진동의 종류에 따른 Bar-type 압전 에너지 하베스팅 시스템의 최적 설계에 대한 연구 = Study on Optimal Design of Bar-type Piezoelectric Energy Harvesting System Dependent on Vibration Types
저자
발행사항
창원 : 창원대학교, 2019
학위논문사항
학위논문(박사)-- 창원대학교 대학원 : 메카트로닉스공학부(전기공학전공) 2019. 2
발행연도
2019
작성언어
한국어
주제어
KDC
563.7 판사항(5)
발행국(도시)
경상남도
형태사항
148장 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 박태곤
창원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다
UCI식별코드
I804:48019-000000015347
소장기관
Energy harvesting is a technology that collects and uses
natural energy such as environmental energy, sun and wind,
around equipment to reproduce energy by searching for
resources that can be harvested or utilized from abandoned or
unused resources. Energy harvesting is divided into various
ways depending on the method and device used to obtain
energy. The main energy source of energy harvesting exists in
various forms such as solar heat, sunlight, wind power, vibration
and wave. Energy harvesting is recognized as a new energy
resource for the future as an eco-friendly energy source by
enabling long-term energy supply without charging, replacing
and refueling. Among them, piezoelectric energy harvesting
technology has advantages to harvest clean electric energy
without being affected by the natural environment, and it is
capable of continuous electric power generation. Therefore, it is
considered as an alternative solution about the present energy
problem.
Piezoelectric energy harvesting converts mechanical energy
such as vibration, pressure, and impact into electric energy using
the piezoelectric effect. Therefore, piezoelectric generating devices
have been developed various structures and shapes depending on
the kind of mechanical energy, but instantaneous pressure and
impact generating very low current compared with continuous
vibration, so power conversion circuits are being studied to
secure the power that can be stored.
In the case of piezoelectric energy harvesting using the most efficient continuous vibration energy, a bar-type piezoelectric
power generation device typified by a cantilever is mainly
applied. A bar-type piezoelectric power generating device is
attached with piezoelectric body and cantilever-shaped elastic
body to a cross section or both sides, and converts vibrational
energy from the piezoelectric body into electric energy by the
vibration of the elastic body and the piezoelectric body. Bar-type
piezoelectric power generating devices are mainly used for
piezoelectric energy harvesting, which uses vibrational energy
because it is very simple in structure, and can be designed in a
small size and light weight and can easily adjust the resonance
frequency dependent on the length of the elastic body.
However, even in the case of vibration energy, there are many
types of vibration energy, and most of the vibration energy
changes with time. Therefore, the optimum development of the
piezoelectric energy harvesting using the vibration energy
corresponding to all the vibrations is not achieved. Recent
researches on piezoelectric energy harvesting using vibrational
energy have been carried out on optimal design and research
applied to selecting vibration energy having a specific frequency
and constant displacement. In this study, the shape design to
improve the power generation efficiency and to carry out the
design dependent on the specific frequency targeting the
resonance frequency of the piezoelectric power generation
element is mainly studied. However, the vibration energy in real
life is hard to have same displacement at the specific frequency.
In addition, in the case of the first bending of a conventional
bar-type piezoelectric power generation device, a low resonance
frequency and a high displacement can be secured, but it is difficult to apply because of the stress applied to the
piezoelectric ceramic is concentrated in a certain part. And the
energy that produced by the bar-type piezoelectric power
generation device has the high voltage and the very low current
due to its characteristics. A large amount of loss is generated
through a general power conversion circuit, so there are
difficulties in actual application.
Therefore, in this paper, finite element analysis is used to
optimize the design of narrow band and broadband piezoelectric
generating device that can be used dependent on the frequency
band of vibration energy. And in order to minimize the
destruction of the piezoelectric ceramics, the design is carried
out with second and third bending rather than the existing first
bending. The output characteristics are verified by fabrication of
the prototype devices and experiments of the designed models.
And a new power conversion circuit for the piezoelectric energy
harvesting is developed with phase shifting and self-switching
technique and its superiority is proved by comparing the
harvesting characteristics with previously reported circuit.
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