scholarly journals The effect of poling conditions on the performance of piezoelectric energy harvesters fabricated by wet chemistry

2015 ◽  
Vol 3 (18) ◽  
pp. 9837-9842 ◽  
Author(s):  
Erika M. A. Fuentes-Fernandez ◽  
Bruce E. Gnade ◽  
Manuel A. Quevedo-Lopez ◽  
Pradeep Shah ◽  
H. N. Alshareef
Keyword(s):  
Thin Films ◽  
Power Output ◽  
Sol Gel ◽  
Wet Chemistry ◽  
Energy Harvesters ◽  
Piezoelectric Thin Films ◽  
Piezoelectric Energy

The effect of poling conditions on the power output of piezoelectric energy harvesters using sol–gel based Pb(Zr0.53,Ti0.47)O3–Pb(Zn1/3,Nb2/3)O3 piezoelectric thin-films has been investigated.

Geometric and Material Optimization of Vortex-Induced Vibration Micro Energy Harvesters for Localized Wind Environments

2012 ◽  
Author(s):  
Jesse J. French ◽  
Colton T. Sheets
Keyword(s):  
Energy Harvesting ◽  
Power Output ◽  
Fluid Velocity ◽  
Frequency Variation ◽  
Vortex Induced Vibration ◽  
Energy Harvesters ◽  
Wind Speeds ◽  
Material Optimization ◽  
Piezoelectric Energy ◽  
Wind Velocities

Wind energy capture in today’s environment is often focused on producing large amounts of power through massive turbines operating at high wind speeds. The device presented by the authors performs on the extreme opposite scale of these large wind turbines. Utilizing vortex induced vibration combined with developed and demonstrated piezoelectric energy harvesting techniques, the device produces power consistent with peer technologies in the rapidly growing field of micro-energy harvesting. Vortex-induced vibrations in the Karman vortex street are the catalyst for energy production of the device. To optimize power output, resonant frequency of the harvester is matched to vortex shedding frequency at a given wind speed, producing a lock-on effect that results in the greatest amplitude of oscillation. The frequency of oscillation is varied by altering the effective spring constant of the device, thereby allowing for “tuning” of the device to specific wind environments. While localized wind conditions are never able to be predicted with absolute certainty, patterns can be established through thorough data collection. Sampling of local wind conditions led to the design and testing of harvesters operating within a range of wind velocities between approximately 4 mph and 25 mph. For the extremities of this range, devices were constructed with resonant frequencies of approximately 17 and 163 Hz. Frequency variation was achieved through altering the material composition and geometry of the energy harvester. Experimentation was performed on harvesters to determine power output at optimized fluid velocity, as well as above and below. Analysis was also conducted on shedding characteristics of the device over the tested range of wind velocities. Computational modeling of the device is performed and compared to experimentally produced data.

Biocompatible, Flexible, and Compliant Energy Harvesters Based on Piezoelectric Thin Films

2018 ◽  
Vol 17 (2) ◽  
pp. 220-230 ◽  
Author(s):  
Maria Teresa Todaro ◽  
Francesco Guido ◽  
Luciana Algieri ◽  
Vincenzo M. Mastronardi ◽  
Denis Desmaele ◽  
...  
Keyword(s):  
Thin Films ◽  
Energy Harvesters ◽  
Piezoelectric Thin Films

Investigation of power output and efficiency of piezoelectric energy harvesters

2021 ◽  
Author(s):  
Αντιόπη-Μαλβίνα Σταματέλλου
Keyword(s):  
Power Output ◽  
Energy Harvesters ◽  
Piezoelectric Energy ◽  
Super Capacitors

