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Theoretical and experimental research on a Quasi-Zero-Stiffness-Enabled nonlinear piezoelectric energy harvester

能量收集 压电 非线性系统 振动 机电耦合系数 能量(信号处理) 验证质量 功率(物理) 能量转换 刚度 声学 机械能 电势能 材料科学 计算机科学 物理 复合材料 量子力学 热力学
作者
Tingting Chen,Kai Wang,Cheng Li,Hongbin Pan,Haichao Cui,Jiaxi Zhou
出处
期刊:Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation [Elsevier]
卷期号:133: 107863-107863 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.cnsns.2024.107863
摘要

Piezoelectric material provides a convenient and efficient avenue to convert ambient vibration energy into electrical energy to power wireless sensor network nodes of Internet of Things. However, the design of effective ultralow-frequency and low-amplitude harvesters using piezoelectric materials remains a challenge. To address this challenging problem, this paper devises a quasi-zero-stiffness-enabled (QZSE) piezoelectric energy harvester based on a geometrical nonlinear structure. The basic configuration and operation principles of the QZSE piezoelectric energy harvester ware elaborated firstly, then the nonlinear electromechanical coupling equation is derived, whose solution informs on both the dynamic and electrical responses of the harvester. The electromechanical-coupled equations are solved with the aid of the fourth-order Runge-Kutta algorithm. The energy harvesting performance is then investigated with respect to the parameter effects of excitation, damping and proof mass. For validating numerical results and demonstrating the advantages of the proposed design, a prototype is fabricated and experimentally tested. The results confirm the ability of the QZSE piezoelectric energy harvester in producing effective vibration-to-electricity energy conversion in ultralow frequency range. This study provides new impetus to energy harvesting from ultralow frequency ambient vibration using piezoelectric materials.
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