JultikaUniversity of Oulu repository

Energiankeräys on menetelmä jossa kerätään ympäristöstä tehoa muiden laitteiden käytettäväksi. Pietsosähköisen ilmiön avulla voidaan muuttaa mekaanista värähtyä sähköiseksi energiaksi, joka voidaan ottaa talteen. Työssä tutkittiin millaisia tehoja ja jännitteitä saadaan Smart Material:n MFC-tyyppisistä pietsosähköisistä liuskoista mekaanisten värähtelyjen avulla. MFC-liuskoja käytettiin sellaisenaan sekä päähän lisättyjen lisäpainojen kanssa ja pohjaan liimatun teräslevyn kanssa. Mitatuille tilanteille etsittiin resonanssitaajuudet joilla ne tuottivat suurimman tehon sekä tulosten perusteella mitattiin sopivimmista tapauksista saatu teho myös käyttäen herätteenä pelkkää kohinaa. MFC:n tuottamaa jännitettä mitattiin puhtaan resistanssin yli sekä tutkittiin aika jolla se lataa passiivisen dioditasasuuntaajan avulla kondensaattoria. Lisäpainot MFC-liuskassa aiheuttivat sen resonanssitaajuuden madaltumista, josta seurasi myös sen tuottaman jännitteen madaltuminen. Suurimmat jännitteet kahdella alimmalla resonanssitaajuudella saatiin lisäpainottomalla liuskalla. Kolmas resonanssitaajuus lisäpainojen kanssa ei kuitenkaan ollut enää päästään vapaan liuskan tapaus vaan massan tuoma hitausmomentti sai liuskan pään vain kääntymään paikoillaan, eikä heilumaan vapaasti. Tässä tilanteessa 5 gramman lisäpaino tuotti suurimman jännitteen pistetaajuudella mitattuna, mutta kohinaa herätteenä käyttävissä mittauksissa lisäpainottomat tapaukset tuottivat parhaan jännitteen ja lataustehon. MFC-liuskan pohjaan liimattu teräslevy kuitenkin paransi tilannetta paljaaseen liuskaan verrattuna. Teräslevyllisellä, mutta ilman lisäpainoja olevalla MFC-liuskalla saatiin 100 um siirtymällä 100 uF kondensaattori latautumaan 1,6 voltin jännitteeseen 0,853 uW latausteholla, joka voi olla tarpeeksi jollekin hyvin pientä käyttötehoa vaativalle laitteelle.

Energy harvesting is a process where energy is collected from surroundings to be used by other devices. With piezoelectric phenomenon mechanical vibrations can be converted into electrical energy which can be collected. In this work it was researched what power and voltage levels that could be extracted from Smart Materials MFC-type piezoelectric strips with mechanic vibrations. The MFC strips were measured received are but also with added mass at their end and with steel plate glued to their bottom. Resonant frequencies where they produced the largest power were searched for the different situations and the generated power was measured the most suitable situations with using noise as the stimulus. The voltage generated by MFC was measured over pure resistance and the time in where it charged a capacitor with a passive diode rectifier. Additional mass on the MFC-strip decreased its resonant frequency which also caused lower generated voltage. The largest voltages with the two lowest resonant frequencies were generated with strip without any added mass. Third resonant frequency wasn’t the case of a free ended beam anymore, but the inertia of the added mass made the end of the strip only to turn while staying in place instead of swinging freely. In this situation the added mass of 5 grams produced the largest voltage when measured at the resonant frequency, but with noise the cases without any added mass produced the highest voltages and charging powers. MFC-strip with the steel plate glued to the bottom, however, was better than the pure strip. Steel plated strip without added mass at its end with 100 um displacement charged a 100 uF capacitor into 1.6 volts with 0.853 uW charging power, which can be enough for some device with very small power consumption.