Η πιεζοηλεκτρική συγκομιδή ενέργειας αφορά στην εκμετάλλευση μικροποσοτήτων ενέργειας από το περιβάλλον στην κλίμακα των mW, με βάση την αρχή του πιεζο-ηλεκτρικού φαινομένου. Ερευνάται εντατικά την τελευταία 20-ετία με στόχο να τροφοδοτηθούν απομακρυσμένα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, μικροηλεκτρονικές και βιοϊατρικές συσκευές στα πλαίσια της ευρείας διάδοσης του IoT, αποφεύγοντας τη χρήση συσσωρευτών και καλωδιώσεων. Παρά την σημαντική ερευνητική προσπάθεια οι τεχνολογίες της πιεζοηλεκτρικής συγκομιδής ενέργειας (PEH) ευρίσκονται ακόμη σε χαμηλό επίπεδο τεχνολογικής ετοιμότητας και υπάρχουν λίγες μόνο ολοκληρωμένες εφαρμογές. Έχοντας διαπιστώσει σχετική έλλειψη σε πειραματικές διερευνήσεις έναντι των καθαρά θεωρητικών, επιλέχθηκε ως κύριος αντικειμενικός στόχος της εργασίας η υποστήριξη της διαδικασίας σχεδιασμού των PEH μέσω πειραματικής διερεύνησης των χαρακτηριστικών λειτουργίας εμπορικά διαθέσιμων πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων και ορισμού κατάλληλων δεικτών αξιολόγησης του βαθμού απόδοσης και της ειδικής ισχύος τους. Με τον τρόπο αυτό γίνεται εφικτή η δίκαια αξιολόγηση της πραγματικής απόδοσης των PEH κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες ροϊκά επαγόμενης και μηχανικής ταλάντωσης. Οι εργαστηριακές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε καινοτόμα σχεδιασμένες πειραματικές διατάξεις που κατασκευάστηκαν ειδικά για τις ανάγκες της διατριβής. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων έγινε τόσο με συμβατικές όσο και με καινοτόμες μεθόδους. Οι συγκεκριμένες διατάξεις επιτρέπουν την συστηματική αξιολόγηση της απόδοσης σε συνδυασμό ευρείας περιοχής συχνοτήτων ταλάντωσης βάσης και συνθηκών ροής, ώστε να γίνεται εφικτή η χαρτογράφηση σε δύο διαστάσεις της ειδικής ισχύος και του βαθμού απόδοσης. Αντίθετα με την επικρατούσα πρακτική του ορισμού βαθμού απόδοσης με βάση θεωρητικό γραμμικό μοντέλο της ταλάντωσης, διατυπώθηκε καινοτόμος ορισμός με βάση το ρυθμό μεταβολής της ελαστικής ενέργειας του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου. Ο προτεινόμενος ορισμός είναι πιο ρεαλιστικός, αφού η ελαστική ενέργεια παραμόρφωσης κατέστη δυνατόν να μετρηθεί με βάση μεθοδολογία ψηφιοποίησης της ελαστικής γραμμής με χρήση γραμμικού laser που επιτρέπει την οπτικοποίηση με φωτογράφηση, αλλά και με βάση βιντεοσκόπηση σε 960 fps της ταλάντωσης. Έχει δε το πρόσθετο πλεονέκτημα ότι μπορεί να εφαρμοστεί και σε συνδυασμένη ροϊκή και μηχανική διέγερση. Η εργασία έλαβε υπόψη τον λεπτομερή σχεδιασμό των εξεταζόμενων πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων, ως σύνθετης πλάκας σε καμπτική ταλάντωση, στους υπολογισμούς ελαστικής ενέργειας παραμόρφωσης, ειδικής ισχύος και βαθμού απόδοσης. Έγινε συγκριτική αξιολόγηση, με βάση την αναπτυχθείσα μεθοδολογία, δύο αντιπροσωπευτικών αισθητήρων με διαφορετικό πιεζοηλεκτρικό υλικό (PZT και PVDF), με επιπλέον χρήση υπερ-πυκνωτών (super capacitors) στο κύκλωμα αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία οδήγησε σε περαιτέρω αύξηση του βαθμού απόδοσης. Η συγκριτική αξιολόγηση των αισθητήρων αυτών οδήγησε σε χρήσιμα συμπεράσματα για περαιτέρω βελτιώσεις στο λεπτομερή σχεδιασμό τους, με στόχο την αύξηση της ειδικής ισχύος και βαθμού απόδοσης. Έγινε δε εφικτό να διεγερθεί ροϊκά ο μετατροπέας από PZT, υψηλής καμπτικής στιβαρότητας, με τοποθέτηση στο ελεύθερο άκρο του ειδικά σχεδιασμένης υπερκατασκευής, οπότε και επιβεβαιώθηκε ότι η συνδυασμένη διέγερση του συγκεκριμένου τύπου μετατροπέα ικανοποιεί την αρχή της επαλληλίας. Η νέα αυτή οπτική επιτρέπει την ορθολογική πλέον αξιολόγηση της απόδοσης διαφορετικού τύπου και σχεδιασμού αισθητήρων και παρέχει εξηγήσεις σχετικά με τις μεγάλες διακυμάνσεις των μεγεθών αυτών στην εξειδικευμένη βιβλιογραφία. Επιπλέον συνεισφέρει στην ορθολογική βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των μετατροπέων ως σύνθετων πλακών, ώστε να ανταποκρίνονται στις ανάγκες συγκεκριμένων εφαρμογών, με λήψη υπόψη των επιπέδων διέγερσης των πηγών και τις διαθέσιμες θέσεις ταλάντωσης.

Fabrication of High-Efficiency Piezoelectric Energy Harvesters of Epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 Thin Films by Laser Lift-off

ENERGYO ◽  
2018 ◽  
Author(s):  
Eisaku Suwa ◽  
Yuichi Tsujiura ◽  
Fumiya Kurokawa ◽  
Hirotaka Hida ◽  
Isaku Kanno
Keyword(s):  
Thin Films ◽  
High Efficiency ◽  
Energy Harvesters ◽  
Piezoelectric Energy ◽  
Lift Off

Piezoelectric Properties of Sol-Gel Derived PZT Thin Films with Various Zr/Ti Ratios

1997 ◽  
Vol 493 ◽  
Author(s):  
G. Teqwee ◽  
K. C. McCarthy ◽  
F. S. McCarthy ◽  
D. G. Davis ◽  
J. T. Dawley ◽  
...  
Keyword(s):  
Thin Films ◽  
Lead Zirconate Titanate ◽  
Single Phase ◽  
Piezoelectric Properties ◽  
Sol Gel ◽  
Lead Zirconate ◽  
Piezoelectric Thin Films ◽  
Microelectromechanical Devices ◽  
Acoustic Wave Devices ◽  
Optical Lever

