Placeringen - Energiutvinning från flygplansvingar

Efter analys kring placeringen av piezogivaren mellan de olika skikten i vingens struktur, kommer vi fram till följande, denna placering ger oss möj- ligheten att förhindra brandfara som kan vara ett resultat av temperaturök- ning eller kortslutning i piezokablar samt temperaturökning i själva givaren. Detta förslag ger oss möjligheter att uppfylla kravet

" Utrymmet man väljer i vingkonstruktionen (invändigt vingen) bör vara torrt, alltså inte bränsletank".

I fall man placera givaren mellan strukturens skikt blir det svårt för tekniken att medföra nödvändiga inspektioner och underhåll. Alltså kravet " Installationen måste vara tillgänglig för nödvändiga inspektioner och un- derhåll " kommer inte att uppfyllas. Dessutom kommer underhållskostnader att ökas eftersom det kommer att kräva längre tid samt komplexa verktyg. I slutändan tycker vi att denna placering av givaren kommer vi inte att tillämpas. Men däremot vi kan ytmontera givaren direkt på vingstrukturen. Tjockleken som PZT lmen har, ger oss möjligheten att limma den på strukturens ytan utan att påverka aerodynamik. på så vis kan man uppfylla EASA CS 25 krav.

6 -

Avslutning/Slutsatser

6.1 Avslutning/Slutsatser

Att producera energi med hjälp av vibrationer kräver olika tekniker där sensorer av olika slag är inblandade. Bland de bästa teknikerna är Piezo- elektriska material. Under denna benämning innefattas många olika typer av materia. I detta arbete har vi valt att jobba med materialet PZT (Lead zirconate titanate). Enligt många studier är PZT enklast att använda, mest eektivt och mest praktiskt.

Hela ygplansstrukturen påverkas av vibrationer på grund av högt luft- ödestryck. Studier visar att de vibrationer som nns i nedre delen av ygplanskroppen lämpar sig bäst för tekniken vi har presenterat i detta arbete. Av detta skäl föreslår vi att PZT-cellen ska ytmonteras på nedre delens av Vingprolen och/ eller ygplanskroppen. Vi angav några av de krav som EASA CS 25 anger för monteringen av Piezogivaren.

Trots att den energi som man får ut från en piezokeramik är ganska liten (ett Piezo med area 71 cm2 _{och med hjälp av 300 Hz vibration får vi ungefär}

50 mW ), kan den ändå driva olika system i ygplanet såsom CMOS-sensor Attitude Heading and Reference System (AHRS) samt ow sensor.

Rami, Farhad

6.2 Framtida arbeten

Att bygga ett system för energiutvinning är viktigt. Lyckas man utvinna mer energi från Piezo materialet resulterar det till en bättre eektivitet på element samt undvikande av energispillo. Dessutom behöver de esta av dessa kretsar en extern strömkälla för att mata systemet. Av detta skäl föreslår vi att framtida arbeten ska koncentrera sig på att studera och föreslå en sådan krets. Man bör visa vilka komponenter kretsen skall innehålla samt visa på dess eektivitet. Även viktökningsaspekten bör utredas för att se till att energiutvinningssystemet inte orsakar större bränsleåtgång och därmed kräver mer energi än det kan ge.

Vi har kommit fram till hur mycket en piezo-cellen med dimension

387 x 254 x 0,6 mm väger samt vilken viktökning dem kan resulterar när man driva viss sensorn. En annan förslag för framtida arbeten är att man försöka räknar ut hur mycket viktökning som piezo energiutvinningssystem i helhet kan bidrar? Och hur stor blir nettovinsten i eekttillskott?

Tack

Vi vill framföra vårt hjärtliga tack till vår handledare Magnus Otterskog för den handledning och det stöd vi har fått från honom under arbetets gång. Ett tack till examinator Maria Lindén på Mälardalens högskola. Speciella tack i övrigt, utan inbördes ordning Håkan Forsberg, Karl Lundengård, Per Schlund och Åsa Olenius.

