Nonlinear Dynamics in Vibration-based Piezoelectric Energy Harvesting

基于振动的压电能量收集中的非线性动力学

基本信息

  • 批准号:
    155485-2013
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.28万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2015-01-01 至 2016-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The research program aims to study the nonlinear dynamics in vibration-based piezoelectric energy harvesters to achieve wide bandwidth, high power output, small size, and low cost. Vibration-based energy harvesters, capable of scavenging ambient vibrations and converting into electricity, are promising to replace batteries as a main power supply for small autonomous electronic devices. There are two main advantages for such energy harvesters: no replacement and recharging required; no environmental pollution caused by waster batteries. Among different types of vibration-based energy harvesters, piezoelectric energy harvesters (PEHs) are the most promising due to its larger power density. In spite of the promise of PEHs, existing PEHs suffer from major drawbacks such as small power output and narrow frequency bandwidth. Various efforts have been made to address the problems. One of the most promising ways to improve the performances of PEHs is to introduce nonlinear mechanisms into the original linear PEHs and effectively utilize nonlinear dynamic properties. The proposed research program will apply two novel and unique nonlinear mechanisms, bistable-structure-based forced vibrations and structure-based self-excited vibrations, to PEHs to enhance power output and widen frequency bandwidth. The long-term objective is to design and develop effective PEHs for wide applications. The short-term objectives include design and optimization of bistable-structure-based PEHs, design and development of structure-based self-excited PEHs, and development of techniques to integrate PEHs into small autonomous electronic devices. The research will contribute to developing nonlinear modeling, analysis, and optimization tools for piezoelectric energy harvesters and will significantly enhance the PEH technology. Moreover, the research program will train several HQPs in multi-disciplinary areas of importance to industry.
该研究项目旨在研究基于振动的压电能量收集器的非线性动力学,以实现宽带宽、高功率输出、小尺寸和低成本。基于振动的能量采集器能够清除环境振动并转化为电能,有望取代电池成为小型自主电子设备的主要电源。这种能量采集器有两个主要优点:无需更换和充电;不存在废旧电池造成的环境污染。在不同类型的基于振动的能量收集器中,压电能量收集器(PEH)由于其较大的功率密度而最有前途。 尽管 PEH 前景广阔,但现有的 PEH 仍存在功率输出小和频率带宽窄等主要缺点。为了解决这些问题,已经做出了各种努力。提高PEH性能最有前途的方法之一是在原始线性PEH中引入非线性机制并有效利用非线性动态特性。 拟议的研究计划将两种新颖且独特的非线性机制(基于双稳态结构的受迫振动和基于结构的自激振动)应用于PEH,以增强功率输出并拓宽频率带宽。长期目标是设计和开发有效的 PEH 以供广泛应用。短期目标包括基于双稳态结构的PEH的设计和优化、基于结构的自激PEH的设计和开发以及将PEH集成到小型自主电子设备中的技术的开发。该研究将有助于开发压电能量收集器的非线性建模、分析和优化工具,并将显着增强 PEH 技术。此外,该研究计划还将在对行业具有重要意义的多学科领域培训数名总部人员。

项目成果

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