Vibration energy harvesting is an attractive technique for potential powering of low power devices such as wireless sensors and portable electronic applications. Most energy generator developed to date are single vibration frequency based, and while some efforts have been made to broaden the frequency range of energy harvester. In this work, The effect of energy harvesting were investigated at various vibration frequencies, vibration beams, vibration point and test masses. The maximum output voltage of the bimorph piezoelectric cantilever was shifted according to vibration point. Vibration frequency with maximum output voltage decreased with the increasing length of vibration beam and increasing test mass. The sample with vibration beam length 0.5 L generated a peak output voltage of 32 $V_{rms}$ and shows a 45 % increase in voltage output in comparison to the corresponding original bimorph. It was found that a piezoelectric bimorph has a possibility to be as the energy harvesting cantilever, which is successfully tuned over a vibration frequency range to enable a maximum harvesting energy.
The possibility of energy harvesting as well as controlled vibration of a three-layered beam consisting of two piezoelectric layer and one core layer made of nonpiezoelectric material is investigated using paradox-free local/nonlocal theory. The three-layered nanobeam is resting on an elastic foundation and subjected to a blast load. Also, the core layer is made of Nano-composites reinforced by CNTs and carbon fibers (MHCD). Governing equations as well as boundary conditions are obtained using Hamilton,s principle. The equations discretized by Generalized Differential Quadrature Method (GDQM) and solved by Newmark beta method. In addition, two differential and integral gains are employed for controlling the forced vibration. The size-dependency of the elastic foundation is considered using two-phase elasticity. The effect of elastic foundation, control gains, nonlocal factor, as well as parameters affecting the core material on the forced vibration and energy harvesting is investigated in detail. The equations as well as solution procedure is validated utilizing some compassion studies. This work can be a basis for future studies on energy harvesting and controlled vibration in small scales.
본 연구는 다양한 에너지 하비스팅 기술들 중 압전 기술과 전자기 유도 방식을 조합한 에너지 블록 구조를 개발하고 발전성능 평가를 수행한다. 본 연구의 목적은 개발된 에너지 하비스팅 블록의 주택 도시 분야 적용성을 평가하기 위한 것이다. 본 연구는 동적 특성을 분석하기 위하여 유한요소 해석을 실시하고, 실험실 규모의 다층 에너지 하비스터의 현 발전수준을 평가하여 제시하였다. 그 다음으로 증폭기술이 적용된 프로토타입의 특징을 설명하고 개발된 프로토 타입 모듈의 발전성능을 다각적으로 평가하여 제시하였다.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제16권3호
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pp.255-260
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2016
In this paper, a full-wave rectifier (FWR) with a simple vibration detector suitable for use with vibrational energy harvesting systems is presented. Conventional active FWRs where active diodes are used to reduce the diode voltage drop and increase the system efficiency are usually powered from the output. Output-powered FWRs exhibit relatively high efficiencies because the comparators used in active diodes are powered from the stable output voltage. Nevertheless, a major drawback is that these FWRs consume power from the output storage capacitor even when the system is not harvesting any energy. To overcome the problem, a technique using a simple vibration detector consisting of a peak detector and a level converter is proposed. The vibration detector detects whether vibrational energy exists or not in the input terminal and disables the comparators when there is no vibrational energy. The proposed FWR with the vibration detector is designed using a $0.35-{\mu}m$ CMOS process. Simulation results have verified the effectiveness of the proposed scheme. By using the proposed vibration detector, a decrease in leakage current by approximately 67,000 times can be achieved after the vibration disappears.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제18권3호
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pp.579-587
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2017
Spaceborne cryocoolers produce undesirable micro-vibration disturbances during their on-orbit operation, which are a primary source of image-quality degradation for high-resolution observation satellites. Therefore, to comply with the strict mission requirement of high-quality image acquisition, micro-vibration disturbances induced by cooler operation have always been subjected to an isolation objective. However, in this study, we focused on the applicability of energy harvesting technology to generate electrical energy from micro-vibration energy of the cooler and investigated the feasibility of utilizing harvested energy as a power source to operate low-power-consumption devices such as micro-electromechanical system (MEMS) devices. A tuned mass damper (TMD)-type electromagnetic energy harvester combined with a conventional passive vibration isolator was proposed to achieve this objective. The system performs the dual functions of electrical energy generation and micro-vibration isolation. The effectiveness of the strategy was evaluated through numerical simulations.