Litteraturförteckning

[1] G. Lippmann Principe de la conversation de 1 electricite. Ann. de Chim. et de Phys. 24, 145 178 (1881)

[2] T. Beckwith, R. Marangoni and J. Lienhard Mechanical measurements. Upper Saddle River, NJ: Pearson/Prentice Hall, 2007.

[3] G. W. Pierce Piezoelectric oscillators applied to the precision measurement of the volocity of sound in air and CO2 at high frequencies. Proc.

Amer. Acad. 60, 271-302 (1925).

[4] Lee, D., Fahey, D., Forster, P., Newton, P., Wit, R., Lim, L., Owen, B. and Sausen, R. (2009) Aviation and global climate change in the 21st century. Atmospheric Environment. 43(22-23), pp 3520-3537, 2009 [5] Oberdorster, G., Sharp, Z., Atudorei, V., Elder, A., Gelein, R., Kreyling,

W., Cox, C., 2004 Translocation of inhaled ultrane particles to the brain . Inhal. Toxicol. 16, 437e445, 2004.

[6] Grote, M., Williams, I. and Preston, J. (2014) Direct carbon dioxide emissions from civil aircraft. Atmospheric Environment. 95, pp :214- 224, 2014.

[7] Masiol, M. and Harrison, R. (2014) Aircraft engine exhaust emissions and other airport-related contributions to ambient air pollution: A review Atmospheric Environment, 95, pp: 409-455 2014.

[8] Flyget and klimatpåverkan | Swedavia, Swedavia.se, 2016 [Online]. Till- gängliga: http://www.swedavia.se/om-swedavia/hallbarhet/miljo/yget- klimatpaverkan/ [hämtad: 06- Apr- 2016].

[9] Flyget och miljön | hållbartyg.se, Hallbartyg.se, 2016 [Online]. Tillgängliga: http://www.hallbartyg.se/yget-och-miljon/ [hämtad: 07- Apr- 2016].

Energiutvinning från ygplansvingar

[10] Anton, Steven R., and Daniel J. Inman. 2008. energy harvesting for unmanned aerial vehicles The 15th International Symposium on: Smart Structures and Materials and Nondestructive Evaluation and Health Monitoring. International Society for Optics and Photonics, 2008 [11] Chapin, Alfred, Eugène Jaquet, and Renée Savarè Grandvoinet The

history of the self-winding watch 1770-1931. Rolex Watch Company, 1956.

[12] R. Caliò, U. Rongala, D. Camboni, M. Milazzo, C. Stefanini, G. de Petris and C. Oddo, 2014 Piezoelectric Energy Harvesting Solutions Sensors, vol. 14, no. 3, pp. 4755-4790, 2014.

[13] . Roundy, E. Leland, J. Baker, E. Carleton, E. Reilly, E. Lai, B. Otis, J. Rabaey, V. Sundararajan and P. Wright, Improving Power Output for Vibration-Based Energy Scavengers IEEE Pervasive Comput., vol. 4, no. 1, pp. 28-36, 2005.

[14] L. Weinstein, M. Cacan, P. So and P. Wright, Vortex shedding induced energy harvesting from piezoelectric materials in heating, ventilation and air conditioning ows Smart Mater. Struct., vol. 21, no. 4, p. 045003, 2012.

[15] B. Li, J. You and Y. Kim, Low frequency acoustic energy harvesting using PZT piezoelectric plates in a straight tube resonator Smart Mater. Struct., vol. 22, no. 5, p. 055013, 2013.

[16] D. Richerson:1982. Modern ceramic engineering New York: M. Dekker, 1982.

[17] R. Garimella, V. Sastry and M. Mohiuddin, Piezo-Gen - An Approach to Generate Electricity from Vibrations Procedia Earth and Planetary Science, vol. 11, pp. 445-456, 2015.

