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Entwicklung einer Simulationsumgebung für die Auslegung piezoelektrischer Energy Harvester

Kurch, Matthias :
Entwicklung einer Simulationsumgebung für die Auslegung piezoelektrischer Energy Harvester.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung einer Simulationsumgebung für die Auslegung piezoelektrischer Energy Harvester
Language: German
Abstract:

Die Überwachung von Maschinen und Anlagen zur Gewährleistung und Verbesserung der Sicherheit und Effizienz ist aus ökonomischer Sicht und für deren wissensbasierte Weiterentwicklung essenziell. Energieautarke, drahtlos kommunizierende Sensoren sind für die Messdatenerfassung unverzichtbar, wenn Strukturen ohne elektrische Energieversorgung überwacht werden sollen. Die notwendige Energie wird dabei beispielsweise aus mechanischen Schwingungen der Systemumgebung gewonnen. Diese Form der Energiegewinnung wird als Energy Harvesting bezeichnet. Die Messdatenverarbeitung und drahtlose Kommunikation der Sensoren wird üblicherweise durch zugekaufte eingebettete Systeme realisiert. Aufgrund der Komplexität der autarken Sensoren ist deren Auslegung eine ingenieurtechnische Herausforderung. Die vorliegende Arbeit stellt eine methodische Auslegungsstrategie für energieautarke Sensoren vor. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung einer Simulationsumgebung für piezoelektrische Vibrations-Energy-Harvesting-Systeme. Aus den kommerziell verfügbaren Plattformen muss eine Sensorarchitektur, anhand der Charakteristik der Energiequelle und unter Beachtung der komplexen Wechselwirkungen des autarken Sensors, ausgewählt und konfiguriert werden. Dafür wird hier ein Hardware-in-the-Loop-Verfahren angewendet, welches sich bei der Auslegung von Steuergeräten im Automobilbereich bewährt hat. Es wird gezeigt wie die Peripherie der Soft- und Hardware-Plattform durch die Echtzeitsimulation eines Modells des Energy Harvesters bereitgestellt wird. So kann die Interaktion der elektronischen Komponenten des autarken Sensors mit dem Generator geprüft werden bevor ein Prototyp des Energy Harvesters existiert. Für die Erstellung des Echtzeitmodells wird ein Vorgehen erarbeitet, bei dem dieses mittels Modellreduktion aus Finite-Elemente-Modellen mit piezoelektrischen Wandlern extrahiert wird. Hierdurch hebt sich die vorliegende Arbeit vom Stand der Technik ab. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass Erkenntnisse, welche zur Verbesserung des Finite-Elemente-Modells führen, kontinuierlich in das Echtzeitmodell übernommen werden können. Die praktische Anwendbarkeit der erarbeiteten Verfahren und Methoden wird am Beispiel der Entwicklung eines autarken Temperatursensors für Güterwagen gezeigt. Nach der experimentellen Bestimmung der Betriebslasten wird eine Machbarkeitsanalyse durchgeführt. Danach folgt die Detailauslegung des Energy Harvesters mittels Finite-Elemente-Simulation, die Erstellung des Echtzeitmodells und die Validierung der Ergebnisse im Labor. Die Arbeit wird mit einem Feldversuch des autarken Sensors abgeschlossen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Condition monitoring of machines and manufacturing plants can help to improve reliability and efficiency and enables knowledge-based development. Self-powered, wireless communicating sensor technology is essential when large structures without power supplies require monitoring. The energy needed is generated by ambient vibrations by a process known as energy harvesting. The data acquisition as well as the wireless communication are often implemented using commercial off-the-shelf wireless sensor nodes. The design of these a wireless sensor is an engineering challenge due to the system's complexity. This doctoral thesis presents a methodical design approach for self-powered wireless sensors. The primary focus is on the development of a simulation procedure for piezoelectric vibration energy harvesting systems. Taking complex interdependencies in a self-powered sensor into account, the commercial off-the-shelf sensor node, which is best fitted to the characteristics of the ambient energy source, have to be identified and configured. This is accomplished using the hardware-in-the-loop simulation technique, which is a well-established design process of control units in automotive electronics. This thesis presents how the peripherals of the sensor node's soft- and hardware is emulated by the real-time simulation of the energy harvester. As a result the interaction of the self-powered sensor's electronic components with the power generator can be verified without building a prototype of the energy harvester. The method developed generates the real-time model from a finite element model including piezoelectric transducers by means of model order reduction. This innovative approach pushes the current state-of-the-art technologies to new levels. The advantage of this approach is that knowledge obtained by finite element analyses is seamlessly transfered to the real-time model. The feasibility of this approach was proven in the design of a self-powered temperature sensor for on-board hot box detection on freight cars. Therefore the operational loads of a freight car were measured. These loads are used to prove the applicability of the energy harvester for the sensor's power supply. The next step is the design of the energy harvester using finite element analyses and the implementation of the real-time model. The model has been verified in lab tests. Additionally a prototype of the sensor node has successfully passed field tests. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Research Group of System Reliability and Machine Acoustics (SzM)
Date Deposited: 12 Nov 2014 08:07
Last Modified: 12 Nov 2014 08:07
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42324
Referees: Melz, Prof. Tobias and Schäfer, Prof. Michael
Refereed: 22 April 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4232
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