Detail předmětu
Chytré technologie a materiály v mechatronice
FSI-RAE-A Ak. rok: 2022/2023 Zimní semestr
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.
Jazyk výuky
angličtina
Počet kreditů
5
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
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 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).
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, prezentují rešerši na vybrané téma 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 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.
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.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program N-MET-P: Mechatronika, magisterský navazující, povinně volitelný
Program N-IMB-P: Inženýrská mechanika a biomechanika, magisterský navazující
specializace BIO: Biomechanika, povinně volitelný
Program N-IMB-P: Inženýrská mechanika a biomechanika, magisterský navazující
specializace IME: Inženýrská mechanika, povinně volitelný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
13 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
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
26 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
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