Chytré technologie a materiály v mechatronice (FSI-RAE-A)

Akademický rok 2023/2024
Garant: doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMTMB všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: angličtina
Cíle předmětu:
Cílem předmětu je seznámit studenty s konceptem Průmyslu 4.0 a postavením internetu věcí a bezdrátových snímačů v tomto konceptu. Studenti se seznámí s principy chytrých materiálů a perspektivními metodami získávání elektrické energie z okolního prostředí především pro komunikační zařízení internetu věcí. Studenti získají základní vědomosti v oblasti fotovoltaických článků, termoelektrických generátorů a MEMS aplikací. Důraz je kladen na porozumění fyzikálních principům elektromechanické přeměny okolní kinetické energie a chování piezoelektrických materiálů.
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 kyber-fyzikálních systémů a zdrojů okolní energie pro napájení/snímání konkrétní technické aplikace.
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 moderními technologiemi a materiály, především alternativními možnostmi napájení moderních bezdrátových aplikací a využití těchto systémů a materiálů v konceptu Průmyslu 4.0. V rámci předmětu se studenti seznámí se základními principy a alternativami napájení a snímaní s využitím projevů okolní energie (Energy Harvesting). Jako energy harvesting zdroje jsou představeny solární, termoelektrické a elektromechanické generátory. Podstatná část předmětu se věnuje tzv. SMART materiálům a jejich technickým aplikacím. Hlavní náplní předmětu je studium efektivní elektromechanické přeměny mechanické energie vibrací, rázů, deformace a lidského chování s využitím simulačního 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, prezentují rešerši na vybrané téma 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. Průmysl 4.0 a chytré technologie
2. Představení aplikací internetu věcí a „Energy Harvesting“ technologií
3. Fotovoltaické články
4. Termoelektrické generátory
5. Elektromechanická přeměna – základní principy
6. Elektromechanická přeměna – energetická analýza generování energie z vibrací
7. Energy harvesting generátor jako mechatronická soustava
8. Elektromagnetické zdroje energie
9. Chytré materiály a piezoelektrické zdroje energie
10. Chování piezoelektrických materiálů v technických soustavách
11. Akumulace energie, Elektronika - Power management
12. Využití "energy harvesting" technologií v technické praxi
13. MEMS
    Laboratorní cvičení 1. Energetická analýza autonomní mechatronické soustavy
2. Modely solárních článků a termogenerátorů
3. Model termoelektrického modulu
4. Měření a analýza vibrací strojů z pohledu energy harvesting
5. Mechanická energie jako autonomní zdroj
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  
N-MET-P prezenční studium --- bez specializace -- kl 5 Povinně volitelný 2 2 Z
N-IMB-P prezenční studium IME Inženýrská mechanika -- kl 5 Povinně volitelný 2 2 Z
N-IMB-P prezenční studium BIO Biomechanika -- kl 5 Povinně volitelný 2 2 Z
N-ENG-Z příjezd na krátkodobý studijní pobyt --- bez specializace -- kl 5 Doporučený kurs 2 1 Z