Bu yazıda elektrik üretmek için diyamanyetik kaldırma teknolojisini kullanan bir hava akımı enerji toplayıcı sunulmaktadır.
Enerji toplayıcı bir kaldırma mıknatısı, bir üst pirolitik grafit levha, bir mıknatıs rotoru, iki merkezi simetrik ağızlık, endüksiyon bobinleri ve bir alt pirolitik grafit levhadan oluşur. Kaldırma mıknatısı, mıknatıs rotoru üzerinde yukarıya doğru bir kuvvet uygulamak için kullanılır, böylece havaya kaldırılan mıknatıs rotoru sabit bir şekilde havaya kaldırabilir. Enerji toplayıcının çıkış özelliklerini incelemek için, bir kuvvet çifti oluşturmak için mıknatıs rotora iki hava akışı akımı uygulanır.
İndüklenen voltaj ve hava akış hızı arasındaki ilişki, simülasyon ve deney ile analiz edildi ve test edildi. Bu yazıda, akış hızı kütle akış kontrolörü tarafından kontrol edildi ve farklı hava akış hızları altında çıkış voltajı kaydedildi. Akış hızı 3000 sccm olduğunda bobinin indüklenen tepe voltajının 2,8 V’a ulaşabileceği bulundu.
Tanıtım;
Son yıllarda, kablosuz sensör ağının (WSN) gelişmesiyle birlikte, uzak yerlerde giderek artan sayıda kablosuz sensör kullanılmaktadır. Geleneksel pillerin kullanım ömrü sınırlamaları nedeniyle, kalıcı ve bakım gerektirmeyen piller geliştirmek güncel bir araştırma konusudur.
Doğada güneş enerjisi [1,2], titreşim enerjisi [3,4] ve hava akımı enerjisi [5,6] gibi çeşitli enerji kaynakları vardır. Bu enerji kaynakları arasında, hava akımı her yerde bulunan bir enerji kaynağı olarak geniş çapta ilgi görmektedir. En yaygın hava akımı enerji toplayıcı rüzgar türbinidir [7,8].
Holmes et al. Rotor alanı yaklaşık 1.5 m2’ye düşen ve ortalama rüzgar hızı 10 m/sn olduğunda maksimum çıkış gücü 4.3 mW’a kadar olan diyamanyetik bir mikro hava akımı enerji toplayıcı üzerinde çalıştı [9]. Zhu et al. akış hızı 2 m/s’yi aştığında 90uW’nin üzerinde çıkış gücü alabilen konsol tabanlı bir elektromanyetik hava akımı toplayıcı üzerinde çalıştı [10].
Diyamanyetik levitasyon teknolojisi [11-13], sıfır sürtünme özelliklerinden dolayı enerji toplayıcıda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yazıda, diamanyetik havaya kaldırılmış yapı kullanılan bir hava akımı enerji toplayıcı üzerine çalışılmıştır.
Ayrıntılı bir mıknatıs rotor, diyamanyetik kaldırma yapısında yüzmek için hava akışını kullandı. Enerji üretme makinesinin kararlılığı, çıkış özelliklerinin bir dizi hava akışı hızı altında test edilmesiyle doğrulandı.
Yapı Modeli;
Hava akımı enerji toplayıcının yapı modeli şekil 1’de gösterilmektedir. Bir kaldırma mıknatısı, iki merkez simetrik ağız, bir üst pirolitik grafit plaka, bir mıknatıs rotor, altı endüksiyon bobini ve bir alt pirolitik grafit plaka, bir hava akımı enerji toplayıcıyı oluşturur. Mıknatıs rotorunun üç kanadı, kenar boyunca eşit olarak dağılmıştır. Altı düzlemsel spiral bobin, iki kat özel şekilli bobin oluşturur ve
özel şekilli bobinler üst üste bindirilir. Özel şekilli bobinin her katmanı, üç düzlemsel spiral bobinden oluşur ve düzlemsel spiral bobinler, alt grafitin üst kısmındaki mıknatıs rotorunun merkezi ekseni etrafında eşit olarak dağıtılır ve rotorun kanatlarına karşılık gelir.
Kaldırma mıknatısının çekme kuvveti, rotorun yerçekimine karşı koymaktır ve üst ve alt HOPG plakaları, itme kuvveti uygulayarak mıknatıs rotorunu dengede tutmaya yardımcı olur. Bir kuvvet çifti oluşturmak için mıknatıs rotoruna etki eden iki hava akımı akışı.
Mıknatıs rotoru, hava akımı ile iki HOPG plakası arasında dönecek şekilde sürülebilir ve bobinler içinde indüklenen elektromotor kuvvet üretilecektir. Mıknatıs rotoru havaya kaldırılır ve enerji dönüşüm verimliliğini artırmaya katkıda bulunan diğer bileşenlerle fiziksel temas olmaksızın dönmeye tahrik edilir.
