Küçük ölçekli bir piezoelektrik rüzgar enerjisi hasat sisteminin açık kaynaklı akışkan yapı etkileşim modelinin oluşturulması

Abstract

Düşük güçlü tıbbi implantlar, kablosuz sensörler ve MEMS cihazları gibi sistemler için sürdürülebilir enerji kaynaklarına olan talep, yenilikçi enerji hasat yöntemlerine yönelik araştırmaları artırmıştır. Bu tür cihazlar geleneksel olarak kısa ömürlü, çevresel etkileri olan ve yüksek bakım maliyetleri gerektiren pillere dayanır. Bu sınırlamalara alternatif olarak mikro güç jeneratörleri (MPG'ler), termal, güneş, rüzgar ve titreşim gibi çevresel enerji kaynaklarını elektriğe dönüştürme potansiyeli sunar. Bunlar arasında, titreşim kaynaklı rezonans temelli (VIV) enerji hasat yöntemleri dikkat çekicidir. Ancak bu yöntemler, belirli rezonans frekanslarına bağlı olduklarından sadece dar frekans aralıklarında verimli çalışırlar. Bu sınırlamayı aşmak amacıyla, akış kaynaklı titreşimlere dayalı piezoelektrik rüzgar enerjisi hasat sistemleri geliştirilmiştir. Bu sistemler, bir muhafaza içine yerleştirilmiş piezoelektrik bir konsolu kullanarak rüzgar akışıyla oluşan kendiliğinden sürdürülebilir titreşimleri toplar. Bu mekanizma, hava akışını periyodik gerinimlere dönüştürerek piezoelektrik tabaka aracılığıyla elektrik enerjisi üretir ve böylece rezonans frekansına olan bağımlılığı ortadan kaldırır. Akış kaynaklı titreşimli enerji hasadı, girdap sokaklarındaki piezoelektrik zarlar, esnek plakalardan oluşan flutter değirmenleri ve balık yüzme dinamiğinden ilham alan salınımlı kanatlar gibi konfigürasyonlarla araştırılan yeni bir kavramdır. Bu çalışmada, dikdörtgen kesitli bir kanal içinde yer alan piezoelektrik bir kirişin akış kaynaklı titreşimi, akışkan-yapı etkileşimi (FSI) analizi ile modellenmektedir. Akış,zamana bağlı ve sıkıştırılamaz olarak modellenerek OpenFOAM yazılımında simüle edilecektir; yapısal analiz ise FEniCS ortamında gerçekleştirilecektir. Akışkan ve yapısal çözücüler arasındaki veri aktarımı preCICE kütüphanesi ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, limit döngü salınımlarının başladığı kritik hacimsel debi değeri belirlenmiş ve bu değerin üzerinde, piezoelektrik tabanlı voltaj üretim potansiyeli analiz edilmiştir.The demand for sustainable energy sources for low-power devices such as medical implants, wireless sensors, and MEMS devices has driven research into innovative energy harvesting methods. These devices traditionally rely on batteries, which have limitations such as a short lifespan, environmental impact, andhigh maintenance costs. As an alternative, micro power generators (MPGs) offerthe potential to convert environmental energy sources like thermal, solar, wind, and vibrations into electricity. Among these, vibration-induced resonance-based (VIV) energy harvesting methods are noteworthy. However, their reliance onspecific resonant frequencies limits efficiency to narrow frequency ranges. Toaddress this limitation, flow-induced vibration-based piezoelectric wind energyharvesting systems have been developed. These systems use a piezoelectric can-tilever placed in an enclosure to harness self-sustained vibrations generated bywind flow. This mechanism converts airflow into periodic strains, producingelectric energy through the piezoelectric layer, eliminating resonance frequencydependence. Flow-induced vibration energy harvesting is a novel concept beingstudied in configurations such as piezoelectric membranes in vortex streets, flutter mills made of flexible plates, and oscillating foils inspired by fish swimmingdynamics. This study models the flow-induced vibration of a piezoelectric beamwithin a rectangle cross-sectional channel using fluid-structure interaction (FSI) analysis. The flow, modeled as time-dependent, and incompressible will be simulated using OpenFOAM, while structural analysis will utilize FEniCS. The data exchange between the fluid and structural solvers was carried out using the preCICE library. The study identified the critical volumetric flow rate at which limit cycle oscillations commence, and analyzed the piezoelectric-based voltage generation potential above this threshold.