[论文解读] Smart materials and structures for energy harvesters

Tian Liu, Sanwei Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2017

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 41被引用 3

一句话总结

本文综述了用于振动能量收集器的智能材料与结构设计，重点探讨了压电材料和碳纳米管，以提高能量转换效率。通过分析换能机制和先进技术，解决了带宽窄和低频运行等挑战，为在具有可变振动源的实际应用中优化收集器提供了全面的框架。

ABSTRACT

Vibrational energy harvesters capture mechanical energy from ambient vibrations and convert the mechanical energy into electrical energy to power wireless electronic systems. Challenges exist in the process of capturing mechanical energy from ambient vibrations. For example, resonant harvesters may be used to improve power output near their resonance, but their narrow bandwidth makes them less suitable for applications with varying vibrational frequencies. Higher operating frequencies can increase harvesters power output, but many vibrational sources are characterized by lower frequencies, such as human motions. This paper provides a thorough review of state of the art energy harvesters based on various energy sources such as solar, thermal, electromagnetic and mechanical energy, as well as smart materials including piezoelectric materials and carbon nanotubes. The paper will then focus on vibrational energy harvesters to review harvesters using typical transduction mechanisms and various techniques to address the challenges in capturing mechanical energy and delivering it to the transducers.

研究动机与目标

• 分析利用机械能、热能、电磁能和太阳能等多种能量源的收集器技术的最新进展。
• 识别从环境振动中捕获机械能的关键挑战，特别是带宽窄和低频运行问题。
• 评估压电材料和碳纳米管等智能材料在提升换能效率方面的潜力。
• 探索可增强在不同振动频率下输出功率和运行稳定性的结构与设计技术。
• 系统性地回顾换能机制，并提出提升实际应用中能量收集性能的策略。

提出的方法

• 系统性综述基于压电和碳纳米管换能机制的振动能量收集器。
• 分析谐振型收集器及其局限性，特别是带宽窄和对频率偏移敏感的问题。
• 评估拓宽工作带宽的技术，包括非线性力学和多自由度结构设计。
• 研究提高工作频率以增加输出功率的策略，尽管环境振动源多为低频，需创新结构设计以匹配输入条件。
• 考察可优化机械能到电能转换效率的结构构型。
• 整合材料与结构创新，以提升在可变振动条件下能量收集的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 谐振型收集器在不同振动频率下的性能如何？其实际部署受到哪些因素限制？
• RQ2 智能材料如压电材料和碳纳米管在提升能量转换效率方面发挥何种作用？
• RQ3 哪些结构与机械设计策略能有效拓宽振动能量收集器的工作带宽？
• RQ4 如何优化能量收集器以适应低频源（如人体运动）？
• RQ5 将环境机械振动高效转换为可用电能的最有效换能机制是什么？

主要发现

• 谐振型收集器在共振频率附近输出功率较高，但因带宽窄，限制了其在频率变化环境中的应用。
• 压电材料因能量转换效率高且与微加工技术兼容，被广泛应用。
• 碳纳米管因其高机械强度和可调的电学性能，在纳米尺度实现高效能量收集方面展现出巨大潜力。
• 非线性力学和多质量体结构等技术显著拓宽了振动收集器的工作带宽。
• 高频运行可提高输出功率，但多数环境振动源为低频，因此需创新的结构设计以匹配输入条件。
• 将智能材料与优化的结构几何形状相结合，可显著提升在多样化且不可预测的振动输入下的能量收集性能。