1 Zastosowanie piezoelektrycznych generatorów energii w bezprzewodowych systemach monitoringu konstrukcji budowlanych Krakowskie Sympozjum Naukowo-Techniczne 26.09.2016 Dariusz Grzybek Micek Piotr

2 2 PLAN PREZENTACJI 1.Źródła energii mechanicznej w konstrukcjach budowlanych 2.Charakterystyka analizowanych generatorów piezoelektrycznych 3.Modele matematyczne analizowanych generatorów piezoelektrycznych 4.Wyniki badań symulacyjnych 5.Wnioski

3 3 1. Źródła energii mechanicznej w konstrukcjach budowlanych - drgania konstrukcji wywołane jej użytkowaniem, - siły wywołane okresowo zmieniającym się położeniem użytkowników konstrukcji (w analizie pominięto możliwe przypadki zmieniającego się położenia elementów konstrukcji). 1.1. Zasadnicze grupy źródeł energii mechanicznej w konstrukcjach budowlanych 1.2. Przykłady wybranych źródeł energii mechanicznej w konstrukcjach budowlanych Lp. Częstotliwość drgań Amplituda przyspieszenia drgań Lp. Częstotliwość drgań Amplituda przyspieszenia drgań Ω [Hz]A [m/s 2 ] Ω [Hz]A [m/s 2 ] 1.0,760,95 6.2,691,12 2.1,540,53 7.3,471,89 3.1,840,91 8.5,9415,32 4.2,252,36 9.12,500,05 5.2,450,53 10.13,003,10

4 4 2. Charakterystyka analizowanych generatorów piezoelektrycznych Rys. 1. Struktura generatora piezoelektrycznego o konstrukcji belkowej (wersja z dwoma warstwami materiału piezoelektrycznego) 2.1. Generator o konstrukcji w formie belki Rys. 2. Struktura generatora piezoelektrycznego o konstrukcji w formie stosu: a) stos płytek piezoelektrycznych, b) płytka piezoelektryczna 2.2. Generator o konstrukcji w formie stosu (a)(b)

5 5 3. Model matematyczny stosu piezoelektrycznego (1) 3.1. Model matematyczny generatora o konstrukcji w formie belki

6 6 3. Model matematyczny stosu piezoelektrycznego gdzie: s 11 – podatność materiału piezoelektrycznego, d 13 – stała piezoelektryczna, ε 33 – przenikalność dielektryczna materiału piezoelektrycznego, I – geometryczny moment bezwładności belki wielowarstwowej m m – masa dodatkowego elementu na końcu belki, b m – współczynnik tłumienia, b – odległość pomiędzy środkiem ciężkości warstwy nośnej belki a warstwy naklejonego materiału piezoelektrycznego, R l – opór elektryczny obciążenia, C p – pojemność elektryczna materiału piezoelektrycznego. 3.2. Napięcie wyjściowe z generatora o konstrukcji w formie belki (2) gdzie: d 33 – stała piezoelektryczna, F z – siła zewnętrzna działająca na generator.

7 7 3.1. Założenia 4. Wyniki badań symulacyjnych A. Własności wybranych ceramik piezoelektrycznych B. Charakterystyka generatora o konstrukcji w formie belki LpCeramika Stała materiałowa s 11 d 31 d 33 ε 33 [m 2 /N][C/N] [F/m] 1. PZT5A1 16,70×10 -12 176×10 -12 409×10 -12 15937,53×10 -12 2. PZT5H1 16,40×10 -12 250×10 -12 620×10 -12 30104,23×10 -12 3. PZT507 16,00×10 -12 360×10 -12 820×10 -12 38958,42×10 -12 4. PZT5K1 15,10×10 -12 370×10 -12 870×10 -12 54895,44×10 -12 5.PZT5K415,55×10 -12 407×10 -12 926×10 -12 62563,69×10 -12 Wielkość lblb lplp lmlm wbwb tbtb tptpm EbEb ξ Jednostka[m] [kg][N/m 2 ][-] Wartość0,1140,1010,0130,05080,001270,000250,211200×10 9 0,02

8 8 3.1. Założenia 4. Wyniki badań symulacyjnych C. Charakterystyka generatora o konstrukcji w formie stosu Wielkość LpLp ApAp n Jednostka[m][m 2 ][-] Wartość0,0010,031410 D. Charakterystyka źródła energii mechanicznej Nr testu Częstotliwość drgań Amplituda przyspieszenia drgań Nr testu Częstotliwość drgań Amplituda przyspieszenia drgań Ω [Hz]A [m/s 2 ]Ω [Hz]A [m/s 2 ] 1.0,760,956.2,691,12 2.1,540,537.3,471,89 3.1,840,918.5,9415,32 4.2,252,369.12,500,05 5.2,450,5310.13,003,10 E. Charakterystyka źródła energii mechanicznej dla generatora o konstrukcji w formie stosu Nr testu Nacisk [N/cm 2 ] 1.40 2.250

