شماره راهنما :
1133 دكتري
پديد آورنده :
عباسيان، عليرضا
عنوان :
طراحي و مشخصهيابي برداشتگرهاي انرژي پيزوالكتريكي به منظور تغذيه حسگرهاي بي سيم خودتوان در پايش شبكههاي الكتريكي هوشمند
محل تحصيل :
اصفهان: دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده برق و كامپيوتر
صفحه شمار :
يازده، [۱۵۸]ص.: مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
احمدرضا تابش
استاد مشاور :
ابوالقاسم زيدآبادي نژاد، نسرين رضايي
توصيفگر ها :
اينترنت اشيا , برداشتگر انرژي پيزوالكتريكي , بستهبندي خلأ , پايش خطوط انتقال , حسگرهاي بيسيم خودتوان , شبكههاي الكتريكي هوشمند , مشخصهيابي
استاد داور :
مسعود سيدي، مهدي نيرومند
تاريخ ورود اطلاعات :
1396/11/24
رشته تحصيلي :
برق و كامپيوتر
دانشكده :
مهندسي برق و كامپيوتر
كد ايرانداك :
ID1133 دكتري
چكيده فارسي :
1 چكيده برداشتگرهاي انرژي مولدهاي بسيار كوچك با توان توليدي در محدوده ميلي وات هستند كه انرژي محيط اطراف نظير انرژي لرزشهاي مكانيكي جريان سيال ميدان الكترومغناطيسي نور يا حرارت را به انرژي الكتريكي تبديل ميكنند يكي از كاربردهاي اصلي برداشتگرهاي انرژي توسعه حسگرهاي بيسيم خودتوان است كه نقش كليدي در سامانههاي پايش در كاربردهايي مانند اينترنت اشيا يا پايش پارامترهاي خطوط انتقال در شبكههاي الكتريكي هوشمند ايفا ميكنند مدرن سازي شبكههاي قدرت فعلي با اضافه نمودن بستر مخابراتي و استفاده از ابزارهاي پايش كه تحت عنوان شبكههاي الكتريكي هوشمند نيز شناخته ميشود نيازمند بهكارگيري شبكهاي گسترده از حسگرها است ازآنجاكه اندازهگيري بسياري از پارامترها نظير دماي خطوط انتقال بايستي در خارج از پستها و فيدرها انجام شوند استفاده از شبكه حسگرهاي بيسيم راهكار مناسبي جهت ارسال اطالعات اين پارامترها است اين حسگرها بايد امكان توليد انبوه و ارزانقيمت داشته باشند و همچنين به دليل توزيع مكاني گسترده در طول عمر مفيدشان نبايد نياز به تعويض باتري داشته باشند در حال حاضر باتري منبع اصلي تأمين توان يك سلول حسگر بيسيم است ولي به دليل چگالي انرژي و عمر محدود عمال پيادهسازي در كاربرد پايش خطوط انتقال را با مشكل مواجه ميكند يك راهكار براي حل اين مشكل استفاده از انرژي ميدان مغناطيسي اطراف خطوط به منظور تغذيه مدارهاي حسگر بيسيم است هدف اين رساله ارائه روشي براي طراحي بهينه برداشتگرهاي انرژي ميدان مغناطيسي جهت تغذيه حسگرهاي خودتوان براي پايش پارامترهاي خطوط انتقال و توزيع انرژي الكتريكي است در اين رساله برداشتگرهاي انرژي لرزشي از نوع پيزوالكتريكي كه امكان توليد توان در فركانس خط را دارند بهعنوان گزينه اصلي براي تغذيه سامانه حسگرهاي بيسيم در كاربرد پايش خطوط انتقال در نظر گرفته شدهاند از آنجا كه فناوري ساخت ميكروسيستمها يكي از مناسبترين راهكارهاي توليد انبوه و ارزان قيمت اين برداشتگرهاي انرژي است ارائه روشهاي مناسب براي مشخصهيابي و تعيين پارامترهاي محصوالت اين فناوري از اهميت ويژهاي برخوردار است در مشخصهيابي برداشتگرهاي انرژي عالوه بر دقت باال سادگي و هزينه پايين بايد قيود و محدوديتهاي عملي روشهاي اندازهگيري پارامترها را نيز در نظر گرفت براي نمونه در ساخت برداشتگرهاي انرژي با بستهبندي خأل امكان اندازهگيري پارامترهاي مكانيكي نظير شتاب و جابجايي رأس تير پيزوالكتريكي كه مورد نياز در اكثر روشهاي مرسوم است وجود ندارد اين رساله راهكارهايي نيز براي مشخصهيابي و طراحي برداشتگرهاي پيزوالكتريكي با بستهبندي در خأل ارائه مينمايد كه قابليت استفاده در شبكههاي قدرت و شبكههاي الكتريكي هوشمند را دارا باشد در اين طرح مسائلي از قبيل چگونگي تحريك مكانيكي ميزان توان توليدي و چگونه بهينهسازي آن و طراحي دستگاه براي قرارگيري در شرايط واقعي در نظر گرفته شده اند كارايي صحت عملكرد و دقت روشهاي ارائهشده از طريق مدلسازي و ساخت دو نمونه آزمايشگاهي برداشتگرهاي پيزوالكتريكي با و بدون بسته بندي خأل مورد ارزيابي قرار گرفته است نتايج ارزيابي روش در مقايسه با پارامترهاي مرجعي كه براي ماده پيزوالكتريك توسط سازنده ارائه شده است دقت و كارايي روش پيشنهادي را مورد تاييد قرار مي دهد همچنين براي طراحي بهينه مكان نصب يك روش تحليلي ارائه شده كه صحت روش و فرضهاي آن از طريق تحليل عددي و آزمونهاي عملي نمونه آزمايشگاهي مورد تاييد قرار گرفته است كلمات كليدي اينترنت اشيا برداشتگر انرژي پيزوالكتريكي بستهبندي خأل پايش خطوط انتقال حسگرهاي بيسيم خودتوان شبكههاي الكتريكي هوشمند مشخصهيابي
