A multi-stable ultra-low frequency energy harvester using a nonlinear pendulum and piezoelectric transduction for self-powered sensing

钟摆 振动器 控制理论(社会学) 振荡(细胞信号) 悬臂梁 非线性系统 声学 物理 能量收集 功率(物理) 工程类 振动 机械工程 计算机科学 结构工程 生物 人工智能 量子力学 控制(管理) 遗传学
作者
Hailing Fu,Jingjing Jiang,Sijung Hu,Jing Rao,Stephanos Theodossiades
出处
期刊:Mechanical Systems and Signal Processing [Elsevier BV]
卷期号:189: 110034-110034 被引量:50
标识
DOI:10.1016/j.ymssp.2022.110034
摘要

This paper presents the design, theoretical modelling and experimental validation of a quad-stable energy harvester for harnessing ultra-low frequency random motions using a nonlinear pendulum and piezoelectric transduction. The multi-stable pendulum is created by the magnetic forces between magnets on the pendulum and a tip magnet on a piezoelectric cantilever beam. Two attractive and one repulsive magnetic forces in combination with the gravitational force of the pendulum create multiple stable positions for the pendulum. The multi-stable dynamics allow the pendulum to effectively convert low-frequency random kinetic motions from the host, e.g. human motion or wind turbine tower oscillation into the pendulum oscillation, enabling effective plucking of the piezoelectric beam with enhanced output power. A theoretical model, including the magnetic interaction, piezoelectric conversion and pendulum dynamics, is established to describe the electromechanical dynamics of the whole harvester. A prototype is fabricated and tested on a linear shaker at ultra-low frequencies (1–3 Hz) to showcase the capability of the harvester and to validate the theoretical results. Around 8 μW Root-Mean-Square output power was obtained at 2.5 Hz and 0.8 g of excitation. Using the experimentally validated theoretical model, a parametric study was carried out to examine the influence of different structural and operating parameters, such as pendulum mass and length, magnetic coupling strength, excitation frequency and amplitude, on the output power and operating frequency range of the energy harvester. The operation frequency range and output power can be effectively adjusted by changing the above-mentioned parameters. The self-powered sensing capability is then illustrated by integrating the harvester with an off-the-shelf power management circuit and a 22 μF storage capacitor. The capacitor was charged from 2.8 V to 4 V in 90 s, showing its capability of implementing battery-free wireless sensing for different Internet of Things (IoT) applications.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
hahaha发布了新的文献求助10
2秒前
第四周期发布了新的文献求助10
4秒前
4秒前
4秒前
光亮的万天完成签到 ,获得积分10
4秒前
智慧刘完成签到,获得积分10
5秒前
诚心寄凡发布了新的文献求助30
5秒前
奇艺敖完成签到 ,获得积分10
5秒前
无限达发布了新的文献求助10
5秒前
6秒前
天天小女孩完成签到 ,获得积分10
7秒前
8秒前
故意的以亦完成签到,获得积分10
8秒前
lqj发布了新的文献求助10
10秒前
所所的应助被淡然觅荷采纳,获得10
10秒前
10秒前
田様的应助被闪闪航空采纳,获得10
10秒前
老福贵儿发布了新的文献求助10
10秒前
Enigma_GEB的应助被卫明魁采纳,获得50
11秒前
11秒前
lyb20030825完成签到,获得积分20
11秒前
仁爱笙完成签到,获得积分10
12秒前
12秒前
13秒前
13秒前
14秒前
Alice发布了新的文献求助10
14秒前
科研菜鸟望毕业完成签到,获得积分10
14秒前
DOG完成签到,获得积分10
15秒前
Maxwell发布了新的文献求助30
16秒前
16秒前
16秒前
IAMXC发布了新的文献求助10
17秒前
布丁完成签到 ,获得积分10
18秒前
a88455496发布了新的文献求助30
18秒前
橘柚关注了科研通微信公众号
18秒前
脑洞疼的应助被Wstary采纳,获得10
18秒前
19秒前
啊啊发布了新的文献求助10
20秒前
Ma发布了新的文献求助10
20秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Rosenblum, Global Change Biology 800
Organizational Behavior 510
Management and the Arts 510
Convergent and bidirectional strategies towards the total synthesis of hemibrevetoxin B 300
Geschichtliche Grundbegriffe (GGB), Band 5: Pro–Soz 300
Die Religion in Geschichte und Gegenwart (RGG), 4. Auflage, Band 7: R–S 300
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 计算机科学 工程类 纳米技术 内科学 物理 有机化学 化学工程 生物化学 复合材料 光电子学 细胞生物学 心理学 量子力学 催化作用 物理化学 电极
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7795911
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9331724
关于积分的说明 20445524
捐赠科研通 7386052
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3324871
关于科研通互助平台的介绍 2472255
邀请新用户注册赠送积分活动 2341967