[18] Measurement Specialties, Inc:1999 Piezo Film Sensors Technical Manual 99 APR 02 [PDF] [Tillgänglig: http://meas-spec.com/]

[19] Richard H Brown:2013 Applications Manager, Piezo Film for Energy Harvesting 13 MAR 25 [PDF] Tillgänglig: http://eh- network.org/events/eh2013/speakers/2.2.pdf

[20] Measurement Specialties, Inc:2001 Piezo Film Sensors, Product Guide and Price List 15 MAY 01 [PDF] Tillgänglig: http://meas-spec.com/

Rami, Farhad [21] S. Klusacek; J. Fialka; P. Benes; Z. Havranek:2013 An experimental study of temperature eect on material parameters of PZT ceramic ring used in knock sensors IEEE, 863 - 868 ,5 dec. 2013

[22] L. Wang, Y. Lu, Y. Xiang, L. Qin and D. Cai:2013 Vibration analysis for piezoceramic ring Ceramics International, vol. 39, pp. S739-S742, 2013 [23] Pcb.com:2016 General Piezoelectric Theory Pcb.com, 2016. [Online].

Available: http : //www.pcb.com/techsupport/techgen. [Tillgängligt:

30- Apr- 2016].

[24] Guide Guide to Piezo and Dielectric Ceramic | Morgan Techni- cal Ceramics Morgantechnicalceramics.com, 2014. [Online]. Availab- le: http : //www.morgantechnicalceramics.com/products/product − groups/piezo − ceramic − components/guide − piezo − dielectric − ceramic. [Accessed: 15- May- 2016].

[25] Sv Permittivitet Sv.wikipedia.org, 2016. [Online]. Tillgängligt: https : //sv.wikipedia.org/wiki/P ermittivitet. [Hämtad: 17- May- 2016]. [26] R. Kimberlin:2003 Flight testing of xed-wing aircraft. Reston, VA:

American Institute of Aeronautics and Astronautics 2003. s

[27] Frequencies and Flutter Speed Estimation for Damaged Aircraft Wing Using Scaled Equivalent Plate Analysis

[28] "Vibration", Wikipedia, 2011. [Online]. tillgänglig: https : //en.wikipedia.org/wiki/V ibration. [Hämtat 04- May- 2016.

[29] D. CARBAUGH, M. CARRIKER, D. HUBER and A.

RYNEVELD:2016 In-Flight Airplane Vibration And Flight Crew Response, Boeing.com, [PDF] tillgängligt: http : //www.boeing.com/commercial/aeromagazine/aero16/vibrationstory.html.

[hämtat: 04- May- 2016].

[30] U.S. Department of Energy:2008 ITP sensors and

automation:Low-cost vibration power harvesting for

wireless sensors [Online].Available : https :

//www1.eere.energy.gov/manuf acturing/industriestechnologies/

sensorsautomation/pdf s/kcfvibrationpower.pdf,(2008, Dec. 4).

[31] P. Glynne-Jones, S. P. Beeby, and N. M. White:2001. Towards a piezoelectric vibration-powered microgenerator IEE Proc. Sci. Meas. Technol., vol. 148, no. 2, pp. 6872, 2001.

Energiutvinning från ygplansvingar

[32] C. Featherston, K. Holford and B. Greaves:2009. Harvesting Vibration Energy for Structural Health Monitoring in Aircraft KEM, vol. 413-414, pp. 439-446, 2009.

[33] K. Ren, Y. Liu, X. Geng, H. F. Hofmann, and Q. M. Zhang:2006. Single crystal PMN-PT/epoxy 1-3 composite for energy-harvesting application IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 53, no. 3, pp. 631638, 2006.

[34] Soobum Lee and B. Youn:2011. A new piezoelectric energy harvesting design concept: multimodal energy harvesting skin IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, vol. 58, no. 3, pp. 629-645, 2011.

[35] L. Deng, Z. Wen, X. Zhao, C. Yuan, G. Luo, J. Mo:2014 High Voltage Output MEMS Vibration Energy Harvester in d31 Mode With PZT Thin Film Purchase or Sign In Vol. 23, pp. 855-861, 2014.

