This paper presents an impact-based piezoelectric vibration energy harvester using a freely movable metal sphere and a piezoceramic fiber-based MFC (Macro Fiber Composite) as piezoelectric cantilever. The free motion of the metal sphere, which impacts both ends of the cavity in an aluminum housing, generates power across a cantilever-type MFC beam in response to low frequency vibration such as human-body-induced motion. Impacting force of the spherical proof mass is transformed into the vibration of the piezoelectric cantilever indirectly via the aluminum housing. A proof-of-concept energy harvesting device has been fabricated and tested. Effect of the indirect impact-based system has been tested and compared with the direct impact-based counterpart. Maximum peak-to-peak open circuit voltage of 39.8V and average power of $598.9{\mu}W$ have been obtained at 3g acceleration at 18Hz. Long-term reliability of the fabricated device has been verified by cyclic testing. For the improvement of output performance and reliability, various devices have been tested and compared. Using device fabricated with anodized aluminum housing, maximum peak-to-peak open-circuit voltage of 34.4V and average power of $372.8{\mu}W$ have been obtained at 3g excitation at 20Hz. In terms of reliability, housing with 0.5mm-thick steel plate and anodized aluminum gave improved results with reduced power reduction during initial phase of the cyclic testing.
Kim, Young-Han;Ahn, Hyun-Seok;Yoon, Changseok;Lim, Yongseok;Lim, Seung-ok;Yoon, Myung-Hyun
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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제11권2호
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pp.1250-1264
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2017
This paper presents the architecture design, implement, experimental validation of a bistatic backscatter wireless communication system in Wi-Fi network. The operating principle is to communicate a tag's data by detecting the power level of the power modulated Wi-Fi packets to be reflected or absorbed by backscatter tag, in interconnecting with Wi-Fi device and Wi-Fi AP. This system is able to provide the identification and sensor data of tag on the internet connectivity without requiring extra device for reading data, because this uses an existing Wi-Fi AP infrastructure. The backscatter tag consists of Wi-Fi energy harvesting part and a backscatter transmitter/a power-detecting receiver part. This tag can operate by harvesting and generating energy from Wi-Fi signal power. Wi-Fi device decodes information of the tag data by recognizing the power level of the backscattered Wi-Fi packets. Wi-Fi device receives the backscattered Wi-Fi packets and generates the tag's data pattern in the time-series of channel state information (CSI) values. We believe that this system can be achieved wireless connectivity for ultra- low-power IoT and wearable device.
본 연구의 목적은 웨어러블 에너지 하베스팅의 전도사를 통한 효율적인 전력 전달을 위해 전도사 자수 스트치 회로에서 각도와 굽힘의 개수가 저항에 미치는 영향을 분석하고 실제 태양광 패널과의 연결을 통해 손실 전력의 변화를 연구하는 것이다. 본 연구에서는 전도사 스티치 회로의 각도를 30˚부터 180˚까지 30˚단위로 설계하였으며 저항의 측정은 analog discovery2 장비를 활용하여 측정한다. 측정한 저항값을 분석하여 저항값이 급격히 변화하는 각도의 구간에서는 5˚단위로 다시 측정하여 분석한다. 이후 분석 결과를 토대로 전도사에 가해지는 장력이 수렴하는 각도를 분석하고 해당 각도에서 스티치의 굽힘 개수를 달리하여 다시 저항을 측정한다. 스티치의 각도가 줄어들수록, 굽힘의 개수가 늘어날수록 저항은 줄어듦을 확인하고 연구결과를 토대로 스티치로 인한 손실 전력을 계산한 결과 전도사 자수 스티치가 일반적인 자수에 비해 1.61배의 손실 전력을 줄일 수 있음을 고찰한다. 이러한 결과는 웨어러블 에너지 하베스팅의 전도사를 통한 전달에서 자수의 스티치가 전력 전달에 중요한 영향을 미치는 것을 시사한다. 본 연구결과를 기반으로 후속 연구에서는 곡선 형태의 스티치, 전도사의 개수 등 다양한 형태의 스티치를 비교 분석하여 웨어러블 에너지 하베스팅이 보다 효율적으로 생산 후 저장될 수 있도록 하는 전도사 회로 설계 기술을 개발하고자 한다.
In this paper, in order to develop excellent composition ceramics for a piezoelectric energy- harvesting device, we synthesized $0.99(Na_{0.52}\;K_{0.443}\;Li_{0.037})(Nb_{0.883}\;Sb_{0.08}\;Ta_{0.037})O_3$ + $0.01(Sr_{0.95}Ca_{0.05})TiO_3$ + $0.3\;wt%\;Bi_2O_3\;+\;0.3\;wt%\;Fe_2O_3\;+\;0.3\;wt%\;CuO$ (abbreviated as NKN-SCT) ceramics with different sintering times, using the ordinary solid-state reaction method. The effect of sintering time on the microstructure and piezoelectric properties was investigated. The ceramics with the sintering time of 7 h have the optimum values of the piezoelectric constant ($d_{33}$), piezoelectric voltage constant ($g_{33}$), planar piezoelectric coupling coefficient (kp), mechanical quality factor (Qm), and dielectric constant (${\varepsilon}r$): $d_{33}=314[pC/N]$, $g_{33}=20.07[10^{-3}mV/N]$, kp = 0.442, Qm = 93, ${\varepsilon}r=1,768$, all being suitable for a piezoelectric energy-harvesting device.
