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A Review of Piezoelectric Footwear Energy Harvesters: Principles, Methods, and Applications

压电 机械能 能量收集 电势能 能量转换 能量(信号处理) 机械工程 悬臂梁 功率(物理) 电力 工程类 电气工程 结构工程 物理 量子力学 热力学
作者
Bingqi Zhao,Feng Qian,Alexander Hatfield,Lei Zuo,Tian-Bing Xu
出处
期刊:Sensors [MDPI AG]
卷期号:23 (13): 5841-5841 被引量:11
标识
DOI:10.3390/s23135841
摘要

Over the last couple of decades, numerous piezoelectric footwear energy harvesters (PFEHs) have been reported in the literature. This paper reviews the principles, methods, and applications of PFEH technologies. First, the popular piezoelectric materials used and their properties for PEEHs are summarized. Then, the force interaction with the ground and dynamic energy distribution on the footprint as well as accelerations are analyzed and summarized to provide the baseline, constraints, potential, and limitations for PFEH design. Furthermore, the energy flow from human walking to the usable energy by the PFEHs and the methods to improve the energy conversion efficiency are presented. The energy flow is divided into four processing steps: (i) how to capture mechanical energy into a deformed footwear, (ii) how to transfer the elastic energy from a deformed shoes into piezoelectric material, (iii) how to convert elastic deformation energy of piezoelectric materials to electrical energy in the piezoelectric structure, and (iv) how to deliver the generated electric energy in piezoelectric structure to external resistive loads or electrical circuits. Moreover, the major PFEH structures and working mechanisms on how the PFEHs capture mechanical energy and convert to electrical energy from human walking are summarized. Those piezoelectric structures for capturing mechanical energy from human walking are also reviewed and classified into four categories: flat plate, curved, cantilever, and flextensional structures. The fundamentals of piezoelectric energy harvesters, the configurations and mechanisms of the PFEHs, as well as the generated power, etc., are discussed and compared. The advantages and disadvantages of typical PFEHs are addressed. The power outputs of PFEHs vary in ranging from nanowatts to tens of milliwatts. Finally, applications and future perspectives are summarized and discussed.
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