Energy harvesting from walking using piezoelectric cymbal and diaphragm type structures

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>Many electrical devices already surround us in our everyday life. Some devices monitor car performance and traffic while others exist in handheld devices used by the general public. Electrical devices also control manufacturing processes and protect workers from exposure to hazardous working environment. All these devices require electricity to operate. This exponential growth of low power electronic devices in industry, healthcare, military, transportation and in portable personal devices has led to an urgent need for system integrated energy sources.</p><p>Many energy harvesting technologies have been developed to serve as a power source in close proximity to the electrical device itself. Solar and magnetic energy harvesters are the most common solutions when conditions are suitable. A more recent technique, called piezoelectric energy harvesting, has raised significant interest among scientists and in industry. Through piezoelectric (ceramic) material mechanical energy can be harvested and converted to electrical energy. This method requires accurate analysis of the kinetic energy experienced by the piezoelectric material so that the mechanics can be suitably designed. At the same time the mechanical design has to protect the piezoelectric material from intense forces that might cause cracks, while still transmitting the kinetic energy efficiently. These requirements usually mean a specific energy harvest design for each ambient energy source at hand.</p><p>This thesis is focused on energy harvesting from low frequency compressions using piezoelectric ceramic materials. The objective was to manufacture, measure and implement structures that could sustain the forces experienced under the heel of a foot and maximize the harvested energy amount and efficiency. Two different construction designs were developed and optimised with an iterative process. The kinetic energy impulse under the heel part of the foot was studied by measuring the electrical output of the harvester during walking and then analysed with modelling software. The results were used to create a walking profile for a computer controlled piston to study the input energy phase, speed and force influence on the amount of the harvested energy and the efficiency of the harvesting process. Finally, the functionality of the concept was tested in a real environment with an energy harvester inserted inside a running shoe. The developed harvester showed the highest energy density reported in this frequency region.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Monet elektroniset laitteet ympäröivät meitä jokapäiväisessä elämässä. Ne tarkkailevat auton toimintaa tai liikennettä ja toiset toimivat aina mukana kulkevissa kannettavissa laitteissa. Töissä ne valvovat valmistusprosesseja tai varoittavat työntekijöitä vaarallisista työolosuhteista. Kaikki nämä laitteet tarvitsevat sähköä toimiakseen. Pienitehoisten elektronisten laitteiden eksponentiaalinen kasvu teollisuudessa, terveyssektorilla, puolustusteollisuudessa, kulkuneuvoissa sekä kannettavassa kulutuselektroniikassa on johtanut suureen tarpeeseen kehittää järjestelmiin integroituja energialähteitä.</p><p>Monia energiankeräystekniikoita on kehitetty toimimaan elektronisten laitteiden läheisyydessä. Aurinkopaneelit ja magneettiset energiankeräysmenetelmät ovat yleisimpiä ratkaisuja, jos olosuhteet antavat siihen mahdollisuuden. Pietsosähköinen energiankeräys on uudempi tekniikka, joka on herättänyt kasvavaa huomiota tutkimusyhteisössä sekä teollisuudessa. Pietsosähköisen materiaalin avulla mekaaninen energia voidaan muuntaa suoraan sähköiseksi energiaksi. Tässä tekniikassa kineettinen energia tulee analysoida tarkasti mekaniikka suunnittelua varten, jotta se saadaan kohdistettua tehokkaasti pietsosähköiseen materiaaliin. Lisäksi mekaniikan tulee suojata materiaalia voimilta, jotka voivat johtaa murtumiin. Näistä vaatimuksista johtuen jokainen ulkoinen energialähde vaatii yleensä yksilöllisen energiankeräysrakenteen.</p><p>Tämä väitöstyö keskittyy pietsosähköisten keraamien hyödyntämiseen energiankeräyksessä matalataajuisista mekaanisista voimista. Tarkoituksena oli suunnitella, valmistaa, mitata ja asentaa rakenteita, jotka kestävät kantapäähän kohdistuvia voimia kävelyn ja juoksun aikana sekä maksimoida talteen saatava energia ja hyötysuhde. Kaksi erilaista rakennetta suunniteltiin, valmistettiin ja optimoitiin energiankeräystä varten. Kantapäähän kohdistuva kineettinen energia analysoitiin mallinnusohjelmistolla ja mittaamalla sähköinen vaste energiakeräys rakenteesta. Tuloksien avulla suunniteltiin kävelyprofiilia imitoiva mekaaninen männän liike, jonka avulla tutkittiin kohdistettavan voiman nopeuden, vaiheen ja suuruuden vaikutusta energiankeräyksen hyötysuhteeseen ja saatavaan tehoon. Viimeisenä energiankeräysrakenteen toimivuutta testattiin oikeassa ympäristössä asentamalla se juoksukenkään. Kehitetyllä pietsosähköisellä energiakeräimellä saavutettiin korkeimmat raportoidut energiatiheydet käytetyllä taajuusalueella.</p></div>