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A nonlinear interface integrated lever mechanism for piezoelectric footstep energy harvesting

杠杆 能量收集 机械能 功率(物理) 能量转换效率 电气工程 能量转换 发电 计算机科学 材料科学 工程类 声学 机械工程 物理 量子力学 热力学
作者
Rui Hua,Haili Liu,Haocheng Yang,Ya Wang,Jack Ferrante
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:113 (5) 被引量:29
标识
DOI:10.1063/1.5041259
摘要

Harnessing footstep energy allows for a unique method of power generation from a largely untapped resource, with applications such as instantly charging mobile and wearable electronic devices. This letter presents an easily integrated heel charger to efficiently convert kinematic walking energy into electricity. The heel charger uses a multilayered levered piezoelectric (L-Pie) mechanism associated with a nonlinear mechanical-synchronized switching on inductor circuit (M-SSHI) interface. It tactfully switches on when the foot contacts the ground, and switches off when the foot is lifted. This design takes full advantage of the user's weight, and amplifies footstep displacement by utilizing the lever mechanism to gain maximum deformation of multilayer piezoelectric patches. The experimental results show that the fabricated two-level multilayer L-pie has a top performance of 13.60 mW of AC RMS, a mechanical to AC power conversion efficiency of 7.87%, and a DC RMS power of 6.13 mW, an AC to DC power conversion efficiency of 45.07%, under a harmonic excitation of 2.3 Hz (mimicking fast walking speed: 6.2 km/h for men, 5.55 km/h for women). With an optimal load of 210 kΩ, the two-level L-pie using the M-SSHI has an improvement of 206.45% in DC RMS power compared to a standard 4-diode bridge energy harvesting circuit. The L-pie design works more efficiently under large force excitation, even with small displacement, which makes this technology optimal for footstep energy harvesting.
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