Hybrid energy harvester for random direction motion

Abstract

Harvesting energy from ambient sources has sparked significant interest in its potential to drive low-powered electronic devices and reduce electronic waste. Vibration energy harvesting is particularly well suited in these micro-scale types of energy harvesting. A hybrid energy harvester that consists of piezoelectric and electromagnetic energy harvester is the approach to overcome the limitation of a single energy harvester. However, most hybrid energy harvesters suffer from random motion and unidirectional sensitivity as they can only efficiently harvest energy at constant frequency and one direction of motion. The work investigates the capability of an electromagnetic energy harvester and a piezoelectric energy harvester for a wearable device, mainly when operating at a low-frequency range between 1 Hz to 13 Hz at a random direction of human motion. The linear motion of human motion is converted into rotational motion using an eccentric mass. Each time the eccentric mass passes the beam, the magnets repel each other, resulting in the beam deflecting to its maximum possible deflection. This technique is known as the magnetic plucking technique and simultaneously changes magnetic flux around the wound copper coil to generate the largest amount of current. When the eccentric mass rotates at a constant frequency of 5 Hz, the DC voltage produced is 1.5 V, 4.9 mA, and 7.35 mW. In contrast, when manually rotated using hand, it generates 1.4 V, 4.7 mA, and 6.58 mW. However, when the full-bridge circuit replaces with a voltage doubler circuit, the voltage increases to 3.2 V and 3.8 V respectively although the current reduces to half. This research demonstrated the ability of the hybrid energy harvester to effectively harvest energy at low-frequency inputs. The findings of this work provide the possibility to cater for the energy demand for wearable electronic devices and efficiently generate energy at a low and random frequency of human motion.

Penjanaan tenaga dari sumber persekitaran telah menarik minat yang besar terhadap potensinya untuk menghidupkan alatan electronik berkuasa rendah dan mengurangkan sisa electronic. Penjanaan tenaga dari getaran sangat sesuai untuk jenis penjanaan tenaga mikro ini. Penuaian tenaga secara hibrid adalah salah satu pendekatan untuk penjanaan tenaga yang tinggi dari sumber getaran dan mampu menghidupan kebanyakkan peranti electronic. Walau bagaimanapun, kebanyakkan penjana tenaga melalui hybrid menderita akibat pergerakkan rawak dan pergerakkan sehala kerana mereka hanya dapat menuai tenaga secara efisien pada frekuensi tetap dan satu arah gerakan. Penyelidikan ini menyiasat keupayaan penuai tenaga elektomagnetik dan penuai tenaga piezoelekrik untuk peranti dipakai, terutamanya ketika beroperasi pada julat frekuensi rendah antara 1 Hz hingga 5 Hz pada arah gerakan secara rawak. Gerakan linear iaitu gerakan manusia diubah menjadi gerakan putaran menggunakan jisim eksentrik. Setiap kali jisim eksentrik melepasi bilah PZT, magnet saling menolak satu sama lain, sehingga bilah PZT memesong ke pesongan maksimum. Teknik ini dikenali sebagai teknik pemesong magnetik dan secara serentak, menukar fluks magnet di sekitar gegelung tembaga untuk menghasilkan jumlah arus elektrik yang besar. Apabila jisim eksentrik berputar pada frekuensi tetap 5 Hz, voltan DC yang dihasilkan adalah 1.5 V, 4.9 mA dan 7.35 mW. Sebaliknya, apabila diputar secara manual menggunakan tangan, ia menghasilkan 1.4 V, 4.7 mA dan 6.58 mW. Namun apabila litar pengubah ditukar kepada litar mengganda voltan, voltan meningkat menjadi 3.2 V dan 3.8 V masing-masing. Penyelidikan ini menunjukkan kemampuan penjana tenaga hibrid untuk menjana tenaga secara berkesan, tanpa mengira input frekuensi rendah (1-5 Hz), kerana frekuensi dominan bilah PZT adalah 16 Hz. Hasil kajian ini memberikan kemungkinan untuk memenuhi permintaan tenaga untuk peranti elektronik yang boleh dipakai dan menjana tenaga secara efisien pada frekuensi pergerakan manusia yang rendah dan rawak.