Effectiveness of vibration energy harvesting for wireless IoT devices

ABSTRACT: With the advent and more common use of wireless sensors, the issue of their power supply becomes really important. An interesting problem is the possibility of obtaining energy from the environment because this energy could be used to power remote sensors installed in any location and fully energy independent. The key question is the actual efficiency of energy conversion by a specialized transducer, directly affecting the area of possible applications of such an energy source. The article presents basic technical information on the construction and principles of operation of vibration/voltage transducers. Also describes the conducted tests of the behaviour of a selected transducer in controlled laboratory conditions (vibrator) and in real conditions of vibrations generated by a moving train. The results document the expected dependence of the amount of generated energy on the type of vibrations to which the transducer is exposed.

KEYWORDS: energy harvesting, power source IoT, vibration, transducer effectiveness, railway

STRESZCZENIE: Wraz z pojawieniem się i rozpowszechnieniem czujników bezprzewodowych istotne stało się zagadnienie ich zasilania. Ciekawym rozwiązaniem jest możliwość pozyskiwania energii z otoczenia/środowiska, ponieważ energia ta mogłaby być wykorzystana do zasilania bezprzewodowych urządzeń IoT (internetu rzeczy) instalowanych w dowolnej lokalizacji i w pełni niezależnych energetycznie. Kluczową niewiadomą jest rzeczywista ilość energii wytwarzanej przez specjalizowany przetwornik bezpośrednio wpływająca na możliwości zastosowania takiego źródła energii. W artykule przedstawiono podstawowe informacje techniczne dotyczące budowy i zasady działania przetworników drgania/napięcie oraz opisano przeprowadzone badania charakterystyki pracy wybranego przetwornika w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych (ze wzbudnikiem drgań) i w warunkach rzeczywistych, w których drgania były generowane przez przemieszczający się pociąg. Otrzymane wyniki dokumentują spodziewaną zależność ilości wytwarzanej energii od rodzaju drgań, jakim poddawany jest przetwornik.

SŁOWA KLUCZOWE: zasilanie niekonwencjonalne, zasilnie IoT, wibracje, przetwornik drgania/napięcie, kolej

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

[1] Feynman R.P. “Atoms in Motion”. Lectures on Physics. Vol. 1. California Institute of Technology (2010), ISBN: 978-0-465-02414-8.

[2] Knight C., Davidson J., Behrens S. “Energy options for wireless sensor nodes”. Sensors. 8 (2008): 8037–8066, https://doi.org/10.3390/s8128037.

[3] Roundy S., Wright P.K., Rabaey J. “A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes”. J.Comput. Commun. 26 (2002): 1131–1144, https://doi.org/10.1016/S0140-3664(02)00248-7.

[4] Shibata T., Iwaizumi, H. Fukuzumi, Y. et al. “Energy harvesting thermocell with use of phase transition”. Sci Rep. 10, 1813 (2020), https://doi.org/10.1038/s41598-020-58695-z.

[5] Anton S.R., Sodano H.A. ”A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003–2006)”. Smart Mater.Struct. 16 (2007): R1–R21, https://doi.org/10.1088/0964-1726/16/3/R01.

[6] Yogesh C., Padwekar P.S., Sharma P. et al., “Power Harvesting By Using Railway Vibrations (A Review)”. International Journal of Engineering and Advanced Research Technology (IJEART). 2, 6 (June 2016), ISSN: 2454–9290.

[7] Akinaga H., Fujita H., Mizuguchi M. et al. “Focus on advanced materials for energy harvesting: prospects and approaches of energy harvesting technologies”. Science andTechnology of Advanced Materials. 19, 1 (2019): 543–544, https://doi.org/10.1080/14686996.2018.1491165.

[8] Szulewski P., Śnieguska-Grądzka D. „Systemy automatycznego monitorowania drgań w obrabiarkach”. Mechanik. 3 (2017): 170–175, https://doi.org/10.17814/mechanik.2017.3.37.

[9] Jasiulek D. „Propozycje zastosowania czujników samozasilających się w przemyśle wydobywczym”. Przegląd Górniczy. 70, 1 (2014): 9–15.

[10] “Smart sensors for monitoring machine energy use”. Energy monitoring (November 5, 2020), https://www.pressac.com/insights/smart-sensors-for-monitoring-machine-energy-use/.

[11] Sodano H.A., Inman D.J., Park G. “A review of power harvesting from vibration using piezoelectric materials”. Shock Vib. Dig. 36 (2004): 197–205, https://doi.org/10.1177/0583102404043275.

[12] Szulewski P., Śniegulska-Grądzka D., Nejman M. „Aktywne systemy monitorowania procesu skrawania dla Przemysłu 4.0”. Mechanik. 91, 3 (2018): 183–189, https://doi.org/10.17814/mechanik.2018.3.34.

[13] Lallart M., Guyomar D., Jayet Y., Petit L., Lefeuvre E., Monnier T., Guy P., Richard C. “Synchronized switch harvesting applied to selfpowered smart systems: piezoactive microgenerators for autonomous wireless receiver”. Sens. Actuators A: Phys. 147 (2008) 263–272, https://doi.org/10.1016/j.sna.2008.04.006.

[14] Garbuio L., Lallart M., Guyomar D., Richard C., Audigier D. “Mechanical energy harvester with ultralow threshold rectification based on SSHI nonlinear technique”. IEEE Trans. Ind. Electron. 56 (2009): 1048–1056, https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2014673.

[15] Sun H., Yin M., Wei W. et al. “MEMS based energy harvesting for the Internet of Things: a survey”. Microsyst Technol. 24 (2018): 2853–2869, https://doi.org/10.1007/s00542-018-3763-z.

[16]http://revibeenergy.com/wp-content/uploads/2020/03/ReVibeEnergy_General.pdf.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2021.11.15

 

* Artykuł recenzowany