9 9 4. Wyniki badań symulacyjnych 3.2. Wyniki badań Nr testu PZT5A1PZT5H1PZT507PZT5K1PZT5K4 V pmax [V] P pehbmax [mW] V pmax [V] P pehbmax [mW] V pmax [V] P pehbmax [mW] V pmax [V] P pehbmax [mW] V pmax [V] P pehbmax [mW] 1.1,03950,00260,72660,00260,51950,00270,46320,00250,43680,0025 2.0,58280,00170,40880,00170,29190,00170,25970,00160,24540,0016 3.1,00460,00590,70520,00590,50330,00620,44740,00550,42290,0058 4.2,62100,04891,83740,04891,31410,05171,17180,04641,10390,0483 5.0,59380,00270,41420,00270,29630,00290,26300,00260,24890,0026 6.1,25730,01340,88010,01340,62940,01420,55830,01260,52850,0135 7.2,16990,05171,51710,05141,08370,05420,96480,04830,90940,0506 8.19,6097,214213,6907,16069,75007,50208,58966,58788,14816,9564 9.0,16080,00100,10790,00090,07380,00090,05940,00070,05890,0007 10.11,8355,70307,89525,23105,35094.91214,15843,36694,18384,0028 A. Generator w formie belki - maksymalne generowane napięcie oraz moc elektryczna

10 10 3. Wyniki badań symulacyjnych B. Przebiegi wielkości wyjściowych z generatora o konstrukcji w formie belki Rys. 3. Przykładowe wyniki badań symulacyjnych generatora o strukturze w formie belki dla drgań o częstotliwości 13 Hz i amplitudzie przyspieszenia 3,1 m/s 2. a) napięcie; b) moc elektryczna. (a) (b)

11 11 4. Wyniki badań symulacyjnych 3.2. Wyniki badań C. Moc elektryczna pozyskiwana przez generator o konstrukcji w formie stosu Nr testu PZT5A1PZT5H1PZT507PZT5K1PZT5K4 P pehs1s [mW] P pehsmax [mW] P pehs1s [mW] P pehsmax [mW] P pehs1s [mW] P pehsmax [mW] P pehs1s [mW] P pehsmax [mW] P pehs1s [mW] P pehsmax [mW] 1.0,00070,00530,00090,00640,00120,00870,00090,00690,00090,0069 2.0,02790,2060,03930,2500,04580,3380,03660,2700,03640,270 Rys. 4. Przykładowe wyniki badań symulacyjnych generatora o strukturze w formie stosu dla materiału piezoelektrycznego PZT507 pod naciskiem 250 N/cm 2.

12 12 4. Wnioski generatory piezoelektryczne mogą mieć zastosowanie do zasilania czujników bezprzewodowych w sieciach monitoringu jedynie wtedy, gdy jest zastosowany element do gromadzenia pozyskanej przez generator energii np. kondensator. Zarządzanie zgromadzoną energią w tym elemencie może być jednak problematyczne, ze względu na ograniczone możliwości zastosowania algorytmów sterujących, gdyż wiązałoby się to ze zużywaniem pozyskanej energii na sam proces zarządzania nią, wyniki badań symulacyjnych wskazują, że w przypadku generatorów o konstrukcji w formie belki, ilość pozyskanej energii zależy od amplitudy przyspieszenia drgań. Im ona jest większa tym większa ilość pozyskanej energii, dobór materiału piezoelektrycznego do konstrukcji generatorów w formie belki powinien być oparty na obliczonej dodatkowej kombinacji stałych materiałowych: d 31 /s 11 ε 33. Im większa wartość tego współczynnika tym więcej pozyskanej mocy elektrycznej przez generator.