[36] caplai:2011 Smart materials (3 of 5): shape shifting material, drug delivering nano particles Youtube,2011[Online]. Tillgänglig: https://www.youtube.com/watch?v=i6n8cpLKzHE:[Hämtad: 10 okto- ber, 2016]

[37] Nicholas Braithwaite and Graham Weaver, Electronic Materials 1990 [38] Sv.wikipedia Curietemperaturen Sv.wikipedia.org, 2016. [Online]. Till-

gängligt: https : //sv.wikipedia.org/wiki/Curietemperaturen. [Häm- tat: 15- May- 2016].

[39] J. ALLEN and A. SMITS:2001 ENERGY HARVESTING EEL", Jour- nal of Fluids and Structures vol. 15, no. 3-4, pp. 629-640, 2001.

[40] Shuguang Li, Jianping Yuan, Lipson Hod:2011 Ambient wind energy harvesting using J Appl Phys 2011;109:026104.

[41] Hernandez R, Jung S, Matveev KI:2011 Acoustic energy harvesting from vortexinduced tonal sound J Mech Eng 2011;225:184750

[42] WangDA, KoHH:2010 Piezoelectric energy harvesting from induced vibration J Micromech Microeng 2010;20:025019.

[43] Wang DungAn, Chiu ChunYuan, Pham HuyTuan:2012 Electromagne- tic energy harvesting from vibrations induced by karman vortex street Mechatronics 2012;22:74656.

Rami, Farhad [44] H. Zou, H. Chen and X. Zhu:2015 Piezoelectric energy harvesting from vibrations induced by jet-resonator system Mechatronics, vol. 26, pp. 29-35, 2015

[45] Starner, T. 1996 Human-Powered Wearable Computing IBM Systems Journal Vol. 35, No. 3 and 4, 1996, pp. 618-629.

[46] R. Vullers, R. van Schaijk, I. Doms, C. Van Hoof and R. Mertens:2009 Micropower energy harvesting Solid-State Electronics, vol. 53, no. 7, pp. 684-693, 2009.

[47] H. Kim, J. Kim and J. Kim, review of piezoelectric energy harvesting based on vibration International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, vol. 12, no. 6, pp. 1129-1141, 2011.

[48] Priya, Shashank, and Daniel J. Inman, eds. Energy harvesting technolo- gies Vol. 21. New York: Springer, 2009.

[49] Giuliano, Alessandro piezoelectric energy harvesting powered wireless sensor nodes using passive interfaces and power management approach (2014). [Google Scholar]

[50] T. Trebunskikh and A. Ivanov, FloEFD for simulation of external aerodynamics Mentor.com, 2016. [Online]. Available: https : //www.mentor.com/products/mechanical/engineering − edge/volume2/issue3/f loef d − external − aero. [Accessed: 15- May- 2016].

[51] Andreassen, Øyvind, et al Studies of aerodynamically induced vibrations on the P-3C maritime surveillance aircraft and proposed vibration redu- cing measures Norwegian Defence Research Establishment (FFI), FFI- rapport 245 (2013): 385301.

[52] European Aviation safety Agency Certication Specications for Large Aeroplanes CS-25 Amendment 3, 19 September 2007.

Energiutvinning från ygplansvingar

[54] Fluid Components International - Aerospace Flow Sensors | Fluid Com- ponents International (FCI Fluidcomponents.com, 2016. [Online]. Till- gängligt: http : //www.fluidcomponents.com/aerospace/aerospace − products/f low − sensors/as − f s − f low − sensor. [Hämtat: 21- Maj- 2016].

[55] IG-500A, INDUSTRIAL GRADE Attitude and Heading Refe- rence System [PDF] tillgängligt: www.sbg-systems.com/docs/IG-500A- Leaet.pdf , [Hämtat: 21- maj- 2016].

[56] C. R. Sharma, C. Furse, and R. R. Harrison Low-power STDR CMOS sensor for locating faults in aging aircraft wiring IEEE Sensors Journal, vol. 7, no. 1, pp. 4350, Jan. 2007. In-line Citation:

In document Energiutvinning från flygplansvingar (Page 34-43)