Investigation of power output and efficiency of piezoelectric energy harvesters

Abstract

Energy harvesting is the exploitation of ambient energy in a small scale (mW). Energy harvesting devices aim to replace or reduce the use of batteries in powering wireless sensor network nodes and microelectronic, wearable or MEMS devices and significantly reduce the cabling in systems with a high number of sensors. The significant progress of piezoelectric energy-harvesting technology experienced during the last 20 years, accumulated vast knowledge on the subject, however, the technology readiness level is low and there are only a few complete applications. Moreover, reliability and system integration need more focused effort to be performed. Motivated by the need for extensive experimental data, the main objective of this thesis is the support of the design process of PEH by investigating their real world characteristics and define efficiency and specific power indices allowing a fair assessment of real world performance in specially designed test rigs. Flutter type PEHs that are based on commercial piezoelectric transducers were employed in the experiments. The piezoelectric transducers tested involve the piezoelectric materials polyvinylidene Fluoride (PVDF) and Lead Zirconate Titanate (PZT). Piezoelectric energy harvesters were excited by flow induced vibration, base vibration and combinations of these excitations. The flow-induced excitation was created with air flow. The range of harvesting power reported in the literature for these transducers varied to orders of magnitude and this fact necessitated a systematic assessment with carefully designed test rigs and experimental conditions. Novel test rigs were designed both for aerodynamic and base vibration excitation. Further, it was attempted to calculate the transducer’s output based on visualization of the beam vibration by high speed photography and laser sheet visualization. These investigations were supplemented with the measurement of the combined effect of base vibration and aerodynamic excitation on the voltage output signal. The results were mapped in two dimensions to spot the combination with maximum synergy between the two excitation modes. These experiments determined the attainable harvesting power levels for each one of the transducers examined, along with the specific, optimal excitation conditions. Further, the effect of variable capacitance of the harvesting circuits was assessed, to optimize according to transducer’s type. The measured results of the energy harvesting potential of the different transducer types, in their optimal excitation modes’ combination, was satisfactorily explained by comparative calculations, based on the transducer’s mechanical and piezo-electrical properties and their vibration modes. As a further design optimization step, it was succeeded to aerodynamically excite a PZT transducer of high harvesting power capacity (order of several mW) with a high bending stiffness, by mounting a novel design of aerodynamically excited superstructure. The body of results of this thesis contribute to the optimal design of beam and flutter type piezoelectric transducers that need to be tailored to specific energy harvesting applications, taking into account the available excitation modes and potentials, power levels required and transducer positioning opportunities.