Theoretical analysis is performed on a multi-mode energy harvester design with focus on the first two vibration modes. Based on the analysis, a modification is proposed for designing a novel adaptive multi-mode energy harvester. The device comprises a simply supported beam with distributed mass and piezoelectric elements, and an adaptive damper that provides a 180 degree phase shift for the motions of two supports only at the second vibration mode. Theoretical analysis and numerical simulations show that the new design can efficiently scavenge energy at the first two vibration modes. The energy harvesting capability of the multi-mode energy harvester is also compared with that of a cantilever-based energy harvester for single-mode vibration. The results show that the energy harvesting capacity is affected by the damping ratios of different designs. For fixed damping ratio and design dimensions, the multi-mode design has higher energy harvesting capacity than the cantilever-based design.
This paper presents a method of design for the energy harvesting of a piezoelectric cantilever beam. Vibration modes have strain nodes where the strain distribution changes in the direction of the beam length. Covering the strain nodes of the vibration modes with continuous electrodes effects a cancellation of the voltages outputs. The use of segmented electrodes avoids cancellations of the voltage for multi-mode vibration. The resistive load affects the voltage and generated power. The optimum resistive load is considered for segmented and continuous electrodes, and then the power output is verified. One of the effective parameters on energy harvesting performance is the existence of concentrated mass. This topic is studied in this paper. Resonance and off-resonance cases are considered for the harvester. In this paper, both theoretical and experimental methods are used for satisfactory results.
This paper presents the design and the application of a new self-powered hybrid electromagnetic damper that can harvest energy while mitigating the vibration of a structure. The damper is able to switch between an energy harvesting passive mode and a semi-active mode depending on the amount of energy harvested and stored in the battery. The energy harvested in the passive mode resulting from the suppression of vibration is employed to power up the monitoring and electronic components necessary for the semi-active control. This provides a hybrid control capability that is autonomous in terms of its power requirement. The proposed hybrid circuit design provides two possible options for the semi-active control: without energy harvesting and with energy harvesting. The device mechanism and the circuitry that can drive this self-powered electromagnetic damper are described in this paper. The parameters that determine the device feasible force-velocity region are identified and discussed. The effectiveness of this hybrid damper is evaluated through a numerical simulation study on vibration mitigation of a bridge stay cable under wind excitation. It is demonstrated that the proposed hybrid design outperforms the passive case without external power supply. It is also shown that a broader force range, facilitated by decoupled passive and semi-active modes, can improve the vibration performance of the cable.
The possibility of energy harvesting as well as vibration of a three-layered beam consisting of two piezoelectric layers and one core layer made of nonpiezoelectric material is investigated using nonlocal strain gradient theory. The three-layered nanobeam is resting on an elastic foundation. Hamilton's principle is used to derive governing equations and associated boundary conditions. The generalized differential quadrature method (GDQM) was used to discretize the equations, and the Newmark beta method was used to solve them. The size-dependency of the elastic foundation is considered using two-phase elasticity. The equations, as well as the solution procedure, are validated utilizing some compassion studies. This work can be a basis for future studies on energy harvesting of small scales.
This paper is concerned with the development of piezoelectric energy harvesting device. Literature survey was carried out to investigate the state-of-art technology regarding piezoelectric energy harvesting method. It shows that the piezoelectric energy harvesting system has been researched as the needs for the auxiliary power system grow for ubiquitous sensor node. In this study, the piezoelectric energy harvesting system was constructed and the corresponding electric circuit was also built to investigate the power characteristics. Experimental results show that it can charge the small battery with ambient vibrations but still needs an effective mechanism to collect ambient energies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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