Nowe inteligentne urządzenia do pozyskiwania energii
Celem pozyskiwania energii ze środowiska jest zapewnienie zasilania urządzeniom elektrycznym bez konieczności korzystania ze źródeł zewnętrznych. Kluczową ideą stojącą za inteligentnymi urządzeniami opracowanymi w ramach finansowanego przez UE projektu FSI-HARVEST (Numerical modelling of smart energy harvesting devices driven by flow-induced vibrations) było całkowite odrzucenie przyjętego dotąd dążenia do uniknięcia potencjalnie niebezpiecznych wzajemnych oddziaływań konstrukcji i otaczającego ją płynu i wykorzystanie w zamian dostępnej energii przepływu. W ten sposób można przekształcić potencjalnie szkodliwe wahania przepływu w niezależne źródło zasilania niewielkich urządzeń elektrycznych. Rozwiązanie to może być stosowane m.in. w układach mikroelektromechanicznych, czujnikach monitorujących zamontowanych w odległych miejscach czy nawet w urządzeniach medycznych in vivo, które są w pewnym stopniu uniezależnione od lokalnych magazynów energii i nie wymagają częstego serwisowania. Zasada działania tej technologii konwersji energii obejmuje wzajemne oddziaływania między konstrukcją a otaczającym ją płynem, nagromadzonym ładunkiem elektrycznym i obwodem sterującym. Aby zrozumieć obserwowalne właściwości tych urządzeń przyszłości oraz zwiększyć ich trwałość i sprawność, uczestnicy projektu FSI-HARVEST opracowali matematyczne modele złożonych układów fizycznych i przeanalizowali wybrane metody numeryczne umożliwiające przeprowadzanie wiarygodnych i systematycznych analiz obliczeniowych. Do rozwiązania równań różniczkowych naukowcy wykorzystali metodę reszt ważonych. Po przeprowadzeniu obliczeń metodą elementów skończonych w przestrzeni oraz nieciągłą metodą Galerkina do rozwijania rozwiązań w czasie uzyskano przybliżone rozwiązania. Silnie nieliniowe modele matematyczne rozwiązano metodą Newtona-Raphsona zastosowaną do wszystkich przyjętych pól fizycznych. Jako uzupełnienie przyjętego podejścia oraz środek do sprawdzenia poprawności modeli matematycznych wykorzystano techniki analizy obliczeniowej. Naukowcy opracowali unikalny model częstotliwościowy umożliwiający przeprowadzenie holistycznej analizy obwodów elektromechanicznych, co pozwoliło przewidywać optymalne stany robocze danej konfiguracji urządzenia do pozyskiwania energii dla określonej mocy wyjściowej w zaledwie jednym cyklu obliczeniowym. Celem zbadania różnych strukturalnych mechanizmów wzbudzania oraz oddziaływań wzajemnych konstrukcji i otaczającego ją płynu zespół przeanalizował różne konfiguracje. Na podstawie wyników obliczeń numerycznych uczestnicy projektu FSI-HARVEST opisali sposoby projektowania optymalnych inteligentnych urządzeń do pozyskiwania energii z uwzględnieniem zasilania elektrycznego przy zmiennych warunkach zewnętrznych.
