Αντικείμενο της πρότασης είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενεργειακά αυτόνομου συστήματος καταγραφής και μετάδοσης δεδομένων δομικής απόκρισης κατασκευών, το οποίο θα περιλαμβάνει πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα, ηλεκτρικό κύκλωμα αποθήκευσης ενέργειας, επαναφορτιζόμενη μπαταρία καιυποσύστημα ασύρματης μετάδοσης δεδομένων. Η ενεργειακή αυτονομία του συστήματος αυτού το καθιστά ιδανικό προς εγκατάσταση σε κατασκευές που καταπονούνται υπό δυναμικά φορτία και είναι δυσπρόσιτες.
Στην παρούσα πρόταση συμπράττουν δύο κορυφαία εργαστήρια της χώρας στο πεδίο της Μηχατρονικής και των Εφαρμογών Πιεζοηλεκτρικών Υλικών με υψηλής τεχνογνωσίας και εξειδίκευσης εταιρείες από το πεδίο της ανάπτυξης μικροηλεκτρονικών διατάξεων ασύρματης επικοινωνίας καιδιαχείρισης αιολικών πάρκων.
Η τελευταία πενταετία χαρακτηρίζεται τεχνολογικά από τη ραγδαία εξέλιξη στον τομέα της ασύρματης επικοινωνίας μεταξύ συσκευών (Internet of Things). Σε αυτό το πλαίσιο αισθητήρες ενσωματώνονται σε κατασκευές και παρέχουν πληροφορία σχετικά με τη λειτουργία τους. Η πληροφορία αυτή βελτιώνει τοεπίπεδο της ασφάλειας ως προς την ικανότητα της κατασκευής να φέρει τα επιβαλλόμενα φορτία. Όμως, οι αισθητήρες αυτοί, καθώς και τα υποσυστήματα που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση του μετρούμενου σήματος, απαιτούν παροχή ηλεκτρικής ισχύος μέσω μπαταριών. Οι μπαταρίες πρέπει να ανανεώνονται ή να επαναφορτίζονται σε τακτά χρονικά διαστήματα, κάτι το οποίο απαιτεί άμεση πρόσβαση σε αυτές. Αντικείμενο του έργου είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενεργειακά αυτόνομου συστήματος καταγραφής και μετάδοσης δεδομένων δομικής απόκρισης κατασκευών (ΕνΑυΣυ), το οποίο θα μπορεί να λειτουργεί χωρίς να απαιτείται πρόσβαση σε αυτό. Το σύστημα θα περιλαμβάνει πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα, ηλεκτρικόκύκλωμα αποθήκευσης ενέργειας, επαναφορτιζόμενη μπαταρία και υποσύστημα ασύρματης μετάδοσης δεδομένων. Η ενεργειακή του αυτονομία προκύπτει από την εκμετάλλευση της μηχανικής ενέργειαςπαραμόρφωσης, η οποία μετατρέπεται σε ηλεκτρική στον πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα κατά τη διάρκεια δυναμικής καταπόνησης. Το σύστημα ΕνΑυΣυ θα μπορεί επομένως να λειτουργεί χωρίς να απαιτείται αλλαγή της μπαταρίας του, στοιχείο που το καθιστά ιδανικό προς εγκατάσταση σε κατασκευές που είναι δυσπρόσιτες. Συνεπώς, προκειμένου να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα του συστήματος, το πρωτότυπο πουθα κατασκευαστεί στα πλαίσια του έργου θα τοποθετηθεί σε πτερύγιο ανεμογεννήτριας. Η λειτουργία του συστήματος ΕνΑυΣυ συνοψίζεται ως εξής: Στο πτερύγιο τοποθετούνται 2 τουλάχιστον πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες. Ο ένας μετράει παραμέτρους της ταλάντωσης του πτερυγίου και ο άλλος μετατρέπει μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική μέσω της σύζευξης μηχανικής παραμόρφωσης με ηλεκτρική τάση. Η ηλεκτρική τάση που παράγεται από τον αισθητήρα οδηγείται σε ηλεκτρικό κύκλωμα, όπου ανορθώνεται και αποθηκεύεται με χρήση κατάλληλα σχεδιασμένου πρωτεύοντος ηλεκτρονικού κυκλώματος. Όταν η αποθηκευμένη ενέργεια φτάσει μια καθορισμένη τιμή, κλείνει ένα δευτερεύον κύκλωμα το οποίο φορτίζει την μπαταρία. Η ενέργεια της μπαταρίας χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του υποσυστήματος ασύρματης μετάδοσης δεδομένων.Ο σχεδιασμός ενός τέτοιου συστήματος πρέπει να απαντά σε μεγάλο εύρος προκλήσεων. Η ενέργεια που θα αποθηκεύεται πρέπει να καλύπτει κατ’ ελάχιστον τις ανάγκες του υποσυστήματος μετάδοσης. Δεδομένης της χαμηλής συχνότητας ταλάντωσης του πτερυγίου, η αποδοτική μετατροπή της ενέργειας στον πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα προϋποθέτει τη διέγερσή του κοντά στις ιδιοσυχνότητές του και με μεγάλες παραμορφώσεις στα όρια της γεωμετρικής μη γραμμικότητας. Το ηλεκτρικό κύκλωμα θα πρέπει να έχει κατά το δυνατό ελάχιστες απώλειες ισχύος και να είναι σχεδιασμένο για να μπορεί να αποθηκεύει ενέργεια για μεγάλο εύρος πλατών ταλάντωσης. Συνεπώς, τόσο η μοντελοποίηση όσο και η υλοποίηση του ΕνΑυΣυ απαιτούν υψηλό επίπεδο θεωρητικής κατάρτισης και τεχνολογικής εξειδίκευσης, το οποίο καλύπτουν οι εταίροι του έργου.
Οι βασικότεροι στόχοι του έργου είναι οι εξής:
Επιπλέον στόχος είναι το σύστημα που θα προκύψει να μπορεί να επεκταθεί με μικρές τροποποιήσεις σε ευρύ φάσμα κατασκευών, όπως γέφυρες, αεροναυπηγικές κατασκευές, τοξικά περιβάλλοντα κλπ. Η απόκτηση τεχνογνωσίας από τους εταίρους σε ένα τόσο ανερχόμενο πεδίο έρευνας και τεχνολογίας είναι σημαντικό εφόδιο για μελλοντική επέκταση και ανάπτυξη συνεργασιών.
Το κύριο αποτέλεσμα του έργου είναι το πρωτότυπο ενός ενεργειακά αυτόνομου συστήματος μέτρησης και μετάδοσης δεδομένων με πιλοτική εφαρμογή σε πτερύγιο ανεμογεννήτριας. Βασική πρόθεση των εταίρων είναι το σύστημα ΕνΑυΣυ να είναι επεκτάσιμο και σε άλλες εφαρμογές και να μπορεί να αξιοποιηθεί σε άλλου είδους δυσπρόσιτες θέσεις (γέφυρες, πυλώνες, κλειστές διατομές) και σε τοξικά περιβάλλοντα. Επιπλέον πεδία εφαρμογής που ενδείκνυνται για το προτεινόμενο σύστημα είναι οι αεροναυπηγικές/αεροδιαστημικές κατασκευές και η ρομποτική. Σε κάθε περίπτωση, στόχος των εταίρων του έργου είναι το πιλοτικό σύστημα να αποτελέσει ένα πρώιμο στάδιο ανάπτυξης προϊόντος μαζικής παραγωγής.Το προτεινόμενο έργο εμπεριέχει την ανάπτυξη τεχνολογιών αιχμής σε ό, τι αφορά το σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός ηλεκτρομηχανικού συστήματος συνδεδεμένου με μικροηλεκτρονικό κύκλωμα αποθήκευσης και ασύρματης μετάδοσης. Οι τεχνολογίες αιχμής αφορούν: Την αξιοποίηση της ικανότητας των πιεζοηλεκτρικών να παράγουν αυξημένη ηλεκτρική ισχύ όταν εκτίθενται σε μη γραμμικές μετατοπίσεις.
Σύμφωνα με προηγούμενα ερευνητικά αποτελέσματα της ερευνητικής ομάδας του ΕΤΜΤ, η λειτουργία πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων υπό μεγάλες παραμορφώσειςαυξάνει ιδιαίτερα την ικανότητά τους να μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Ωστόσο, αποτελεί ένα χαρακτηριστικό τους το οποίο απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση για να καθοριστούν τα ιδανικά εύρη λειτουργίας για υψηλή απόδοση και προστασία της πιεζοηλεκτρικής διάταξης. Την ανάπτυξη κατάλληλης μηχανικής διάταξης ικανής για τη μέγιστη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το μηχανικό έργο. Την ενεργειακή απόδοση του συστήματος: Το ηλεκτρομηχανικό σύστημα θα σχεδιαστεί με γνώμονα τη μέγιστη δυνατή παραγωγή ενέργειας από τους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες στα πλαίσια ενός λογικού κόστους. Κατά το σχεδιασμό του ηλεκτρονικού κυκλώματος αποθήκευσης ενέργειας και ασύρματης μετάδοσης μετρήσεων θα επιλεγούν ηλεκτρονικά ελάχιστης ισχύος. Τη βελτιστοποίηση του συστήματος: Λαμβάνοντας υπόψη τις μετρήσεις από το βασικό πρωτότυπο, διαδικασία του σχεδιασμού του οριστικού πρωτοτύπου περιλαμβάνει βελτιστοποίηση του συστήματος. Η βελτιστοποίηση θα αφορά πρωτίστως την παραγόμενη ενέργεια και δευτερευόντως το βάρος και τη δομή των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Όσον αφορά στην πιλοτική εφαρμογή του ενεργειακά αυτόνομου συστήματος πρέπει να τονιστεί ότι με την εγκατάστασή του σε κινούμενα μέρη μια ανεμογεννήτριας μπορεί να επιτευχθούν τα εξής χαρακτηριστικά: 1.Μικρότερο κόστος σε ακριβά συστήματα slip ring τα οποία χρειάζονται ιδιαίτερες και χρονοβόρες συντηρήσεις 2.Χαμηλότεροι χρόνοι τακτικής συντήρησης (πτερύγια, κιβώτια ταχυτήτων, main shafts) που μειώνουντα γενικά κόστη συντήρησης 3.Ακριβής γνώση της κόπωσης του πτερυγίου και καλύτερη οργάνωση των προγραμματισμένων συντηρήσεών του 4.Αποφυγή αστοχίας πτερυγίου (τεράστιο κόστος) λόγω κόπωσης Όσον αφορά στην καινοτομία του ΕνΑυΣυ, επισημαίνεται ότι δεν υπάρχουν παρόμοια συστήματα, είτε ενεργειακά αυτόνομα είτε με χρήση μπαταριών. Όλες οι εταιρείες χρησιμοποιούν slip ring units