Experimental investigations on energy harvesting from mechanical vibrations of buildings using macro fiber composite

• Autorzy: Grzybek D. , Micek P.

Identyfikatory

DOI

10.7494/mech.2016.35.1.1

Warianty tytułu

PL

Eksperymentalne badania nad pozyskiwaniem energii z drgań mechanicznych budynków z wykorzystaniem kompozytu macro fiber

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The monitoring of a structure (e.g., a building) enables safe utilization of such a structure. A large number of sensors that measure selected parameters are often required in applied monitoring systems. Cables or batteries are used to power such sensors. This leads to an increase in utilization costs, as the cables have to be spatially located in a monitored building structure, or batteries have to be changed periodically. The use of the natural properties of piezoelectric materials that convert mechanical energy into electńcal energy in places where sensors are mounted is a promising field of wireless monitońng system development. This article presents the results of an experimental study for an energy harvesting system using a piezoelectric composite - the Macro Fiber Composite (MFC). The device used for energy harvesting has a beam structure that was achieved by gluing steel and MFC together. In laboratory research, the characteristics of generated currents and electńcal power were obtained for several values of vibration amplitude. The most important conclusion was that the resonant frequency of a piezoelectric beam generator should be established (by the selection of proper dimension or land mass) both for the vibration frequency of the monitored mechanical structure and the vibration amplitude of this structure.

PL

Monitorowanie stanu konstrukcji np. budowlanej pozwala na jej bezpieczną eksploatację. Często w stosowanych w tym celu systemach monitorowania wymagane jest zastosowanie znacznej liczby czujników, mierzących wybrane parametry. Do zasilania tych czujników stosuje się kable lub baterie, co prowadzi do większych kosztów eksploatacji konstrukcji budowlanej, gdyż w przypadku kabli muszą być one umieszczone w monitorowanej konstrukcji, a w przypadku baterii muszą być one wymieniane co pewien czas. Wykorzystanie właściwości materiałów piezoelektrycznych do konwersji energii mechanicznej na elektryczną w miejscach zamontowania czujników jest obiecującym kierunkiem rozwoju bezprzewodowych systemów monitoringu. W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych układu pozyskiwania energii, w którym wykorzystano kompozyt piezoelektryczny Macro Fiber Composite (MFC). Urządzenie do pozyskiwania energii miało konstrukcję belkową otrzymaną przez sklejenie stali i MFC. W badaniach laboratoryjnych uzyskano charakterystyki generowanego natężenia prądu i mocy elektrycznej przy zmianach wartości amplitudy drgań. Na podstawie badań m.in. wykazano, że częstotliwość rezonansowa piezoelektrycznego generatora o konstrukcji belkowej powinna być ustalana (przez odpowiedni dobór wymiarów lub/i masy) zarówno na podstawie najczęściej występującej częstotliwości drgań monitorowanej konstrukcji mechanicznej, jak i na podstawie najczęściej występujących amplitud drgań tej konstrukcji.

Słowa kluczowe

EN

energy harvesting; piezoelectric composite; monitoring; vibrations

PL

pozyskiwanie energii; kompozyt piezoelektryczny; monitoring; wibracje

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Mechanics and Control
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 35, no. 1
• Strony: 1--5
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Grzybek D.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Krakow, Poland

autor

Micek P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Krakow, Poland

Bibliografia

• 1. Chan T.H., Yu L, Tam H.Y., Ni Y. Q., Liu S.Y., Chung W.H., Cheng L.K., 2006, Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma bridge: Background and experimental observation. Engineering Structures, 28, 5, 648-659.
• 2. De Roeck G., Peeters B., Maeck L, 2000, Dynamic monitoring of civil engineering structures. Proceedings of IASS-IACM, Athens, Greece.
• 3. Kim H.S., Kim J.H., Kim L, 2011, A review of piezoelectric energy harvesting based on vibration. International lournal of Precision Engineering and Manufacturing, 12, 6, 1129-1141.
• 4. Kim S., Pakzad S., Culler D., Demmel I., Fenves G, Glaser S., Turoń M., 2007, Health monitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks. Proceedings of 6th International Symposium on Information Processing in Sensor Networks, general chair: Tarek Abdelzaher, Cambridge, USA, 25-27 April, 254-263.
• 5. Lefeuvre E., Sebald G., Guyomar D., Lallart M., Richard C, 2009, Materials, structures and power interfaces for efficient piezoelectric energy harvesting. lournal of Electroceramics, 22, 171-179.
• 6. Lynch I.P., Lohg K.I., 2006, A summary review of wireless sensors and sensor networks for structural health monitoring. The Shock and Vibration Digest, 38, 2, 91-128.
• 7. Roundy S., 2005, Improving power output for vibration-based energy scavengers. Pervasive Computing, IEEE, 4, 28-36.
• 8. Roundy S., Wright P.K., 2004, A piezoelectric vibration-based generator for wireless electronics. Smart Materials and Structures, 13,1131-1142.
• 9. Soobum L, Byeng D.Y., Byung C.I., 2009, Robust segment-type energy harvester and its application to a wireless sensor. Smart Materials and Structures, 18, 9, article no. 095021.
• 10. Yang Y., Tang L, Li H., 2009, Vibration energy harvesting using macro-fiber composites. Smart Materials and Structures, 18, 11, article no. 115025.