Piezoelectric generators: materials and structures

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_200/123

send Dariusz Grzybek AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics

Download Article

Abstract

The article presents piezoelectric generators, which can solve the problem of power supply of wireless sensors nets in the monitoring systems of the structure parameters. The operating principle of these appliances is based on the conversion of mechanical energy, e.g. vibration to electric energy in piezoelectric materials. In the first part of this article, the basic groups of piezoelectric materials: ceramics, composites, polymers and monocrystals were discussed in the field of its application in generators. It focused on material constants, which have the biggest effect on energy conversion. In the second part, structures of generators, which are the most often presented in the literature were discussed. The article focused on the structure consisting of piezoelectric actuators connected with the cantilever beam as well as other structures containing piezoelectric actuators, which have different shapes. In the last part, the efficiency of energy conversion was discussed. It focused on the range of values of the obtained electric power from generators.

Keywords

energy harvesting, piezoelectric, piezoelectric generator, wireless sensors

Generatory piezoelektryczne: materiały i konstrukcje

Streszczenie

W artykule przedstawiono generatory piezoelektryczne, które mogą stanowić rozwiązanie problemu zasilania bezprzewodowych sieci czujników w systemach monitorowania parametrów konstrukcji. Zasada działania tych urządzeń opiera się na konwersji energii mechanicznej (np. drgań) na energię elektryczną w materiałach piezoelektrycznych. W pierwszej części artykułu omówiono podstawowe grupy materiałów piezoelektrycznych: ceramiki, kompozyty, polimery i monokryształy w zakresie ich zastosowania w generatorach. Zwrócono uwagę na stałe materiałowe, które mają największy wpływ na konwersję energii. W drugiej części artykułu przedstawiono konstrukcje generatorów, najczęściej spotkane w literaturze. Omówiono konstrukcje z piezoelektrycznymi aktywatorami połączonymi z belką wspornikową jak również inne konstrukcje z piezoelektrycznymi aktywatorami o różnych kształtach. W ostatniej części zwrócono uwagę na efektywność przetwarzania energii w zakresie uzyskiwanych wartości mocy elektrycznej.

Słowa kluczowe

czujnik bezprzewodowy, generator piezoelektryczny, materiały piezoelektryczne, pozyskiwanie energii

