Brno University of Technology Vysoké Učení Technické V Brně
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ INSTITUTE OF SOLID MECHANICS, MECHATRONICS AND BIOMECHANICS ÚSTAV MECHANIKY TĚLES, MECHATRONIKY A BIOMECHANIKY ENERGY HARVESTING POWER SUPPLY FOR MEMS APPLICATIONS NEZÁVISLÝ ELEKTRICKÝ ZDROJ PRO MEMS APLIKACE DOCTORAL THESIS DIZERTAČNÍ PRÁCE AUTHOR Ing. Jan Smilek AUTOR PRÁCE SUPERVISOR doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. ŠKOLITEL BRNO 2018 ABSTRACT This thesis deals with the development of an independent power source for modern low-power electronic applications. Since the traditional approach of powering small applications by means of primary or secondary batteries lowers the user comfort of using such a device due to the necessary periodical maintenance, the novel power source is using the energy harvesting ap- proach. This approach means that the energy is scavenged from the ambience of the powered application and converted into electricity in order to satisfy the power requirements of the new- est MEMS electrical devices. The target applications for the new energy harvesting device are seen in wearable and biomed- ical electronic devices. That places challenging requirements on the energy harvester, as it has to harvest sufficient energy from the ambience of human body, while fulfilling practical size and weight constraints. After the preliminary requirements setting and analyses of possible sources of energy a kinetic energy harvesting principle is selected to be employed. A series of measurements is then con- ducted to obtain and generalize the kinetic energy levels available in the human body during various activities. A novel design of kinetic energy harvester is then introduced and developed into the form of a functional prototype, on which the actual performance is evaluated. Aside from the actual new harvester design, the thesis introduces an original way of improving the power output of the inertial energy harvesters and provides statistical data and models for the human energy harvesting usability prediction. KEYWORDS Energy harvesting, human power, alternative energy source, electromechanical system, Tusi couple, principal component analysis, wearable and biomedical applications BIBLIOGRAPHICAL REFERENCE SMILEK, J. Energy harvesting power supply for MEMS applications. Brno: Brno University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, 2018. 156 pp. Supervisor of doctoral the- sis doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.. ABSTRAKT Tato práce se zabývá vývojem nezávislého elektrického zdroje pro moderní nízkopříkonové elektrické aplikace. Protože tradiční řešení napájení drobných spotřebičů s využitím baterií či akumulátorů snižuje uživatelský komfort kvůli potřebě pravidelné údržby, navrhovaný zdroj využívá principu energy harvesting. Tento princip spočívá v získávání energie přímo z okolního prostředí napájené aplikace a její přeměně na energii elektrickou, která je dále využita pro na- pájení moderních MEMS (mikroelektromechanických) zařízení. Potenciální aplikací vyvíjeného zdroje je především moderní nositelná elektronika a biomedi- cínské senzory. Tato oblast využití ovšem klade zvýšené nároky na parametry generátoru, který musí zajistit dostatečný generovaný výkon z energie, dostupné v okolí lidského těla, a to při zachování prakticky využitelné velikosti a hmotnosti. Po stanovení předběžných požadavků a provedení analýz vhodnosti dostupných zdrojů energie ke konverzi byla k využití vybrána kinetická energie lidských aktivit. Byla provedena série měření zrychlení na lidském těle, především v místě předpokládaného umístění generátoru, aby bylo možno analyzovat a generalizovat hodnoty energie dostupné ke konverzi v daném umís- tění. V návaznosti na tato měření a analýzy byl vyvinut inovativní kinetický energy harvester, který byl následně vyroben jako funkční vzorek. Tento vzorek byl pak testován v reálných pod- mínkách pro verifikaci simulačního modelu a vyhodnocení reálné použitelnosti takového zaří- zení. Kromě samotného vývoje generátoru je v práci popsán i originální způsob zvýšení gene- rovaného výkonu pro kinetické energy harvestery a jsou prezentována statistická data a modely pro predikci využitelnosti kinetických harvesterů pro získávání energie z lidské aktivity. KLÍČOVÁ SLOVA Energy harvesting, lidská energie, alternativní zdroje energie, elektromechanická soustava, Tusiho mechanismus, analýza hlavních komponent, nositelné a biomedicínské aplikace BIBLIOGRAFICKÁ CITACE SMILEK, J. Nezávislý elektrický zdroj pro MEMS aplikace. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2018. 156 s. Vedoucí dizertační práce doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.. STATEMENT I hereby declare that I have written this PhD thesis „Energy harvesting power supply for MEMS applications“ independently, under the supervision of doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. and using the listed references. In Brno, 20.6.2018 Ing. Jan Smilek ACKNOWLEDGEMENT I would like to thank to my supervisor, doc. Ing. Zdeněk Hadaš, for the counselling, guidance and mentoring during my doctoral study. Special thanks to my family and all the magnificent people, who have supported me through these last four years. TABLE OF CONTENTS 1 INTRODUCTION ................................................................................................................................... 13 2 MOTIVATION ....................................................................................................................................... 15 3 PROBLEM DEFINITION ......................................................................................................................... 17 3.1 FEASIBLE POWER SOURCE PROBLEM ................................................................................................................. 17 3.2 THESIS GOALS.............................................................................................................................................. 17 4 STATE-OF-THE-ART .............................................................................................................................. 19 4.1 ELECTROMECHANICAL ENERGY CONVERSION ...................................................................................................... 19 4.1.1 Piezoelectric effect ........................................................................................................................ 19 4.1.2 Electromagnetic induction ............................................................................................................. 20 4.1.3 Electrostatic conversion................................................................................................................. 21 4.1.4 Magnetostriction ........................................................................................................................... 22 4.1.5 Triboelectric effect ......................................................................................................................... 24 4.2 EXCITATION OF ELECTROMECHANICAL ENERGY HARVESTERS .................................................................................. 25 4.2.1 Excitation application point ........................................................................................................... 25 4.2.2 Excitation characteristic ................................................................................................................ 26 4.2.3 By excitation direction ................................................................................................................... 27 4.3 ELECTROMECHANICAL ENERGY HARVESTER CLASSIFICATION .................................................................................. 27 4.3.1 Energy extraction principle ............................................................................................................ 27 4.3.2 Stiffness linearity ........................................................................................................................... 29 4.3.3 Type of movement ......................................................................................................................... 29 4.3.4 Number of DOF .............................................................................................................................. 29 4.4 ELECTROMECHANICAL ENERGY HARVESTERS MODELLING ...................................................................................... 30 4.4.1 Equations of motion ...................................................................................................................... 30 4.4.2 Exploiting mechanical-electrical analogy ...................................................................................... 31 4.5 ELECTROMECHANICAL HARVESTERS PERFORMANCE ............................................................................................. 32 4.5.1 Basic performance considerations ................................................................................................ 32 4.5.2 Metrics........................................................................................................................................... 32 4.6 CURRENT EH DESIGNS FOR WEARABLE AND BIOMEDICAL APPLICATIONS .................................................................. 35 5 CHOSEN METHODOLOGY AND IMPLEMENTATION OF THE PROBLEM SOLUTION ................................ 37 6 PRELIMINARY FEASIBILITY ANALYSIS ................................................................................................... 39 7 SIGNAL PROCESSING ALGORITHM