Enhancing Electrical Generation Efficiency through Parametrical Excitation and Slapping Force in Nonlinear Elastic Beams for Vibration Energy Harvesting

能量收集 非线性系统 振动 迷惑 激发 压电 偏转(物理) 发电 能量转换 参数统计 谐波平衡 电势能 结构工程 声学 功率(物理) 物理 工程类 机械工程 经典力学 电气工程 数学 统计 量子力学 热力学
作者
Yi-Ren Wang,C. M. Kuo
出处
期刊:Sensors [MDPI AG]
卷期号:23 (17): 7610-7610
标识
DOI:10.3390/s23177610
摘要

This study aims to enhance conventional vibration energy harvesting systems (VEHs) by repositioning the piezoelectric patch (PZT) in the middle of a fixed–fixed elastic steel sheet instead of the root, as is commonly the case. The system is subjected to an axial simple harmonic force at one end to induce transversal vibration and deformation. To further improve power conversion, a baffle is strategically installed at the point of maximum deflection, introducing a slapping force to augment electrical energy harvesting. Employing the theory of nonlinear beams, the equation of motion for this nonlinear elastic beam is derived, and the method of multiple scales (MOMS) is used to analyze the phenomenon of parametric excitation. This study demonstrates through experiments and theoretical analysis that the second mode yields better power generation benefits than the first mode. Additionally, the voltage generation benefits of the enhanced system with the added baffle (slapping force) surpass those of traditional VEH systems. Overall, the proposed model proves feasible and holds promising potential for efficient vibration energy harvesting applications in various industrial sectors.
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