ABSTRACTPiezoelectric thin films are useful for application in microelectromechanical devices. A series of sol-gel derived PZT (lead zirconate titanate) thin films with various Zr/Ti ratios were prepared on platinized substrates. These films were fired to 650C - 700C to crystallize them into single-phase perovskite films, and their piezoelectric properties were measured using optical lever-based instrumentation. Large d33 piezoelectric coefficients up to 400 pm/V were obtained at the morphotropic phase boundary (PZT 53/47), making such films attractive in applications such as thin film transducers, microcanti levers and surface acoustic wave devices.

scholarly journals The Effect of Axial Displacement of Magnets in Piezoelectric Energy Harvester

2018 ◽  
Vol 7 (3.7) ◽  
pp. 95
Author(s):  
Li Wah Thong ◽  
Yu Jing Bong ◽  
Swee Leong Kok ◽  
Roszaidi Ramlan
Keyword(s):  
Frequency Spectrum ◽  
Power Output ◽  
Energy Harvester ◽  
Vibrational Energy ◽  
Vibration Energy ◽  
Vibration Energy Harvester ◽  
Energy Harvesters ◽  
Piezoelectric Energy ◽  
Operational Frequency ◽  
And Performance

The utilization of vibration energy harvesters as a substitute to batteries in wireless sensors has shown prominent interest in the literature. Various approaches have been adapted in the energy harvesters to competently harvest vibrational energy over a wider spectrum of frequencies with optimize power output.   A typical bistable piezoelectric energy harvester, where the influence of magnetic field is induced into a linear piezoelectric cantilever, is designed and analyzed in this paper. The exploitations of the magnetic force specifically creates nonlinear response and bistability in the energy harvester that extends the operational frequency spectrum for optimize performance.  Further analysis on the effects of axial spacing displacement between two repulsive magnets of the harvester, in terms of x-axis (horizontal) and z-axis (vertical) on its natural resonant frequency and performance based on the frequency response curve are investigated for realizing optimal power output. Experimental results show that by selecting the optimal axial spacing displacement, the vibration energy harvester can be designed to produce maximized output power in an improved broadband of frequency spectrum.  

Fabrication of High-Efficiency Piezoelectric Energy Harvesters of Epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 Thin Films by Laser Lift-off

2016 ◽  
Vol 3 (1) ◽  
Author(s):  
Eisaku Suwa ◽  
Yuichi Tsujiura ◽  
Fumiya Kurokawa ◽  
Hirotaka Hida ◽  
Isaku Kanno
Keyword(s):  
Thin Films ◽  
High Efficiency ◽  
Vibration Energy ◽  
Energy Harvesters ◽  
Piezoelectric Energy ◽  
Lift Off ◽  
Piezoelectric Vibration

AbstractWe fabricated piezoelectric vibration energy harvesters of

Erratum: Designing maximum power output into piezoelectric energy harvesters

2012 ◽  
Vol 21 (10) ◽  
pp. 109601 ◽  
Author(s):  
Michael W Shafer ◽  
Matthew Bryant ◽  
Ephrahim Garcia
Keyword(s):  
Power Output ◽  
Maximum Power ◽  
Energy Harvesters ◽  
Maximum Power Output ◽  
Piezoelectric Energy

scholarly journals Strain-Mediated Substrate Effect on the Dielectric and Ferroelectric Response of Potassium Sodium Niobate Thin Films

Coatings ◽  
2018 ◽  
Vol 8 (12) ◽  
pp. 449 ◽  
Author(s):  
Alexander Tkach ◽  
André Santos ◽  
Sebastian Zlotnik ◽  
Ricardo Serrazina ◽  
Olena Okhay ◽  
...  
Keyword(s):  
Thin Films ◽  
Parallel Plate ◽  
Strain State ◽  
Low Cost ◽  
Sol Gel ◽  
Sodium Niobate ◽  
Thermal Expansion Mismatch ◽  
Potassium Sodium Niobate ◽  
Parallel Plate Capacitor ◽  
Piezoelectric Thin Films

If piezoelectric thin films sensors based on K0.5Na0.5NbO3 (KNN) are to achieve commercialization, it is critical to optimize the film performance using low-cost scalable processing and substrates. Here, sol–gel derived KNN thin films are deposited using a solution with 5% of potassium excess on Pt/TiO2/SiO2/Si and Pt/SrTiO3 substrates, and rapid thermal annealed at 750 °C for 5 min. Despite an identical film morphology and thickness of ~335 nm, an in-plane stress/strain state is found to be tensile for KNN films on Pt/TiO2/SiO2/Si, and compressive for those on Pt/SrTiO3 substrates, being related to thermal expansion mismatch between the substrate and the film. Correspondingly, KNN films under in-plane compressive stress possess superior dielectric permittivity and polarization in the parallel-plate-capacitor geometry.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document