Development of wide spectrum energy harvesting devices

Outstanding developments in wireless sensor nodes (WSNs) technology for collecting data by numerous sensors embedded in the surroundings is the beginning step of founding smart cities. Providing the energy sources for sensors deployed in remote and difficult to access locations is one of the big challenges of this technology. Supplying power from the ambient source of energy for these devices is an interesting solution. Among several ambient energy sources, mechanical vibration energy source is more talented for energy harvesting. Piezoelectric transduction is a promising mechanism for vibration-to-electricity conversion. Additionally, due to high energy density and low fabrication cost, piezoelectric ceramic materials are preferable to apply in energy harvesting devices. As far as, most of the ambient vibration sources are in low wideband frequencies, designing the broadband harvester to cover some parts of the ambient frequency bandwidth is an attractive subject for investigation. In the present work, by considering the broadband techniques for energy harvesters, a new configuration for broadband harvester is proposed. It is a multi-modal cantilever harvester with three flexible beams those are connected at the end by rigid parts and shaped the S letter. This S-shaped structure with single bimorph patches on the clamped beam is able to create several low closed natural frequencies with almost the same mode shapes at the first three modes without strain nodes. First, the theoretical model of the structure for obtaining natural frequencies and mode shapes is derived by considering both longitudinal and transversal vibration of the structure. Then, the distributed-parameter electromechanical model for the simple beam is developed for the S-shaped harvester with single patches. Moreover, closed form expression for harvested voltage and power are extracted for the first three modes. Validated results with experimental data confirmed the accuracy of the theoretical model and its reliability for further investigation. Next, for the high amplitudes of excitation, the prototype is tested experimentally and it validated the improved theoretical model for justifying the softening effect at resonance frequencies. The results approved that softening could considerably increase the frequency bandwidth of this multi-modal harvester. Magnetic interaction nonlinearity is an intentional nonlinearity that imposed to this harvester to create softening and hardening by adjusting the magnetic force. Interestingly, by increasing the repulsive force, the harvester experiences both the softening and hardening and its efficiency is higher when softening happens. Last but not least, internal resonance effects for this nonlinear multi-modal broadband harvester is investigated for both harmonic and random base acceleration. The results confirmed that appearing internal resonance could strongly improve the efficiency of the harvester in harmonic base acceleration. In contrast, for random base excitation, it was not so supportive of efficiency improvement. At the end, this broadband harvester is the combination of multi-modal and nonlinear broadband techniques that not only could considerably increase the frequency bandwidth and efficiency but also reduced the cost of fabrication because of using less piezoelectric layers and less complex interface circuits.

Lo sviluppo di una tecnologia innovativa basata sui nodi a sensori wireless (WSN) per la raccolta dei dati da numerosi sensori incorporati nell’ambiente circostante è il primo passo per la costruzione di città intelligenti. Fornire le fonti di energia per i sensori distribuiti in remoto e la difficoltà di accesso ad alcuni luoghi sono le maggiori sfide per questa tecnologia. Fornire energia a questi dispositivi dall’ambiente circostante può essere una soluzione interessante. Tra le varie fonti di energia ottenibile dall’ambiente circostante, l’energia meccanica da vibrazioni è la più adeguata per la raccolta di energia. La trasduzione piezoelettrica è un meccanismo promettente per la conversione delle vibrazioni in energia elettrica. Inoltre, grazie alla elevata densità di energia e al basso costo di fabbricazione, i materiali ceramici piezoelettrici sono preferibili per applicazioni in dispositivi di raccolta di energia. Per quanto riguarda la maggior parte delle sorgenti di vibrazioni ambientali, esse sono in bassa frequenza e caratterizzate da una larga banda, la progettazione di un dispositivo a banda larga in grado di coprire alcune parti della banda di frequenza ambiente risulta quindi essere un interessante argomento di indagine. Nel presente lavoro, prendendo in considerazione le tecniche a banda larga per la raccolta di energia, si presenta una nuova configurazione per un dispositivo di raccolta di energia a banda larga. Si tratta di un dispositivo a sbalzo multi-modale con tre fasci flessibili i quali sono collegati in fondo da parti rigide e sagomato con la forma della lettera S. Questa struttura a forma di S con singoli pezzi bimorfi è in grado di creare diverse basse frequenze naturali chiuse con quasi le stesse forme modali dei primi tre modi senza nodi di deformazione. Innanzitutto, il modello teorico della struttura per l'ottenimento di frequenze e di forme modali deriva considerando sia le vibrazioni longitudinali che trasversali della struttura. Poi, il modello elettromeccanico distributed-parameter per il fascio semplice sviluppato per il dispositivo a forma di S con singoli patch. Inoltre, un’espressione di forma chiusa per la raccolta di tensione e potenza viene estrapolata per i primi tre modi. Risultati convalidati con i dati sperimentali hanno confermato l'accuratezza del modello teorico e la sua affidabilità per ulteriori indagini. Successivamente, per le elevate ampiezze di eccitazione, il prototipo è stato testato sperimentalmente ed ha convalidato il modello teorico perfezionato per giustificare l'effetto di ammorbidimento a frequenze di risonanza. I risultati sono in accordo che l’ammorbidimento potrebbe aumentare notevolmente la larghezza di banda di frequenza di questo dispositivo di raccolta multimodale. L’interazione magnetica non lineare è una non linearità intenzionale che imponeva a questo dispositivo di creare ammorbidimento e indurimento regolando la forza magnetica. È interessante notare che, aumentando la forza repulsiva, il dispositivo prova sia il rammollimento che l’indurimento e la sua efficienza è più alta quando avviene il rammollimento. Ultimo ma non meno importante, gli effetti interni di risonanza per questo dispositivo non lineare a banda larga multi-modale sono stati indagato per l'accelerazione base sia armonica che casuale. I risultati hanno confermato che l’apparizione di risonanza interna può fortemente migliorare l'efficienza del dispositivo in accelerazione base armonica. Al contrario, per l'eccitazione base casuale, non era così favorevole al miglioramento dell'efficienza. Infine, questo dispositivo a banda larga è la combinazione di tecniche multi-modali e banda larga non lineari che non solo potrebbe aumentare considerevolmente la larghezza di banda di frequenza e l'efficienza, ma anche ridurre il costo di fabbricazione grazie all'utilizzo di meno strati piezoelettrici e circuiti di interfaccia meno complessi.