13 13 Literatura Barcik, W., Sieńko, R., & Biliszczuk, J. (2011). System monitorowania konstrukcji mostu Rędzińskiego we Wrocławiu. Wrocław: Wrocławskie Dni Mostowe. Chan, T. H., Yu, L., Tam, H. Y., Ni, Y. Q., Liu, S. Y., Chung, W. H., & Cheng, L. K. (2006). Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma bridge: Background and experimental observation. Engineering structures, 28(5), 648-659. De Roeck, G., Peeters, B., & Maeck, J. (2000). Dynamic monitoring of civil engineering structures. Proceedings of IASS-IACM 2000, Computational Methods for Shell and Spatial Structures, Chania, Greece. Ekspertyza oceny sztywności stropu w hali Łamiarnii cementowni Folwark. https://platformazakupowa.pl/file/get/f06a22bddd5d75ac98aa073d6e589253a36c011. Grębowski, K., & Zielińska, M. (2015). Modelowanie oddziaływań dynamicznych pociągu typu Pendolino na konstrukcje zabytkowe mostów kolejowych w Polsce. Przegląd Budowlany, 86. Kim, S., Pakzad, S., Culler, D., Demmel, J., Fenves, G., Glaser, S., & Turon, M. (2007, April). Health monitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks. In 2007 6th International Symposium on Information Processing in Sensor Networks (pp. 254-263). IEEE. Koblik, T., Sieradzki, J., Mirkiewicz-Sieradzka, B., & bieta Gryz, E. (2001). Rozkład nacisków na podeszwową powierzchnię stopy u osób zdrowych oraz u chorych na cukrzycę typu 1 i 2. Diabetologia Praktyczna, 2(1), 71-78.

14 14 Literatura Roundy, S. (2005). On the effectiveness of vibration-based energy harvesting. Journal of intelligent material systems and structures, 16(10), 809-823. Roundy, S., & Wright, P. K. (2004). A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics. Smart Materials and structures, 13(5), 1131. Roundy, S., Wright, P. K., & Rabaey, J. M. (2003). Energy scavenging for wireless sensor networks (pp. 51-85). Norwell. Sieńko, R., Pańtak, M., Bednarski, Ł., & Howiacki, T. (2015). Analiza i badania dynamiczne łukowej kładki o. Bernatka przez Wisłę w Krakowie. Wrocławskie Dni Mostowe. nMosty łukowe – dzieła kultury. Projektowanie, budowa, utrzymanie. Song, H. J., Choi, Y. T., Wereley, N. M., & Purekar, A. (2014). Comparison of monolithic and composite piezoelectric material–based energy harvesting devices. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 25(14), 1825-1837. Szmygin, B., Podgórski, J., Bęc, J., Wielgos, P., & Nowicki, T. (2008). Rozwiązanie problemu nadmiernych drgań stropów budynku przemysłowego o konstrukcji stalowej. Budownictwo i Architektura, 3, 63-70. Tennyson, R. C., Mufti, A. A., Rizkalla, S., Tadros, G., & Benmokrane, B. (2001). Structural health monitoring of innovative bridges in Canada with fiber optic sensors. Smart materials and Structures, 10(3), 560. Wilde, K., Rucka, M., & Grębowski, K. (2014). Stan awaryjny trybuny stadionu w Zielonej Górze wywołany synchronicznym tańcem kibiców. Przegląd Budowlany, 85. Xu, T. B., Siochi, E. J., Kang, J. H., Zuo, L., Zhou, W., Tang, X., & Jiang, X. (2013). Energy harvesting using a PZT ceramic multilayer stack. Smart Materials and Structures, 22(6).

15 15 Literatura Lee, S., Youn, B. D., & Jung, B. C. (2009). Robust segment-type energy harvester and its application to a wireless sensor. Smart Materials and Structures, 18(9), 095021. Lefeuvre, E., Badel, A., Richard, C., Petit, L., & Guyomar, D. (2006). A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems. Sensors and Actuators A: Physical, 126(2), 405-416. Li, B., Laviage, A. J., You, J. H., & Kim, Y. J. (2013). Harvesting low-frequency acoustic energy using quarter-wavelength straight-tube acoustic resonator. Applied Acoustics, 74(11), 1271-1278. Łaziński, P., Salamak, M., & Owerko, T. (2015). Próbne obciążenia mostów w Polsce na podstawie wybranych przykładów. VII Ogólnopolska Konferencja Mostowców, Konstrukcja i Wyposażenie mostów. Marcinowski, J. (2012). Zagrożenia obiektów budowlanych wynikające z powstania drgań o charakterze rezonansowym. Przegląd Budowlany, 83, 129-132. Mathers, A., Moon, K. S., & Yi, J. (2009). A vibration-based PMN-PT energy harve-ster. IEEE Sensors Journal, 9(7), 731-73. Morgan Advanced Materials. http://www.morgantechnicalceramics.com/sites/ de- fault/files/datasheets/pzt500_series.pdf. Nye, J. F., & Lindsay, R. B. (1957). Physical properties of crystals. Physics Today, 10, 26. Pradelok, S., Jaśiński, M., Kocański, T., & Poprawa, G. (2015). Analiza dynamiczna mostu łukowego obciążonego poruszającym się pociągiem dużych prędkości. VII Ogólnopolska Konferencja Mostowców – Konstrukcja i Wyposażenie Mostów.

16 16 Dziękuję za uwagę