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Ferroelektret Energy Harvester für den Einsatz in Flugzeugstrukturen

Holzmann, Hendrik (2024)
Ferroelektret Energy Harvester für den Einsatz in Flugzeugstrukturen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027592
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

Abstract

Das Gewicht von Flugzeugen beeinflusst maßgeblich den Treibstoffverbrauch. Durch die Elektrifizierung von Flugzeugen wird zusätzliches Gewicht durch Kabel und Batterien verursacht, welches durch eine dezentrale Energieversorgung mithilfe von Energy Harvesting teilweise eingespart werden kann. Flugzeugtragflächen besitzen ihre erste Eigenfrequenz in der Größenordnung von 1 Hz. Hier treten im Flug große Biegungsenergien auf, die ungenutzt bleiben. Auch im höheren Frequenzbereich treten nutzbare Schwingungen auf. Piezokeramiken werden wegen ihrer hohen Kopplungskoeffizienten im Stand der Forschung häufig für piezoelektrisches Energy Harvesting eingesetzt. Problematisch sind ihre hohe Dichte und ihre Sprödigkeit. Ferroelektrete sind hingegen sehr nachgiebig, haben hohe Wandlerkonstanten, eine geringe Dichte und bestehen aus rezyklierbaren Polymeren. Durch ihre geringe Steifigkeit können Ferroelektrete im Gegensatz zu Piezokeramiken als Feder-Dämpfer-Element eines Energy Harvesters nach seismischem Prinzip schon bei Frequenzen in der Größenordnung von 100 Hz mit im Vergleich zur Strukturmasse kleinen Resonatormassen eingesetzt werden. Derzeit ist keine Arbeit aus der Literatur bekannt, die Ferroelektret Energy Harvester für eine Biegungsanregung als Kombination aus Oberflächendehnung und Strukturkrümmung auslegen und optimieren. Konzepte aus der Literatur nach seismischem Prinzip lassen sich nur bedingt für eine Biegungsanregung verwenden, insbesondere im sehr niederfrequenten Bereich. Ferroelektrete können die Biegungsenergie metallischer Strukturen nicht direkt effizient ausnutzen, da die Dehngrenzen von Stahl oder Aluminium weit unter der Dehngrenze der Ferroelektrete liegt. Daher ist Kern der Problemstellung der Arbeit die Nutzbarmachung dieser Biegungsenergie für Ferroelektrete. In dieser Arbeit werden neuartige Konzepte erarbeitet, die eine kleine Strukturdehnung mit einer hohen mechanischen Spannung auf eine hohe Dehnung mit für das Ferroelektret angepasster Spannung umformen. Durch die Energieumformung können die hohen d3x- und g3x-Konstanten des Ferroelektret-Materials bei gleichzeitiger Vervielfachung der Dehnung ausgenutzt werden. Mithilfe von Daten eines Flügelkastenmodells der NASA und unter Verwendung von Optimierungsalgorithmen werden Energy Harvester Topologien definiert, die bezogen auf die Anwendung einen hohen Wert der massenbezogenen Leistung erreichen. Im niederfrequenten Bereich stellt der Verzicht auf eine Resonatormasse durch Verwendung der Strukturresonanz einen Neuheitswert dar. Die simulativ entwickelten und optimierten Konzepte werden schließlich experimentell validiert. Es wird außerdem gezeigt, dass die vorgeschlagenen Konzepte höhere Werte der Leistungsmetrik erreichen können als piezokeramische Flächenwandler- und andere Ferroelektret Energy Harvester. Die simulationsgetriebene periodische Anordnung der Konzepte zeigt schließlich, wie die Leistung der Energy Harvester skaliert werden kann. Dabei wird gezeigt dass schwingungsmindernde Effekte synergetisch genutzt werden können.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2024
Creators: Holzmann, Hendrik
Type of entry: Primary publication
Title: Ferroelektret Energy Harvester für den Einsatz in Flugzeugstrukturen
Language: German
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias ; Kupnik, Prof. Dr. Mario
Date: 11 July 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xviii, 156 Seiten
Refereed: 18 October 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00027592
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27592
Abstract:

