Date of Award

3-2020

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Tariq Darabseh

Second Advisor

Dr. Farag Omar

Third Advisor

Dr. Peter Glynne-Jones

Abstract

One of the essential techniques for energy harvesting is the clean energy collection from ambient vibration. Recently, piezoelectric energy harvesting systems became a hot topic and attracted many researchers. This is due to their simple structure, relatively high output power among the other mechanisms (electromagnetic and electrostatic), compatibility with MEMS, and operation in a wide frequency range. The main objective of the current work is to develop a mathematical model to evaluate the potential of harvesting power from the car suspension system. Quarter and half car models with a built-in piezoelectric stack were modeled mathematically using Laplace transformation and simulated using MATLAB/Simulink. The piezoelectric stack was installed in series with the suspension spring to maintain the performance of the original suspension system in ride quality and comfortability. The harvested voltage and power were tested in both time and frequency domain approaches. The results from a quarter car model showed that, the maximum generated voltage and power under harmonic excitation with an acceleration amplitude of 0.5 g and frequency of 1.46 Hz were 19.11 V and 36.74 mW, respectively. By comparing the quarter car model with a half car model, the results illustrated that the output voltage and power of the half car models were increased to 33.56 V and 56.35 mW (75.6% and 53.4%), respectively. Furthermore, the quarter and half car models were subjected to random excitation and tested under three different road classes (A, C, and H). The findings confirmed that the harvested voltage and power were increased with the road roughness levels and car velocity. From very smooth to very rough road levels, the harvested power was increased by 434 mW for quarter car model and 537 mW for half car model. The influence of the different parameters of the piezoelectric stack (number of stack layers and area to thickness) and car suspension (sprung and unsprung stiffness, damping coefficients, and masses) were examined for half car model subjected to harmonic excitation. Also, the effect of road amplitude unevenness was considered. The analytical results of the quarter car model were verified with the experimental test under harmonic excitation. The results exhibited good agreement with the analytical results at different excitation frequencies (0 – 25 Hz). A significant contribution of this work is developing a half car model with a built-in piezoelectric stack. The findings of this work illustrated that there is a significant potential for harvesting energy from the car suspension system. This energy could be utilized in different ways. The study will encourage automobile manufacturers to develop and produce cars that are equipped with multiple energy harvesters to make the dissipated energy available for utilization. Such utilization of regenerated energy improves the fuel efficiency and the economy significantly.

Comments

واحدة من التقنيات الأساسية لجمع الطاقة هي جمع الطاقة النظيفة من الاهتزازا ت المحيطة. في الآونة الأخيرة، أصبحت أنظمة حصاد الطاقة كهروضغطية (Piezoelectric) موضوعًا هاما وجذب ت العديد من الباحثين ويرجع ذلك إلى هيكلها البسيط، والطاقة الإنتاجية العالية نسبيا بين الآليات الأخرى )الكهرومغناطيسية والكهروستاتيكية( (Electromagnetic and ( electrostatic ، والتوافق مع الأنظمة الكهروميكانيكية الصغرى، والتشغيل في نطاق تردد واسع. الهدف الرئيسي من العمل الحالي هو تطوير نموذج رياضي لتقييم إمكانات حصاد الطاقة من نظام تعليق السيارة. تم تصميم نماذج ربع ونصف سيارة التي تحتوي على مجموعة كهروضغطية مدمجة بطريقة رياضية باستخدام تحويل لابلاس (Laplace) وتمت محاكاتها باستخدام برنامج ماتلا ب / سميولينك (MATLAB/Simulink). تم تثبيت مجموعة كهروضغطية بالتوالي مع زنبرك التعليق للحفاظ على أداء نظام التعليق في جودة الركوب والراحة. تم اختبار الجهد والقدرة المحصودة من كل نموذج في المجال الزمني والترد دي . أوضحت النتائج التي توصل إليها نموذج ربع السيارة أن الحد الأقصى للجهد المتولد والطاقة تحت الحركة التوافقية بمعدل تسارع 0.5 من الجاذبية الأرضية (0.5 g) وتردد 1.46 هرتز(1.46 Hz) كانت 19.11 فولت(19.11V) و 36.74 ميلي واط (36.74mW) التوالي . بمقارنة نموذج ربع سيارة بنموذج سيارة نصف، أوضحت النتائج أن الجهد الناتج والطاقة لنموذج نصف سيارة زاد إلى 33.56 فولت (33.56 V) و 56.35 ميلي واط 56.35 mW)) التوالي. علاوة على ذلك، تعرضت نماذج ربع ونصف سيارة لإثارة عشوائية وتم اختبارها تحت ثلاث فئات طرق مختلفة A) و C و (H أكدت النتائج أن الجهد والطاقة التي تم حصادها زادت مع مستويات خشونة الطريق وسرعة السيارة. من مستويات الطرق شديدة السلاسة إلى مستويات الطرق الوعرة للغاية، تم زيادة الطاقة المحصودة بمقدار 434 ميلي واط (434 mW ) لنموذج ربع سيارة و 537 ميلي واط((537mW لنموذج نصف سيارة. تم فحص تأثير المعاملات المختلفة لمجموعة الكهر وضغطية )عدد الطبقات ونسبة المساحة إلى السمك( ونظام تعليق السيارة )معامل الصلابة، معامل التخميد، الكتلة( لنموذج نصف سيارة تحت تأثير الحركة التوافقية. أيضا،تم النظر في مدى تأثير ارتفاع موجة الطريق على حصاد الجهد والطاقة. تم التحقق من النتائج التحليلية لنموذج ربع سيارة بإجراء اختبار تجريبي تحت الإثارة التوافقية. أظهرت النتائج اتفاق جيد مع النتائج التحليلية تحت تأثير ترددات مختلفة (25.0 هرتز ). المساهمة المهمة من عملنا هي تصميم نموذج نصف سيارة يحتوي على مجموعة كهروضغطية مدمجة. وضحت نتائج هذا العمل أن هناك إمكانية كبيرة لحصد الطاقة من نظام تعليق السيارة. يمكن استخدام هذه الطاقة بطرق مختلفة. على سبيل المثال، ستشجع الدراسة شركات صناعة السيارات على تطوير وإنتاج المركبات المزودة بحصادات الطاقة المتعددة. هذا الاستخدام للطاقة المتجددة سيحسن من كفاءة استهلاك الوقود والاقتصاد بشكل كبير .

Download

Share

COinS