Alternativní zdroje energie v mechatronice (FSI-RAE)

Akademický rok 2020/2021
Garant: prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMTMB všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
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.
Výstupy studia a kompetence:
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).
Obsah předmětu (anotace):
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.
Metody vyučování:
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.
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.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 1 hod. nepovinná                  
    Laboratorní cvičení  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 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 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
Literatura - základní:
1. Shashank Priya, Daniel J. Inman: Energy Harvesting Technologies, Springer US, 2009
2. Olfa Kanoun: Energy Harvesting for Wireless Sensor Networks: Technology, Components and System Design, De Gruyter Oldenbourg, 2018.
3. A. K. Batra, Almuatasim Alomari: Power Harvesting Via Smart Materials, SPIE 2017.
4. Fiala, P., Kadlecová, E.: Modelování elektromagnetických polí, FEKT VUT v Brně, 2005.
5. Grepl, R.: Modelování mechatronických systémů v Matlab/SimMechanics, BEN, 2007.
Literatura - doporučená:
1. Tom J. Kaźmierski (Editor), Steve Beeby (Editor): Energy Harvesting Systems: Principles, Modeling and Applications, Springer, 2011.
2. Mukherjee, S., et al.: AmIware Hardware Technology Drivers of Ambient Intelligence, Philips Research Book Series Vol. 5, Springer Netherlands, 2006.
3. Adams, Thomas M., Layton, Richard A.: Introductory MEMS Fabrication and Applications, 2010.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
M2I-P prezenční studium M-AIŘ Aplikovaná informatika a řízení P pro absolventy B-AIŘ kl 5 Volitelný 2 2 Z
M2I-P prezenční studium M-AIŘ Aplikovaná informatika a řízení -- kl 5 Volitelný 2 2 Z
M2A-P prezenční studium M-IMB Inženýrská mechanika a biomechanika -- kl 5 Povinně volitelný 2 2 Z
M2A-P prezenční studium M-MET Mechatronika -- kl 5 Povinně volitelný 2 2 Z