Η πιεζοηλεκτρική συγκομιδή ενέργειας αφορά στην εκμετάλλευση μικροποσοτήτων ενέργειας από το περιβάλλον στην κλίμακα των mW, με βάση την αρχή του πιεζο-ηλεκτρικού φαινομένου. Ερευνάται εντατικά την τελευταία 20-ετία με στόχο να τροφοδοτηθούν απομακρυσμένα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, μικροηλεκτρονικές και βιοϊατρικές συσκευές στα πλαίσια της ευρείας διάδοσης του IoT, αποφεύγοντας τη χρήση συσσωρευτών και καλωδιώσεων. Παρά την σημαντική ερευνητική προσπάθεια οι τεχνολογίες της πιεζοηλεκτρικής συγκομιδής ενέργειας (PEH) ευρίσκονται ακόμη σε χαμηλό επίπεδο τεχνολογικής ετοιμότητας και υπάρχουν λίγες μόνο ολοκληρωμένες εφαρμογές. Έχοντας διαπιστώσει σχετική έλλειψη σε πειραματικές διερευνήσεις έναντι των καθαρά θεωρητικών, επιλέχθηκε ως κύριος αντικειμενικός στόχος της εργασίας η υποστήριξη της διαδικασίας σχεδιασμού των PEH μέσω πειραματικής διερεύνησης των χαρακτηριστικών λειτουργίας εμπορικά διαθέσιμων πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων και ορισμού κατάλληλων δεικτών αξιολόγησης του βαθμού απόδοσης και της ειδικής ισχύος τους. Με τον τρόπο αυτό γίνεται εφικτή η δίκαια αξιολόγηση της πραγματικής απόδοσης των PEH κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες ροϊκά επαγόμενης και μηχανικής ταλάντωσης. Οι εργαστηριακές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε καινοτόμα σχεδιασμένες πειραματικές διατάξεις που κατασκευάστηκαν ειδικά για τις ανάγκες της διατριβής. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων έγινε τόσο με συμβατικές όσο και με καινοτόμες μεθόδους. Οι συγκεκριμένες διατάξεις επιτρέπουν την συστηματική αξιολόγηση της απόδοσης σε συνδυασμό ευρείας περιοχής συχνοτήτων ταλάντωσης βάσης και συνθηκών ροής, ώστε να γίνεται εφικτή η χαρτογράφηση σε δύο διαστάσεις της ειδικής ισχύος και του βαθμού απόδοσης. Αντίθετα με την επικρατούσα πρακτική του ορισμού βαθμού απόδοσης με βάση θεωρητικό γραμμικό μοντέλο της ταλάντωσης, διατυπώθηκε καινοτόμος ορισμός με βάση το ρυθμό μεταβολής της ελαστικής ενέργειας του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου. Ο προτεινόμενος ορισμός είναι πιο ρεαλιστικός, αφού η ελαστική ενέργεια παραμόρφωσης κατέστη δυνατόν να μετρηθεί με βάση μεθοδολογία ψηφιοποίησης της ελαστικής γραμμής με χρήση γραμμικού laser που επιτρέπει την οπτικοποίηση με φωτογράφηση, αλλά και με βάση βιντεοσκόπηση σε 960 fps της ταλάντωσης. Έχει δε το πρόσθετο πλεονέκτημα ότι μπορεί να εφαρμοστεί και σε συνδυασμένη ροϊκή και μηχανική διέγερση. Η εργασία έλαβε υπόψη τον λεπτομερή σχεδιασμό των εξεταζόμενων πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων, ως σύνθετης πλάκας σε καμπτική ταλάντωση, στους υπολογισμούς ελαστικής ενέργειας παραμόρφωσης, ειδικής ισχύος και βαθμού απόδοσης. Έγινε συγκριτική αξιολόγηση, με βάση την αναπτυχθείσα μεθοδολογία, δύο αντιπροσωπευτικών αισθητήρων με διαφορετικό πιεζοηλεκτρικό υλικό (PZT και PVDF), με επιπλέον χρήση υπερ-πυκνωτών (super capacitors) στο κύκλωμα αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία οδήγησε σε περαιτέρω αύξηση του βαθμού απόδοσης. Η συγκριτική αξιολόγηση των αισθητήρων αυτών οδήγησε σε χρήσιμα συμπεράσματα για περαιτέρω βελτιώσεις στο λεπτομερή σχεδιασμό τους, με στόχο την αύξηση της ειδικής ισχύος και βαθμού απόδοσης. Έγινε δε εφικτό να διεγερθεί ροϊκά ο μετατροπέας από PZT, υψηλής καμπτικής στιβαρότητας, με τοποθέτηση στο ελεύθερο άκρο του ειδικά σχεδιασμένης υπερκατασκευής, οπότε και επιβεβαιώθηκε ότι η συνδυασμένη διέγερση του συγκεκριμένου τύπου μετατροπέα ικανοποιεί την αρχή της επαλληλίας. Η νέα αυτή οπτική επιτρέπει την ορθολογική πλέον αξιολόγηση της απόδοσης διαφορετικού τύπου και σχεδιασμού αισθητήρων και παρέχει εξηγήσεις σχετικά με τις μεγάλες διακυμάνσεις των μεγεθών αυτών στην εξειδικευμένη βιβλιογραφία. Επιπλέον συνεισφέρει στην ορθολογική βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των μετατροπέων ως σύνθετων πλακών, ώστε να ανταποκρίνονται στις ανάγκες συγκεκριμένων εφαρμογών, με λήψη υπόψη των επιπέδων διέγερσης των πηγών και τις διαθέσιμες θέσεις ταλάντωσης.