Bibliography

  1. Anton S. R., Sodano H. A., A review of Power harvesting using piezoelectric materials (2003–2006), “Smart Materials and Structures” 16/2007, 57–63.
  2. Beeby S., Tudor M., White N., Energy harvesting vibration sources for microsystems applications, “Measurement Science and Technology” 17/2006, 175–185.
  3. Cunefare K., Skow E., Erturk A., Savor J., Verma N., Cacan N., Energy harvesting from hydraulic pressure fluctuations, “Smart Materials and Structures” 22/2013.
  4. Cupiał P., Coupled electromechanical vibration problems for piezoelectric distributed-parameter systems, Politechnika Krakowska – seria Mechanika, Kraków 2008.
  5. Defosseux M., Allain M., Basrour S., Comparison of different beam shapes for piezoelectric vibration energy harvesting, Proceedings of PowerMEMS 2010.
  6. Elvin N., Elvin A., Choi D.H., A self-powered damage detection sensor, “The Journal of Strain Analysis for Engineering Design” 2/2003, 115–124.
  7. Erturk A., Renno J., Inman D., Modeling of piezoelectric energy harvesting from an L-shaped beam-mass structure with an application to UAVs, “Journal of Intelligent Material Systems and Structures” 20/2009, 529–544.
  8. Goldschmidtboeing F., Woias P., Characterization of different beam shapes for piezoelectric energy harvesting, “Journal of Micromechanics and Microengineering” 18/2008.
  9. Grzybek D., Wykorzystanie mechanizmu przetwarzania energii w materiałach piezoelektrycznych do sterowania drganiami, „Czasopismo techniczne” 2011, 51–59.
  10. Ilczuk J., Zarycka A., Czerwiec M., Synteza i właściwości i piezoelektryczne ceramiki typu PZT otrzymywanej metodą zolowo-żelową, „Ceramics” 89/2005, 115–121.
  11. Jiang W., Zhang R., Jiang B., Cao W., Characterization of piezoelectric materials with large piezoelectric and electromechanical coupling coefficients, “Ultrasonics” 41/2003, 55–63.
  12. Kim H. W., Priya S., Muchino K., Newnham R.E., Piezoelectric energy harvesting under high pre-stressed cyclic vibrations, “Journal of Electroceramics” 15/2005, 27–34.
  13. Konka H., Wahab M., Lian K., The effects of embedded piezoelectric fiber composite sensors on the structural integrity of glass-fiber–epoxy composite laminate, “Smart Materials and Structures” 21/2012.
  14. Lefeuvre E., Sebald G., Guyomar D., Lallart M., Richard C., Materials, structures and power interfaces for efficient piezoelectric energy harvesting, “Journal of Electroceramics” 22/2009, 171–179.
  15. Li B., Laviage A., You J., Kim Y., Harvesting low-frequency acoustic energy using multiple PVDF beam arrays in quarter-wavelength acoustic resonator, “Applied Acoustic” 74/2013, 1271–1278.
  16. Lu F., Lee H. P., Lim S. P., Modeling and analysis of micro piezoelectric power generators for micro-electromechanical systems applications, “Smart Materials and Structures” 13/2004, 57–63.
  17. Malinowski M., Interkalowany nanokompozyt pvdf: synteza, właściwości, zastosowania, „Prace Instytutu Elektrotechniki” 243/2009, 101–113.
  18. Mathers A., Moon K., Yi J., A Vibration-Based PMN-PT Energy Harvester, “IEEE Sensor Journal” 7/2009, 731–739.
  19. Rodig T., Schonecker A., A Survey on Piezoelectric Ceramics for Generator Applications, “Journal of American Ceramic Society” 93/2010, 901–912.
  20. Roundy S., On the Effectiveness of Vibration-based Energy Harvesting, “Journal of Intelligent Material Systems and Structures” 16/2005, 809–823.
  21. Roundy S., Wright P. K., A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics, “Smart Materials and Structures” 13/2004, 1131–1142.
  22. Rupp C., Evgrafov A., Maute K., Dunn M., Design of Piezoelectric Energy Harvesting Systems: A Topology Optimization Approach Based on Multilayer Plates and Shells, “Journal of Intelligent Material Systems and Structures” 20/2009, 1923–1938.
  23. Simon E., Hamate Y., Nagasawa S., Kuwano H., 3D Vibration harvesting using free moving ball in PZT microbox, “Proceedings of PowerMEMS” 2010.
  24. Sester M., Poizat Ch., E, Effective properties of composites with embedded piezoelectric fibres, “Computational Materials Science” 16/1999, 89–97.
  25. Soobum L., Byeng D. Y., Byung C. J. Robust segmenttype energy harvester and its application to a wireless sensor. “Smart Materials and Structures” 18/2009.
  26. Sun E., Cao W., Han P., Complete set of material properties of [011]c poled 0.24Pb(In1/2Nb1/2)O3–0.46Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–0.30PbTiO3 single crystal, “Materials Letters” 65/2011, 2855–2857.
  27. Swallow L., Luo J., Siores E., Patel I., Dodds D., A piezoelectric fibre composite based energy harvesting device for potential wearable applications, “Smart Materials and Structures” 17/2008.
  28. Woias P., Wischke M., Eichorn Ch., Fuchs B., An energy-autonomous wireless temperature monitoring system powered by piezoelectric energy harvesting, Proceedings of PowerMEMS 2009, 209–212.
  29. Yang Y., Tang L., Li H., Vibration energy harvesting using macro-fiber composites, “Smart Materials and Structures” 18/2009”.
  30. [www.americanpiezo.com] – Piezoelectric Product | Piezo Products & Ceramic Materials Supplier | APC International.
  31. [www.morgantechnicalceramics.com] – Technical Ceramics | Advanced Ceramics | Morgan Ceramics.
  32. [www.piceramic.com] – PI Ceramic: Piezo Ceramics, Custom Piezo Assemblies, Piezo Technology, Piezoelectrics Actuator, PZT Transducers.
  33. [www.smart-material.com] – Smart Material Corp.