارسال اطلاعات این پارامترها است. این حسگرها، باید امکان تولید انبوه و ارزان‌قیمت داشته باشند و همچنین بهدلیل توزیع مکانی گسترده، در طول عمر مفیدشان نباید نیاز به تعویض باتری داشتهباشند. در حال حاضر، باتری منبعاصلی تأمین توان یک سلول حسگر بی‌سیم است ولی به دلیل چگالی انرژی و عمر محدود، عملاًپیاده‌سازی در کاربرد پایش خطوط انتقال را با مشکل مواجه می‌کند. یک راهکار برایحل این مشکل، استفاده از انرژی میدان مغناطیسی اطراف خطوط به منظور تغذیه مدارهایحسگر بی‌سیم است. هدف این رساله، ارائه روشی برای طراحی بهینه برداشتگرهای انرژی میدانمغناطیسی جهت تغذیه حسگرهای خودتوان برای پایش پارامترهای خطوط انتقال و توزیعانرژی الکتریکی است. در این رساله، برداشتگرهایانرژی لرزشی از نوع پیزوالکتریکی، که امکان تولید توان در فرکانس خط را دارند به‌عنوانگزینه اصلی برای تغذیه سامانه حسگرهای بی­سیم در کاربرد پایش خطوط انتقال، در نظرگرفته ‌شده‌اند. از آنجا که فناوری ساخت میکروسیستم‌ها، یکی از مناسب‌ترین راهکار‌هایتولید انبوه و ارزان‌ قیمت این برداشتگرهای انرژی است، ارائه روش‌های مناسب برایمشخصه‌یابی و تعیین پارامترهای محصولات این فناوری از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.در مشخصه‌یابی برداشتگرهای انرژی علاوه بر دقت بالا، سادگی و هزینه پایین، بایدقیود و محدودیت‌های عملی روش‌های اندازه‌گیری پارامترها رانیز در نظر گرفت. برای نمونه، در ساخت برداشتگرهای انرژی با بسته‌بندی‌ خلأ، امکاناندازه‌گیری پارامترهای مکانیکی نظیر شتاب و جابجایی رأس تیر پیزوالکتریکی که موردنیاز در اکثر روش‌های مرسوم است، وجود ندارد. این رساله، راهکارهایی نیز برایمشخصه‌یابی و طراحی برداشتگرهای پیزوالکتریکی با بسته‌بندی در خلأ ارائه می‌نماید که قابلیت استفاده در شبکه‌های قدرت و شبکه‌هایالکتریکی هوشمند را دارا باشد. در این طرح مسائلی از قبیل چگونگی تحریک مکانیکی،میزان توان تولیدی و چگونه بهینه‌سازی آن و طراحی دستگاه برای قرارگیری در شرایطواقعی، در نظر گرفته شده­اند. کارایی، صحت عملکرد، و دقتروش‌های ارائه‌شده از طریق مدل­سازی و ساخت دو نمونه آزمایشگاهی برداشتگرهایپیزوالکتریکی با و بدون بسته بندی خلأ، مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایجارزیابی روش در مقایسه با پارامترهای مرجعی که برای ماده پیزوالکتریک توسط سازندهارائه شده است، دقت و کارایی روش پیشنهادی را مورد تایید قرار می دهد. همچنین برایطراحی بهینه مکان نصب، یک روش تحلیلی ارائه شده که صحت روش و فرض‌های آن از طریقتحلیل عددی و آزمون‌های عملی نمونه آزمایشگاهی مورد تایید قرار گرفته است.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی