Detail předmětu

Alternativní zdroje energie v mechatronice

FSI-RAEAk. rok: 2019/2020

Předmět seznamuje studenty s alternativními možnostmi napájení autonomních jednotek a moderních bezdrátových aplikací. Tradičními zdroji elektrické energie pro bezdrátové aplikace jsou galvanické zdroje. Cílem moderních technologií je náhrada těchto zdrojů zařízeními, které získávají elektrickou energii z okolí přímo v místě energetické potřeby. V rámci předmětu se studenti seznámí s různými alternativami napájení bezdrátových technologií, využívajících okolní energie (Energy Harvesting) v místě umístění aplikace. Jsou představeny solární, termoelektrické a elektromechanické generátory. Hlavní náplní předmětu je studium elektromechanické přeměny mechanické energie vibrací, rázů, deformace, lidského chování atd., a simulační modelování „Energy Harvesting“ systémů.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky (ÚMTMB)

Výsledky učení předmětu

Předmět se zabývá přehledem nezávislých způsobů generování elektrické energie z okolí pro autonomní napájení bezdrátových senzorů a jiné nízkovýkonové elektroniky. Studenti budou schopni systémové analýzy zdrojů okolní energie pro napájení konkrétní aplikace, volby nejvhodnějšího způsobu napájení moderní elektroniky a simulačního modelování zvoleného řešení založeného na elektromechanické přeměně.

Prerekvizity

Znalosti kinematiky a dynamiky, řešení diferenciálních rovnic druhého řádu, zákony elektromechanické přeměny energie, zákony zachování energie, základní znalosti měření elektrických a neelektrických veličin, simulační software Matlab-Simulink a ANSYS (základní znalosti).

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Výuka je doplněna laboratorním cvičením.

Způsob a kritéria hodnocení

Studenti zpracují protokoly z praktických úloh a laboratoří a vypracují závěrečný projekt. Úspěšné zvládnutí všech požadavků, které je nezbytné pro udělení klasifikovaného zápočtu, vyhodnocuje vyučující.

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty s principy a perspektivními metodami získávání elektrické energie z okolního prostředí, tzn. metodami elektromechanické přeměny, s fotovoltaickými články a termoelektrickými generátory. Důraz je kladen na porozumění fyzikálním principům elektromechanické přeměny a na zvládnutí simulačního modelování těchto mechatronických zařízení.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Účast na cvičení je povinná. Nepřítomnost se nahrazuje zvláštním zadáním podle pokynů cvičícího.

Základní literatura

Fiala, P., Kadlecová, E.: Modelování elektromagnetických polí, FEKT VUT v Brně, 2005. (CS)
Grepl, R.: Modelování mechatronických systémů v Matlab/SimMechanics, BEN, 2007. (CS)
Shashank Priya, Daniel J. Inman: Energy Harvesting Technologies, Springer US, 2009 (EN)

Doporučená literatura

Adams, Thomas M., Layton, Richard A.: Introductory MEMS Fabrication and Applications, 2010. (EN)
Mukherjee, S., et al.: AmIware Hardware Technology Drivers of Ambient Intelligence, Philips Research Book Series Vol. 5, Springer Netherlands, 2006. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program M2A-P magisterský navazující

    obor M-MET , 2 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
    obor M-IMB , 2 ročník, zimní semestr, povinně volitelný

  • Program M2I-P magisterský navazující

    obor M-AIŘ , 2 ročník, zimní semestr, volitelný (nepovinný)
    obor M-AIŘ , 2 ročník, zimní semestr, volitelný (nepovinný)

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.
Ing. Ondřej Rubeš, Ph.D.

Osnova

1. Zdroje energie v mechatronice: „Energy Harvesting“ - alternativa pro bezdrátové aplikace
2. Fotovoltaické články
3. Termoelektrické generátory
4. Elektromechanická přeměna – základní principy
5. Elektromechanická přeměna – energetická analýza generování energie z vibrací
6. Elektromagnetický princip
7. Materiály a konstrukce elektromagnetických generátorů
8. Energy harvesting generátor jako mechatronická soustava
9. Piezoelektrický princip
10. Piezoelektrické materiály a další smart materiály
11. Akumulace energie, Elektronika - Power management
12. Bezdrátové snímače a sítě
13. MEMS

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.
Ing. Ondřej Rubeš, Ph.D.

Osnova

1. Energetická analýza autonomní mechatronické soustavy
2. Modely solárních článků a termogenerátorů
3. Model termoelektrického modulu
4. Model termoelektrické soustavy s chladiči
5. Mechanická energie
6. Modely elektromagnetické přeměny
7. Modelování magnetického pole permanentních magnetů
8. Simulační model komplexního elektromagnetického generátoru
9. Měření energy harvesting generátoru
10. Modelování piezoelektrických elementů a základní analýzy
11. Modelování piezo-generátoru
12. Model výkonové elektroniky
13. Prezentace závěrečných prací studentů