Owing to the rapid growth of mobile and electronic equipment miniaturization technology, the supply of micro mobile computing machine has been fast raised. Accordingly they have performed many researches on energy harvesting technology to provide promising power supply equipment to substitute existing batteries. In this paper, in order to have low resonance frequency for piezoelectric energy harvester, we have tried to make it larger than before by adopting nickel that has much higher density than silicon. We have applied it for our energy harvesting actuator instead of the existing silicon based actuator. Through such new concept and approach, we have designed energy harvesting device and made it personally by making with micromachining process. The energy harvester structure has a cantilever type and has a dimension of $10{\times}2.5{\times}0.1\;mm^3$ for length, width and thickness respectively. Its electrode type is formed by using Au/Ti of interdigitate d33 mode. The pattern size and gap size is 50 ${\mu}m$. Based on the measurement of the nickel-based piezoelectric energy harvester, it is found to have 778 Hz for a resonant frequency with no proof mass. In that resonance frequency we could get a maximum output power of 76 ${\mu}W$ at 4.8 $M{\Omega}$ being applied with 1 g acceleration.
Abderrahmane Berkani;Mofareh Hassan Ghazwani;Karim Negadi;Lazreg Hadji;Ali Alnujaie;Hassan Ali Ghazwani
Ocean Systems Engineering
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제14권1호
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pp.17-52
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2024
In this paper, the authors explore the modeling and control of a point absorber wave energy converter, which is connected to the electric grid via a power converter that is based on a linear permanent magnet synchronous generator (LPMSG). The device utilizes a buoyant mechanism to convert the energy of ocean waves into electrical power, and the LPMSG-based power converter is utilized to change the variable frequency and voltage output from the wave energy converter to a fixed frequency and voltage suitable for the electric grid. The article concentrates on the creation of a predictive control system that regulates the speed, voltage, and current of the LPMSG, and the modeling of the system to simulate its behavior and optimize its design. The predictive model control is created to guarantee maximum energy output and stable grid connection, using Matlab Simulink to validate the proposed strategy, including control side generator and predictive current grid-side converter loops.
We present a piezoelectric energy harvester with stopper-engaged dynamic magnifier which is capable of significantly increasing the operating bandwidth and the energy (power) harvested from a broad range of low frequency vibrations (<30 Hz). It uses a mass-loaded polymer beam (primary spring-mass system) that works as a dynamic magnifier for another mass-loaded piezoelectric beam (secondary spring-mass system) clamped on primary mass, constituting a two-degree-of-freedom (2-DOF) system. Use of polymer (polycarbonate) as the primary beam allows the harvester not only to respond to low frequency vibrations but also generates high impulsive force while the primary mass engages the base stopper. Upon excitation, the dynamic magnifier causes mechanical impact on the base stopper and transfers a secondary shock (in the form of impulsive force) to the energy harvesting element resulting in an increased strain in it and triggers nonlinear frequency up-conversion mechanism. Therefore, it generates almost four times larger average power and exhibits over 250% wider half-power bandwidth than those of its conventional 2-DOF counterpart (without stopper). Experimental results indicate that the proposed device is highly applicable to vibration energy harvesting in automobiles.
As energy harvesting technology becomes important in relation to environmental issues, piezoelectric materials that convert mechanical energy into electrical energy are attracting attention. However, PZT, a representative material for piezoelectricity, is becoming difficult to use due to the problem that its components can cause environmental pollution. For this reason, recent research suggests a triboelectric nanogenerator (TENG) that generates energy through the combined effect of triboelectricity and electric induction for alternative piezoelectric devices. In TENG, electrical power is determined by the dielectric constant, thickness, and grain generation of the charged material. Therefore, in this study, a Rutile phase TiO2 thin film with high dielectric constant was formed using the spin-coating process and the effect of annealing was investigated. For electrical analysis, a TENG device was fabricated using PTFE as a material with an opposite charge, and electrical output according to film thickness and grain formation was comparatively analyzed.
Stretchable piezoelectric energy harvester (S-PEHs) based on composite materials are considered one of the potential candidates for realizing wearable self-powered devices for smart clothing and electronic skin. However, low energy conversion performance and expensive stretchable electrodes are major bottlenecks hindering the development and application of S-PEHs. Here, we fabricated the S-PEH by adopting the piezoelectric composites with enhanced stress transfer properties and kirigami-patterned textile electrodes. The optimum contents of piezoelectric BaTiO3 nanoparticles inside the carbon nanotube/ecoflex composite were selected as 30 wt% considering the trade-off between stretchability and energy harvesting performance of the device. The final S-PEH shows an output voltage and mechanical stability of ~5 V and ~3,000 cycles under repeated 150% of tensile strain, respectively. This work presents a cost-effective and scalable way to fabricate stretchable piezoelectric devices for self-powered wearable electronic systems.
This study is based on research on a magnetic induction amplification power generation system using quantum fluctuations, and aims to confirm the similarity to the meissner effect through quantum analysis using magnets and suggest the possibility of utilizing alternative energy. Research was conducted on increasing the efficiency of motors based on the similarity between magnetic quantum array experimental devices and the superconductor phenomenon. It was confirmed that the experimental device that arranged the quantum of magnetism rotated by canceling out the magnetism by having a resistance value of "0", which is not a general characteristic of magnetism that generates attractive force. This is an observation of the similarity between the superconductor phenomenon and the meissner effect, and it was confirmed that material synthesis or temperature had little effect. This study confirmed that the efficiency is more than 20 times that of existing power on average. Therefore, this study suggests that there is a possibility of commercialization of an Energy Harvesting System (EHS) that can produce and store energy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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