[論文レビュー] Limits to inertial vibration power harvesting: power-spectral-density approach and its applications

Akshay Ananthakrishnan, Inna Kozinsky+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2014

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ランダムな振動源からの共鳴型慣性振動エネルギー回収素子の理論的最高出力の決定のため、パワースペクトル密度（PSD）アプローチを提案する。振動加速度のPSDを分析することで、サイズ依存の出力制限を確立し、並進型回収素子が回転型を上回ることを示し、実用的限界は、パワー・ツールで約300 mW/g、歩行で約1 mW/g、車体で約0.1 mW/gである。

ABSTRACT

Maximum output powers of vibration-driven inertial power harvesters reported in literature exhibit sizable variations, even when normalized by the device weight or their maximum linear size. To help establish a common benchmark, we present a power-spectral-density based approach for estimating the maximum power that can be obtained using a resonant inertial power harvester from a random (aperiodic) vibration source with a given power spectral density. In the simplest case of unlimited harvester size, the maximum obtainable power is simply proportional to the maximum value of the power spectral density of vibration acceleration. We describe in detail the underlying theory and the practical method for evaluating these limits. We also present a simple analytical formula to estimate the minimum harvester size required for obtaining the maximum possible power. Specific power limits are derived as function of harvester size for three practical examples of vibration sources: (a) pneumatic power tool, (b) the body of an idling Mazda RX7 sports car, and (c) human walking motion. Characteristic power spectra and optimum design parameters (quality factor and resonant frequency) are presented for both translational and rotational harvesters. Translational harvesters generally outperform rotational ones for realistic harvester sizes, with the power tool vibrations yielding a practical power limit of ~300 mW per gram of inertial mass, followed by walking at ~1mW/g, while the vibrations of a car body yield ~0.1 mW/g or less.

研究の動機と目的

• 多様な振動源における慣性振動エネルギー回収素子の比較のための標準化ベンチマークを確立すること。
• 報告された出力の大きなばらつきを、デバイスのサイズと振動源の特性に基づいて正規化することで解消すること。
• パワースペクトル密度（PSD）分析を用いて、ランダムな振動源からの最大出力の解析的表現を導出すること。
• 与えられた振動スペクトルに対して最大理論出力を達成するための最小回収素子サイズを特定すること。
• 現実的なサイズ制約下での並進型と回転型回収素子構成の性能を比較すること。

提案手法

• 振動加速度のパワー・スペクトル密度（PSD）に基づく理論的枠組みを構築し、最大回収可能出力を推定する。
• 回収素子サイズが制限されない場合、最大出力が加速度のPSDのピーク値に比例することを導出する。
• 品質要因と共振周波数を設計パrameterとする、共鳴型質量-ばね-ダンパー・モデルを用いて回収素子のダイナミクスを表現する。
• 与えられたPSDスペクトルからの最大出力抽出のための最適品質要因と共振周波数を特定するため、解析的最適化を適用する。
• 与えられた振動源に対してほぼ最大出力を達成するための最小回収素子サイズを推定する閉形式式を導入する。
• 実測PSDデータを用いて、気動的パワー・ツール、停止中の車体、人の歩行という3つの実世界の振動源にモデルを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴型慣性回収素子を用いて、ランダムな振動源から回収可能な理論的最高出力は何か？
• RQ2 最大回収可能出力は回収素子サイズにどのように依存するか。また、ほぼ最大性能を達成するための最小サイズは何か？
• RQ3 同じ振動源とサイズ条件下で、並進型と回転型回収素子構成の出力性能はどのように比較できるか？
• RQ4 パワー・ツール、車両エンジン、人の運動といった一般的な振動源における実用的出力限界は何か？
• RQ5 異なる振動スペクトルと回収素子タイプにおいて、最適設計パrameter（共振周波数と品質要因）はどのように変化するか？

主な発見

• 回収素子サイズが制限されない場合、最大出力は振動加速度のパワー・スペクトル密度（PSD）のピーク値に直接比例する。
• 現実的なデバイスサイズにおいて、並進型回収素子は、より高い有効質量利用度と低い機械的損失により、回転型を上回る性能を示す。
• 気動的パワー・ツールからの振動に対して、実用的出力限界はおおよそ1gの慣性質量あたり300 mWである。
• 人の歩行運動に対しては、理論的出力限界が1gあたり約1 mWである。
• 停止中のマツダRX7の車体からの振動に対しては、周波数成分に応じて最大出力が0.1 mW/gまたはそれ以下と推定される。
• 最大出力を達成するための最小回収素子サイズを推定する簡単な解析的式を提供しており、効率的な設計のトレードオフを可能にする。