| Abstract | Energy harvesting (EH) is the process of collecting low-level ambient energy and converting
it into electrical energy to be used for powering miniaturized autonomous devices, wearable
electronics or Internet-of-Things components. The use of kinetic energy, converted into electrical energy via the piezoelectric principle, is of special interest in this frame. The main drawback of piezoelectric EH devices is the narrow area of optimal operation around the eigenfrequency of a specific device. The voltage levels achieved within this area are high, but they
rapidly decrease with the variation of the excitation frequency. This is especially important in
wearable applications, where the excitation frequency from human motion varies randomly.
Based on a thorough analysis of the state-of-the-art in energy harvesting, with a particular
focus on wearable applications, an innovative design approach, which comprises the segmentation of a conventional energy harvester into optimized segments, excited by plucking their
free ends is proposed in this work. An original method of optimization is utilized here, combining the DoE methodology and a complex experimentally validated numerical model. Several
novel miniaturized energy harvesters with optimized shapes are suggested, produced and experimentally tested, while keeping in consideration, in this frame, the generally neglected fatigue strength. The experimental results have shown a good match with the numerical data. The
results show that a significant increase in performance, i.e., up to ~ 500%, can be achieved by
using the herein proposed design approach, compared to a conventional device. What is more,
the proposed optimized devices are capable of providing enough power for a compact wearable
device aimed for biomedical application, requiring ~ 5 mW of power, also suggested in this
work. An extensive DoE-based experimental study of plucking parameters is also carried out,
providing a deeper insight into the complex mechanism of impact excitation, as well as valuable
guidelines for plectrum design, using additive manufacturing. The concept of the design of a
wearable watch-like device is also developed, capable of generating an estimated ~ 270 mW of
maximum power as well as ~ 6.8 mW of average power.
The performed research provides a significant scientific contribution to the field of kinetic
EH by proposing an optimized solution to the aforementioned problem, based upon an original
framework of application of state-of-the-art approaches. The results obtained on optimized design configurations are validated and verified by using numerical and experimental methods. |
| Abstract (croatian) | Žetva energije” (engl. energy harvesting, EH) je proces prikupljanja niskorazinske energije
iz okoliša te njene pretvorbe u električnu energiju, s ciljem napajanja minijaturiziranih autonomnih uređaja, uređaja za nosive tehnologije te komponenti za „Internet stvari“.
Nosive tehnologije pogonjene EH sustavima mogu se koristiti u telemedicini za praćenje
stanja pacijenata, automatsko doziranje lijekova te za praćenje zdravstvenog stanja radnika
zaposlenih na poslovima visokog rizika. U ovom pogledu, upotreba kinetičke energije,
pretvorene u električnu pomoću piezoelektričnog učinka, od posebne je važnosti. Najveći nedostatak koji se pojavljuje kod primjene piezoelektričnih uređaja je njihovo usko područje optimalnog rada oko vlastite frekvencije specifičnog uređaja. Vrijednost napona, koju je moguće
postići u tom području, je visoka, ali ona naglo opada već kod neznatne promjene uzbudne
frekvencije. Ta je pojava posebno izražena kod primjene u nosivim tehnologijama, gdje uzbudna frekvencija, uzrokovana gibanjem čovjeka, nasumično varira. Kako bi se prevladao
opisani problem, osmišljena je metoda konstruiranja piezoelektričnih pretvarača temeljena na
detaljnoj analizi recentne literature, koja kombinira podjelu konzole u veći broj optimiziranih
segmenta izloženih uzbudi trzanjem slobodnog kraja pomoću mehanizma pretvorbe frekvencije
(engl. frequency up-conversion).
Postupkom optimizacije kombinacijom metodologije dizajna eksperimenata (DoE) i
korištenja složenih numeričkih modela i analiza, predložene su optimizirane geometrije piezoelektričnih uređaja prilagođene primjenama u nosivim tehnologijama, a posebno najčešće
upotrebljavanim senzorima stanja ljudskog zdravlja, te koje pokazuju bolja radna svojstva od
trenutno komercijalno dostupnih konstrukcija. Numerički modeli razvijenih konstrukcijskih
oblika validirani su pomoću eksperimentalnih mjerenja provedenih na originalno razvijenim
postavama te se dobiveni rezultati izuzetno dobro poklapaju s numeričkim podacima. U sklopu
ispitivanja uzeta su u obzir ograničenja uzrokovana dinamičkom čvrstoćom materijala, što se u
literaturi najčešće zanemaruje. Rezultati dobiveni eksperimentalnim ispitivanjem optimiziranih
minijaturiziranih uređaja pokazali su kako je, koristeći metodu konstruiranja predloženu u
sklopu ovoga rada, moguće postići višestruko povećanje izlazne snage, normalizirane po površini uređaja, i to i do ~ 500%. Uz to, pokazano je da su razvijeni uređaji u mogućnosti proizvesti
dovoljno snage za pokretanje kompaktnog nosivog uređaja namijenjenog za primjenu u medicini (~ 5 mW).
Opsežna eksperimentalna studija, temeljena na DoE metodologiji, provedena je i s ciljem
analize parametara procesa trzanja slobodnog kraja konzole pomoću trzalice izrađene aditivnim
tehnologijama te njihovog utjecaja na odziv pretvarača. Time je dobiven dublji uvid u složen
mehanizam uzbude trzanjem, kao i važne smjernice za optimalno konstruiranje trzalica namijenjenih za izradu pomoću aditivnih tehnologija. Također je razvijeno i konceptualno rješenje
nosivog uređaja u obliku sata, koji se sastoji od dva miniaturizirana optimizirana uređaja za
prikupljanje kinetičke energije, podvrgnuta uzbudi trzanjem pomoću kompaktnog mehanizma
za pretvorbu frekvencije. Najveća predviđena izlazna snaga takvog uređaja je ~ 270 mW, dok
prosječna izlazna snaga iznosi ~ 6,8 mW, što premašuje potrebe predloženog medicinskog nosivog uređaja.
Znanstveni doprinos ovog istraživanja ostvaren je kroz originalnu metodu konstruiranja piezoelektričnih uređaja za prikupljanje niskorazinske energije iz okoliša, koja rezultira
višestrukim povećanjem (i do ~ 5 puta) izlazne snage kod optimiziranih uređaja. Metoda uzbude
trzanjem slobodnog kraja u kombinaciji s optimizacijom segmenata omogućuje konkretizaciju
minijaturiziranog piezoelektričnog EH sustava, prilagođenog za prikupljanje i pretvorbu energije nasumične kinematičke uzbude gibanja ljudi. Uključivanjem dinamičke čvrstoće materijala
u postupak konstruiranja EH uređaja, osiguran je dugotrajan rad takvog sustava, izloženog dinamičkim uvjetima rada. Izlazna snaga tako konstruiranog EH sustava predstavlja realističnu vrijednost, koju je moguće očekivati kod njegove stvarne primjene kroz njegov cjelokupan vijek
trajanja.
Znanstvenim doprinosom području nosivih tehnologija i prikupljanja niskorazinske energije
iz okoliša danim u doktorskoj disertaciji stvoren je tako temelj za razvoj nove klase konstrukcijskih konfiguracija autonomnih nosivih uređaja pokretanih energijom gibanja ljudi sa
širokom primjenom na području medicine i sporta ali i „industrije 4.0“, „interneta stvari“ (IoT)
te praćenja stanja struktura u strojarskim i građevinskim konstrukcijama (engl. structural health
monitoring). |
