A coupled piezoelectric–electromagnetic energy harvesting technique for achieving increased power output through damping matching

能量收集 功率(物理) 压电 机械能 工作(物理) 能量(信号处理) 最大功率原理 振动 电气工程 电势能 控制理论(社会学) 声学 工程类 物理 电压 计算机科学 机械工程 人工智能 量子力学 控制(管理)
作者
Vinod R. Challa,M. G. Prasad,Frank T. Fisher
出处
期刊:Smart Materials and Structures [IOP Publishing]
卷期号:18 (9): 095029-095029 被引量:221
标识
DOI:10.1088/0964-1726/18/9/095029
摘要

Vibration energy harvesting is being pursued as a means to power wireless sensors and ultra-low power autonomous devices. From a design standpoint, matching the electrical damping induced by the energy harvesting mechanism to the mechanical damping in the system is necessary for maximum efficiency. In this work two independent energy harvesting techniques are coupled to provide higher electrical damping within the system. Here the coupled energy harvesting device consists of a primary piezoelectric energy harvesting device to which an electromagnetic component is added to better match the total electrical damping to the mechanical damping in the system. The first coupled device has a resonance frequency of 21.6 Hz and generates a peak power output of ∼332 µW, compared to 257 and 244 µW obtained from the optimized, stand-alone piezoelectric and electromagnetic energy harvesting devices, respectively, resulting in a 30% increase in power output. A theoretical model has been developed which closely agrees with the experimental results. A second coupled device, which utilizes the d33 piezoelectric mode, shows a 65% increase in power output in comparison to the corresponding stand-alone, single harvesting mode devices. This work illustrates the design considerations and limitations that one must consider to enhance device performance through the coupling of multiple harvesting mechanisms within a single energy harvesting device.

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