چكيده انگليسي :
1 Design and Characterization of Piezoelectric Energy Harvesters for Supplying Self powered Wireless Sensors in Smart Grids Monitoring Alireza Abasian a abasian@ec iut ac ir December 15 2017 Doctor of Philosophy Thesis Department of Electrical and Computer EngineeringIsfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 IranSupervisor Dr Ahmadreza Tabesh a tabesh@cc iut ac irAdvisor Dr Abolghasem Zeidaabadi Nezhad zeidabad@cc iut ac irAdvisor Dr Nasrin Rezaei n rezaei@cc iut ac irDepartment Graduate Program Coordinator Dr Mohammadreza Taban Isfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 IranAbstractThis thesis presents a method for design and characterization of piezoelectric energy harvesters for supplyingsmart grids self power wireless sensors The proposed characterization methods determine the beam param eters including the mechanical damping ratio and electrical coupling coef cient which signi cantly affect onthe performance of energy harvesters Existing methods often need to measure the beam tip de ection for thecharacterization of the beam parameters This requires the accessibility of the tip and advanced measurementtools such as a laser vibrometer However the proposed method determines the most of the beam parametersincluding mechanical damping ratio based on a pure electrical test The proposed method is useful for thecharacterization of all types of piezoelectric energy harvesters particularly the vacuum packed ones in whichthe tip of the beam is inaccessible After the characterization the design optimization of magnetic eldenergy 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 energyharvesters The platform includes a cantilever beam with a miniaturized permanent magnet PM at the tipthat vibrates due to the interaction with the magnetic eld of the ac line The proposed method analyticallydetermines the optimum geometric orientations of the platform as well as the optimum dimensions of PM tomaximize the applied magnetic force to the beam In the next step a design method for wireless piezoelectricsensors of power lines is presented which includes a detailed method to optimize the piezoelectric energyharvester in order to extract the maximum energy at line frequency by tuning its electrical load and effectivemass Different modes of optimizing the energy harvestercorresponding to various amounts of the dampingratios will be explained and the design guidelines for each mode will be discussed The validity of the allproposed methods and design procedures are experimentally veri ed using a few test setups These tests areperformed by designing a vacuum packed piezoelectric energy harvester and a scaled down ac power line The measured data and parameters veri es the validity of proposed methods Key Words AC magnetic eld Energy Harvesting Frequency weighted impedance IoT Model parameterestimation Piezoelectric energy harvesters Power optimization Self power wireless sensor Smart grids IntroductionWireless sensor nodes WSNs are the key components in proliferation of the internetof things IoTs devices WSNs have recently received a vast amount of attention in awide range of applications including health care smart grids smart homes and security Currently micro batteries are the most common way to supply power to a WSN however in the context of IoT which employs ample of WSN in remote and inaccessible area using
استاد راهنما :
احمدرضا تابش
استاد مشاور :
ابوالقاسم زيدآبادي نژاد، نسرين رضايي
استاد داور :
مسعود سيدي، مهدي نيرومند