Das Gewicht von Flugzeugen beeinflusst maßgeblich den Treibstoffverbrauch. Durch die Elektrifizierung von Flugzeugen wird zusätzliches Gewicht durch Kabel und Batterien verursacht, welches durch eine dezentrale Energieversorgung mithilfe von Energy Harvesting teilweise eingespart werden kann. Flugzeugtragflächen besitzen ihre erste Eigenfrequenz in der Größenordnung von 1 Hz. Hier treten im Flug große Biegungsenergien auf, die ungenutzt bleiben. Auch im höheren Frequenzbereich treten nutzbare Schwingungen auf. Piezokeramiken werden wegen ihrer hohen Kopplungskoeffizienten im Stand der Forschung häufig für piezoelektrisches Energy Harvesting eingesetzt. Problematisch sind ihre hohe Dichte und ihre Sprödigkeit. Ferroelektrete sind hingegen sehr nachgiebig, haben hohe Wandlerkonstanten, eine geringe Dichte und bestehen aus rezyklierbaren Polymeren. Durch ihre geringe Steifigkeit können Ferroelektrete im Gegensatz zu Piezokeramiken als Feder-Dämpfer-Element eines Energy Harvesters nach seismischem Prinzip schon bei Frequenzen in der Größenordnung von 100 Hz mit im Vergleich zur Strukturmasse kleinen Resonatormassen eingesetzt werden. Derzeit ist keine Arbeit aus der Literatur bekannt, die Ferroelektret Energy Harvester für eine Biegungsanregung als Kombination aus Oberflächendehnung und Strukturkrümmung auslegen und optimieren. Konzepte aus der Literatur nach seismischem Prinzip lassen sich nur bedingt für eine Biegungsanregung verwenden, insbesondere im sehr niederfrequenten Bereich. Ferroelektrete können die Biegungsenergie metallischer Strukturen nicht direkt effizient ausnutzen, da die Dehngrenzen von Stahl oder Aluminium weit unter der Dehngrenze der Ferroelektrete liegt. Daher ist Kern der Problemstellung der Arbeit die Nutzbarmachung dieser Biegungsenergie für Ferroelektrete. In dieser Arbeit werden neuartige Konzepte erarbeitet, die eine kleine Strukturdehnung mit einer hohen mechanischen Spannung auf eine hohe Dehnung mit für das Ferroelektret angepasster Spannung umformen. Durch die Energieumformung können die hohen d3x- und g3x-Konstanten des Ferroelektret-Materials bei gleichzeitiger Vervielfachung der Dehnung ausgenutzt werden. Mithilfe von Daten eines Flügelkastenmodells der NASA und unter Verwendung von Optimierungsalgorithmen werden Energy Harvester Topologien definiert, die bezogen auf die Anwendung einen hohen Wert der massenbezogenen Leistung erreichen. Im niederfrequenten Bereich stellt der Verzicht auf eine Resonatormasse durch Verwendung der Strukturresonanz einen Neuheitswert dar. Die simulativ entwickelten und optimierten Konzepte werden schließlich experimentell validiert. Es wird außerdem gezeigt, dass die vorgeschlagenen Konzepte höhere Werte der Leistungsmetrik erreichen können als piezokeramische Flächenwandler- und andere Ferroelektret Energy Harvester. Die simulationsgetriebene periodische Anordnung der Konzepte zeigt schließlich, wie die Leistung der Energy Harvester skaliert werden kann. Dabei wird gezeigt dass schwingungsmindernde Effekte synergetisch genutzt werden können.

Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

The weight of an aircraft has a significant influence on its fuel consumption. The electrification of aircraft causes additional weight due to cables and batteries, which can be partially saved by a decentralised energy supply with the help of energy harvesting. Aircraft wings have their first natural frequency in the order of 1 Hz. Here, large bending energies occur in flight that remain unused. Also in the higher frequency range usable vibrations occur. While piezoceramics are frequently used for piezoelectric energy harvesting in the current state of research because of their high coupling coefficients, their high density and brittleness are problematic. Ferroelectrets on the other hand, are very compliant, have high transducer coefficients, low density and are made of recyclable polymers. Due to their low stiffness, ferroelectrets, in contrast to piezoceramics, can be used as a spring-damper element of an energy harvester according to the seismic principle already at frequencies in the order of 100 Hz with small resonator masses compared to the structural mass. Currently, no work from literature is known that designs and optimizes ferroelectret energy harvesters for a bending excitation as a combination of surface strain and structural curvature. Concepts from the literature based on seismic principles can only be used for bending excitation to a limited extent, especially in the very low frequency range. Ferroelectrets cannot directly exploit the bending energy of metallic structures efficiently, since the yield strength of steel or aluminium is far below the yield strength of ferroelectrets. Therefore, the core of the problem of the thesis is the utilisation of this bending energy for ferroelectrets. In this work, novel concepts are elaborated to transform a small structural strain with a high mechanical stress to a high strain with stress adapted for the ferroelectret. The energy transformation can exploit the high d3x and g3x constants of the ferroelectret material while multiplying the strain. Using data from a NASA wing box model and optimization algorithms, energy harvester topologies are defined that achieve a high value of power per used mass in the application. In the lower frequency range, the elimination of a resonator mass by using structural resonance represents a novelty. The computationally developed and optimised concepts are experimentally validated. It is also shown that the proposed concepts can achieve higher power metric values than piezoceramic patch transducers and other ferroelectret energy harvesters. Finally, the simulation-driven periodic arrangement of the concepts shows how the performance of the energy harvesters can be scaled. It is shown that vibration-reducing effects can be used synergetically.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-275925
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM)
16 Department of Mechanical Engineering > Research group System Reliability, Adaptive Structures, and Machine Acoustics (SAM) > Characterization, evaluation, and control of the reliability of mechanical systems
Date Deposited: 11 Jul 2024 11:50
Last Modified: 12 Jul 2024 06:59
PPN:
Referees: Melz, Prof. Dr. Tobias ; Kupnik, Prof. Dr. Mario
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 18 October 2023
Export:
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