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:
    2017
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2017-01-01 至 2018-12-31
  • 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.
该研究计划旨在研究基于振动的压电能量收割机中的非线性动力学,以实现宽带的带宽,高功率输出,尺寸小和低成本。基于振动的能量收割机能够清除环境振动并转换为电力,他们有望替代电池作为小型自动驾驶电子设备的主要电源。这种能量收获者有两个主要优点:不需要替代和充电;没有浪费电池造成的环境污染。在不同类型的基于振动的能量收割机中,压电能量收割机(PEHS)是最有前途的,由于其较大的功率密度。尽管有PEH的承诺,但现有的PEHS遭受了诸如小功率输出和狭窄频率带宽等主要缺点。为解决这些问题做出了各种努力。改善PEHS性能的最有前途的方法之一是将非线性机制引入原始线性PEHS并有效地利用非线性动态特性。拟议的研究计划将应用两种新颖和独特的非线性机制,即基于双向结构的强制振动和基于结构的自激振动,以增强功率输出并扩大频率带宽。长期目标是为广泛的应用设计和开发有效的PEH。短期目标包括设计和优化基于双层结构的PEH,设计和开发基于结构的自我激发PEH,以及将PEH集成到小型自主电子设备中的技术的开发。这项研究将有助于为压电能量收割机开发非线性建模,分析和优化工具,并大大增强PEH技术。此外,该研究计划将在对行业重要性的多学科领域培训几个HQP。

项目成果

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