Flexible Solar Energy Harvesting and Fabric-Based Circuits: A Framework for Wearable Power Electronics
Esnek Güneş Enerjisi Hasadı ve Kumaş Tabanlı Devreler: Giyilebilir Güç Elektroniği için Bir Çerçeve
- Tez No: 952272
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KATHERİNE ANN KİM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ulusal Tayvan Unıversıtesı (natıonal Taıwan Unıversıty)
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Güneş enerjisi hasadı, biyomekanik, sağlık izleme ve kişisel sağlık gibi alanlarda kullanılan giyilebilir cihazlarda pil bağımlılığını azaltmak için uygun bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Bu cihazlar sensörler, işlemciler ve iletişim için sürekli güce ihtiyaç duymaktadır, ancak geleneksel pillere bağımlılık kısa ömür, hacim ve çevresel etki gibi sınırlamalar getirmektedir. Giyilebilir teknoloji ilerledikçe, işlevselliği sağlarken esneklik, uyumluluk ve daha fazla konfor gibi tasarım zorluklarını ele alan verimli, entegre enerji çözümlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez, bu zorluklara odaklanmakta ve ön kolda bulunan ticari olarak temin edilebilen esnek fotovoltaik (PV) panelleri kullanarak güneş enerjisiyle çalışan kol tabanlı bir cihaz ve güç yönetim sistemi için tasarım hususlarını özetlemektedir. Kol eğriliği, panel boyutlandırma, düzenleme ve yerleştirmenin etkileri araştırılmıştır. Kol boyutunun, güç çıkışında gelen ışık açısı kadar büyük bir faktör olmadığı bulunmuştur, bu da bir kollu hasat makinesinin bir popülasyon genelinde genelleştirilebileceği anlamına gelmektedir. Çeşitli dış mekan kullanım durumları altında yapılan testler, PV manşonunun dış mekanda 118,7 mW'a kadar güç üretebildiğini ve bunun çoğu algılama ve izleme uygulaması için yeterli olduğunu göstermiştir. Ayrıca, harcanabilir güneş enerjisinden etkin bir şekilde faydalanmak için kritik öneme sahip olan kumaş tabanlı güç dönüştürücülerin montajı için hibrit elektronik tekstil (e-tekstil) tabanlı bir yaklaşım tanıtılmıştır. Bu yaklaşım, kumaşa uygun devrelerin tasarlanmasını sağlayarak geleneksel sert ve esnek baskılı devre kartlarının (PCB'ler) sınırlamalarının üstesinden gelmeyi ve güç yönetimi uygulamaları için yumuşak ve giyilebilir elektroniklerin geliştirilmesine izin vermeyi amaçlamaktadır. İlk olarak, iletken kumaşları ve bakır folyoyu birleştiren el yapımı bir prototip sunulmuş ve kavram kanıtı olarak test edilmiştir. Daha sonra, kumaş alt tabakalar üzerinde hassas ve tekrarlanabilir düzenler oluşturmak için vinil kesiciler gibi erişilebilir araçları içeren geliştirilmiş ve kolaylaştırılmış bir devre tasarım metodolojisi özetlenmiştir. Metodoloji, giyilebilir cihazların güç yönetimi ihtiyaçlarını karşılamada bu yaklaşımın pratikliğini ve etkinliğini gösteren %86 ila 90 arasında verimlilik elde eden birkaç işlevsel prototipin geliştirilmesiyle değerlendirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Solar energy harvesting is emerging as a viable solution to reduce battery dependency in wearable devices used in areas like biomechanics, health monitoring, and personal wellness. These devices require continuous power for sensors, processors, and communication, but reliance on traditional batteries poses limitations such as short lifespan, bulkiness, and environmental impact. As wearable technology advances, efficient, integrated energy solutions are needed that address design challenges like flexibility, conformability, and user comfort while ensuring functionality. This dissertation focuses on these challenges and outlines design considerations for a solar-powered sleeve-based device and its power management system using commercially-available flexible photovoltaic (PV) panels located on the forearm. The effects of arm curvature, panel sizing, arrangement, and placement are explored. The arm size is found to be not as big of a factor in power output as the incident light angle, meaning a sleeve harvester could be generalizable across a population. Tests under various outdoor use cases demonstrated that the PV sleeve could generate up to 118.7 mW outdoors, which is sufficient for most sensing and monitoring applications. Additionally, a hybrid electronic textile (e-textile) -based approach is introduced for assembling fabric-based power converters, which are critical for effectively utilizing harvested solar energy. This approach aims to overcome the limitations of traditional rigid and flexible printed circuit boards (PCBs) by enabling the design of circuits that conform to fabric, allowing the development of soft and wearable electronics for power management applications. First, a handmade prototype combining conductive fabrics and copper foil is presented and tested as a proof of concept. An improved and streamlined circuit design methodology is then outlined, incorporating accessible tools such as vinyl cutters to create precise and reproducible layouts on fabric substrates. The methodology is validated through the development of several functional prototypes, achieving efficiencies between 86 to 90%, demonstrating the practicality and effectiveness of this approach in meeting the power management needs of wearable devices.
Benzer Tezler
- Development of polymer based fibers with photovoltaic effect
Fotovoltaik etki oluşturan polimerik liflerin geliştirilmesi
KÜBRA İLGEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DEMİR
- Production of dye sensitized solar cell and optimization of production parameters
Boya uyarımlı güneş pillerinin üretimi ve üretim parametrelerinin optimizasyonu
RAMAZAN ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Akridin esaslı bazı yeni bileşiklerin sentezi ve boya duyarlı güneş hücrelerinde uygulamaları
Synthesis of some new acridine-based compounds and applications in dye-sensitive solar cell
NAGİHAN ÖZTÜRK
- Kinolin ve siyanovinilbenzoik asit içeren bileşiklerin duyarlaştırıcı boya olarak güneş hücrelerinde kullanımı
Investigation of compounds containing cyanovinylbenzoic acid and quinoline as sensitizers in solar cells
SERAP USLU
- Küçük ölçekli bir piezoelektrik rüzgar enerjisi hasat sisteminin açık kaynaklı akışkan yapı etkileşim modelinin oluşturulması
Development of an open-source fluid-structure interaction model of a small-scale piezoelectric wind energy harvesting system
TURAN MIRZALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN TURAN