Tablo 1, hava akımı enerji toplayıcının gerekli bileşimlerini ve parametrelerini gösterir. Kaldırma mıknatısı ile havaya kaldırılan rotor arasındaki dikey mesafe 82,5 mm’dir. Düzlemsel spiral bobinler 0,07 mm bakır tel, 3,2 mm iç çap ve 12 mm dış çap ile sarılır. İki HOPG plakası ve havaya kaldırılan rotor arasındaki kaldırma boşluğunun her ikisi de 0,8 mm’dir. Ve her bobinin direnci 40,3 Ω’dur. Mıknatıs rotorunun yerçekimi 0.2387 N’dir.
| Bileşen | Malzeme | Boyutları |
|---|---|---|
| Kaldırma mıknatısı | NdFeB(N52) | ∅25×10 |
| HOPG plakası | HOPG | ∅25×2 |
| Bobin | Bakır | ∅0.07 |
| Mıknatıs rotor | NdFeB(N52) | ∅18×3 |
| Nozul | PVC | ∅0.4 (iç çap) |
Teorik Analiz:
Diyamanyetik kaldırma analizi Mıknatıs rotoru dikey yönde dengelendiğinden, mıknatıs rotoru iki HOPG plakası arasında sabit bir şekilde kaldırılabilir. Diyamagnet maddelerinin itme kuvveti, H manyetik alanlarındaki bir diyamanyetik kuvvet olarak kabul edilebilir.
Aşağıdaki denklem diyamanyetik kuvveti hesaplayabilir.
u0 bağıl manyetik geçirgenlik olduğunda, Xm manyetik duyarlılığa bağlıdır, V diyamagnetin hacmidir.
FL, kaldırma mıknatısından gelen yukarı doğru çekici kuvvet olduğunda, FD, alt HOPG plakasından gelen yukarı doğru diyamanyetik kuvvettir, FE, üst HOPG plakasından gelen aşağı doğru diyamanyetik kuvvettir.
İtici güç ve hava direnci hesabı:
Hava Akış oranı Hava akış hızına dönüştürülür.
Nozülün yarıçapı r0 olduğunda, hava akışının çıkış hızı V0 dır.
Şekil 2(a)’da gösterilen kontrol gövdesi, momentum denklemini karşılamaktadır.
Şekil 2. Hava akışı ve mıknatıs rotor arasındaki etkileşimin şematik diyagramı.
Simülasyon Analizi:
Akış alanını simüle etmek ve analiz etmek için sonlu eleman yazılımı COMSOL Multiphysics 5.3 kullanıldı. Şekil 3(a), hava akışının akış çizgisi diyagramını gösterir. Akış hızının parametrik taraması, farklı hava akış hızı altında rotorun torkunu elde etmek için kullanılır. Hava akış hızı ve tork arasındaki ilişki şekil 3(b)’de gösterilmektedir. Hava akışı, mıknatıs rotorun kanatları üzerinde hareket ederken esas olarak iki akışa bölünür. Bir hava akımı akışı, kanatların yayı boyunca saat yönünde hareket eder ve diğeri, gerçekleştirdiğimiz tork analizinin fiziksel modeliyle tutarlı olan kanatların yayı boyunca saat yönünün tersine hareket eder.
Deney Aşaması :
Şekil 4(a)’daki çıktı özelliklerini test etmek için bir deney modeli kurulmuştur. Ve hava akımı enerji toplayıcının detayı şekil 4(b)’de gösterilmektedir. Deneyde, gaz kaynağı olarak sabit basınçlı ve sentrosimetrik nozullara bağlı bir nitrojen silindiri kullanılmıştır. Gaz akışını bilgisayar yazılımı ile kontrol etmek için iki kütle akış kontrolörü (AITOLY MFC300) kullanıldı. İndüklenen akımın voltajı ve frekansı ölçmek için bir osiloskop (Tektronix TDS2012B) kullanıldı.
Bobinlerin tepe çıkış gerilimi ile hava akış hızı arasındaki ilişki şekil 5’te gösterilmektedir. Akış hızı 60 sccm olduğunda enerji toplayıcının indüklenmiş bir voltaj üretmeye başladığı bulundu. Hava akış hızı ve çıkış voltajı arasındaki ilişki, hava akış hızı 2800 sccm’den küçük olduğunda ikinci dereceden bir eğriydi. Analitik eğri, deneysel verilerle oldukça tutarlıydı. Hava akış hızı 2800 sccm’den büyük olduğunda voltaj sürekli olarak artarken, korelasyon fonksiyonu artık ikinci dereceden eğriye uymuyor. Kütle akış kontrolörünün ölçüm ölçeği 0~3000 sccm olduğundan, akış hızı 3000 sccm olduğunda ve mıknatıs rotoru aynı anda kararlı bir şekilde döndüğünde bobinin indüklenen tepe gerilimi 2,8 V’a ulaşabilir.
Sonuçlar:
Bu yazıda, diyamanyetik levitasyon teknolojisini kullanan bir hava akımı enerji toplayıcı önerilmiş ve incelenmiştir. Enerji toplayıcı, 60 sccm kadar düşük bir akış hızına yanıt verebilir. Hava akış hızı 2800 sccm’den küçük olduğunda, hava akış hızı ve çıkış voltajı arasındaki ilişki, 0.9994 belirleme katsayısına sahip ikinci dereceden bir eğridir. Akış hızı 3000 sccm iken çıkış 2.8V’a ulaştı.
Deney sonuçları, diyamanyetik olarak kaldırılan bir mıknatıs rotorlu hava akımı enerji toplayıcı olasılığını gösterdi.
Bu makale buradan çevrilmiştir.
