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.
Kim, Chang Il;Yun, Ji Sun;Park, Woon-Ik;Jeong, Young-Hun;Hong, Youn Woo;Cho, Jeong-Ho;Paik, Jong Hoo
Journal of Sensor Science and Technology
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v.26
no.2
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pp.107-113
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2017
Energy source of a piezo-electric harvester is vibration. Sources of vibration are machineries operated with high frequencies, constructions and people operated with low frequencies and etc. In this study, we tried to figure out power generation properties over vibrations upon angles of a piezo-cantilever for applying them to movements of the construction and/or people, which are vibration sources at low frequencies. A uni-morph cantilever with a $59mm{\times}29mm{\times}0.2mm$ piezo-electric element attached on a $71mm{\times}46mm{\times}0.25mm$ copperplate was used. A spring was attached to the lower side of the cantilever and a mass was attached on the opposite side. Also, a structure with a specific angle which is an angle in between the ground and the cantilever was prepared and then, connected to a spring or the cantilever. Then, this structure was divided into the A-type and B-type and excited in the direction of z- axis. After that, the angle between the ground and the cantilever was changed and excited by 1 to 10 Hz upon the existence of a spring and/or a mass to compare power generation properties.
An acoustic vector sensor is a device that is capable of measuring the direction of wave propagation and the acoustic pressure. In this paper, the modeling of micro-cantilever sensor for the vector sensor are proposed by consideration of acoustic phenomenon in water. Two models based on unimorph structure are proposed in this paper and corresponding transfer function which describes the relation between input pressure wave and output voltage depending on incidence angle and frequency of pressure wave is derived based on lumped model. It has been shown that very thin and flexible micro-cantilever can be used to measure directly the particle velocity component in water.
Kim, Chang Il;Kwon, Tae Hyeong;Yeo, Seo Yeong;Yun, Ji Sun;Jeong, Young Hun;Hong, Youn Woo;Cho, Jeong Ho;Paik, Jong Hoo
Journal of Sensor Science and Technology
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v.27
no.2
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pp.112-117
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2018
In this study, a bender-type piezoelectric energy harvester was fabricated and evaluated to compensate for the disadvantages of high-power generation only in the resonance frequency range of a piezoelectric harvester using a piezoelectric cantilever. The generated power was investigated according to various changes in the vibration environment. Compared with the piezoelectric cantilever module, the bender-type piezoelectric module showed a larger number of peak voltages. The primary peak voltage shifted toward the low frequency when the spring was coupled to the bender-type piezoelectric module. The harvester of the three bender-type modules had a vibration frequency exceeding 1 mW in the 34-45 Hz range and generated 3.112 mW of power at the vibration frequency of 38 Hz. The harvester of the six bender-type modules had a vibration frequency exceeding 1 mW in the 31-45 Hz range and generated 3.081 mW of power at the vibration frequency of 35 Hz.
Kim, Chul-Min;Kim, Chang-Il;Lee, Joo-Hee;Paik, Jong-Hoo;Cho, Jeong-Ho;Chun, Myoung-Pyo;Jeong, Young-Hun;Lee, Young-Jin
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.11
no.5
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pp.206-211
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2010
Piezoelectric energy harvesting uses piezoelectric, which is able to convert unused mechanical vibration energy to electrical energy, such as with motor and machinery. The piezoelectric energy harvester was constructed with a cantilever made of lead zirconate titanate with a metal plate. The primary material was soft lead zirconium titanate (PZT-5H) due to the large strain availability, acceptable mechanical strength and high piezoelectric constant. This technique's drawback is that the energy efficiency is lower than the other energy harvesting methods, but this study increases the output electric power efficiency by analyzing a finite element method for the structure of the piezoelectric energy harvester. We manufactured two cantilever types as follows: the L-60 and L-33 bimorph piezoelectric energy harvesters. Their resulting energy harvesters were able to obtain high voltage values as follows: 27.4 mV and 40.6 mV. Moreover, these results have a similar band of resonance frequency it comparison to the simulation. Consequently, this study was confirmed with validity. The output electric powers of the L-60 and L-33 types have 3.1 mW/s and 5.8 mW/s with 47 Hz and 148 Hz of resonance frequency and then, the load resistivities were $100k\Omega$ and $10k\Omega$, respectively.
Kim, Kyoung-Bum;Kim, Chang-Il;Jeong, Young-Hun;Lee, Young-Jin;Cho, Jeong-Ho;Paik, Jong-Hoo;Nahm, Sahn;Seong, Tae-Hyeon
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.25
no.10
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pp.766-772
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2012
Spring supported piezoelectric cantilever structures (SPCS) were fabricated for vibration-based energy harvester application. We selected four elastic springs (A, B, C, and D type) as cantilever's supporter, each elastic spring has a different spring constant (S). The C type of SPCS ($S_C$: 4,649 N/m) showed a extremely low resonance frequency of 81 Hz along with the highest power output of 38.5 mW while the A type of SPCS ($S_A$: 40,629 N/m) didn't show a resonance frequency while. Therefore, it is considered that the lower spring constant lead to a lower resonance frequency of the SPCS. In addition, a tip mass (18 g) at one end of the SPCS could further reduce the resonance frequency without heavy degradation of power output.
When designing an underwater Piezoelectric Energy Harvester (PEH), Vortex Induced Vibration (VIV) is generated throughout the cantilever through a change in curvature, and the generation of VIV increases the vibration displacement of the curved cantilever PEH, which is an important factor in increasing actual power. The material of the curved PEH selected a Polyvinyline Di-Floride (PVDF) piezoelectric film, and the flow velocity is set at 0.1 m/s to 0.50 m/s for 50 mm, 130 mm, and 210 mm with various curvatures. The strain energy change of PEH by VIV was observed. The smaller the radius of curvature, the larger the VIV, and as the flow rate increased, more VIV appeared. Rapid shape transformation due to the small curvature was effective in generating VIV, and strain energy, normalized voltage, average power, etc. To increase the amount of power of the PEH, it is considered that the average power will increase as the number of curved PEHs increases as well as the steep curvature is improved.
The piezoelectric transverse $d_{15}$ shear sensing mechanism is firstly assessed experimentally for a cantilever smart sandwich plate made of a piezoceramic axially poled patched core and glass fiber reinforced polymer composite faces. Different electrical connections are tested for the assessment of the sensor performance under a varying amplitude harmonic (at 24 Hz) force. Also, the dynamic response of the smart sandwich composite structure is monitored using different acquisition devices. The obtained experimentally sensed voltages are compared to those resulting from the benchmark three-dimensional piezoelectric coupled finite element simulations using a commercial code where realistic features, like equipotential conditions on the patches' electrodes and mechanical updating of the clamp, are considered. Numerically, it is found that the stiffness of the clamp, which is much softer than the ideal one, has an enormous influence on the sensed voltage of its adjacent patch; therefore, sensing with the patch on the free side would be more advantageous for a cantilever configuration. Apart from confirming the latter result, the plate benchmark experimental assessment showed that the parallel connection of its two oppositely poled patches has a moderate performance but better than the clamp side patch acting as an individual sensor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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