The Effect of Temperature and Strain on Power Conversion Efficiency of PVDF-Based Thermal Energy Harvesters

Bernard, François; Gimeno, L.; Viala, B.; Cugat, Orphée

doi:10.3390/proceedings1040576

Cited by 3 publications

(3 citation statements)

References 3 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…The conversion efficiency of the PVDF transducer with the 1.66 F output super capacitor array now lies in the range between 2.7-4.2 %. These efficiency levels agree with the above approximate calculation and agree with what is usually reported in the literature [47,192,197,198]. However, the experiments are usually performed with microFarad capacitors, or resistive circuits and -as already discussed, definitions of efficiency vary between research groups [181].…”

Section: Beam Curvature Measurements Processing and Efficiency Calculationssupporting

confidence: 87%

“…According to Chang et al [191], the early onset of the nonlinear domain wall motions behavior has been identified as one mechanism responsible for the apparent high piezoelectricity measured in nanofibers of PVDF. Also, Bernard et al [192], found significant discrepancy between predicted and measured power conversion efficiency when using PVDF for thermal energy harvesting. Kim et al [193] studied nanosheet-based piezoelectric nanogenerator with different thicknesses and types of dielectric layers and demonstrated that a careful design of the dielectric layer is necessary to improve the electrical outputs of piezoelectric nanogenerators [194,195].…”

Section: Beam Curvature Measurements Processing and Efficiency Calculationsmentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Investigation of power output and efficiency of piezoelectric energy harvesters

Stamatellou¹,

Σταματέλλου²

View full text Add to dashboard Cite

Η πιεζοηλεκτρική συγκομιδή ενέργειας αφορά στην εκμετάλλευση μικροποσοτήτων ενέργειας από το περιβάλλον στην κλίμακα των mW, με βάση την αρχή του πιεζο-ηλεκτρικού φαινομένου. Ερευνάται εντατικά την τελευταία 20-ετία με στόχο να τροφοδοτηθούν απομακρυσμένα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, μικροηλεκτρονικές και βιοϊατρικές συσκευές στα πλαίσια της ευρείας διάδοσης του IoT, αποφεύγοντας τη χρήση συσσωρευτών και καλωδιώσεων. Παρά την σημαντική ερευνητική προσπάθεια οι τεχνολογίες της πιεζοηλεκτρικής συγκομιδής ενέργειας (PEH) ευρίσκονται ακόμη σε χαμηλό επίπεδο τεχνολογικής ετοιμότητας και υπάρχουν λίγες μόνο ολοκληρωμένες εφαρμογές. Έχοντας διαπιστώσει σχετική έλλειψη σε πειραματικές διερευνήσεις έναντι των καθαρά θεωρητικών, επιλέχθηκε ως κύριος αντικειμενικός στόχος της εργασίας η υποστήριξη της διαδικασίας σχεδιασμού των PEH μέσω πειραματικής διερεύνησης των χαρακτηριστικών λειτουργίας εμπορικά διαθέσιμων πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων και ορισμού κατάλληλων δεικτών αξιολόγησης του βαθμού απόδοσης και της ειδικής ισχύος τους. Με τον τρόπο αυτό γίνεται εφικτή η δίκαια αξιολόγηση της πραγματικής απόδοσης των PEH κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες ροϊκά επαγόμενης και μηχανικής ταλάντωσης. Οι εργαστηριακές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε καινοτόμα σχεδιασμένες πειραματικές διατάξεις που κατασκευάστηκαν ειδικά για τις ανάγκες της διατριβής. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων έγινε τόσο με συμβατικές όσο και με καινοτόμες μεθόδους. Οι συγκεκριμένες διατάξεις επιτρέπουν την συστηματική αξιολόγηση της απόδοσης σε συνδυασμό ευρείας περιοχής συχνοτήτων ταλάντωσης βάσης και συνθηκών ροής, ώστε να γίνεται εφικτή η χαρτογράφηση σε δύο διαστάσεις της ειδικής ισχύος και του βαθμού απόδοσης. Αντίθετα με την επικρατούσα πρακτική του ορισμού βαθμού απόδοσης με βάση θεωρητικό γραμμικό μοντέλο της ταλάντωσης, διατυπώθηκε καινοτόμος ορισμός με βάση το ρυθμό μεταβολής της ελαστικής ενέργειας του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου. Ο προτεινόμενος ορισμός είναι πιο ρεαλιστικός, αφού η ελαστική ενέργεια παραμόρφωσης κατέστη δυνατόν να μετρηθεί με βάση μεθοδολογία ψηφιοποίησης της ελαστικής γραμμής με χρήση γραμμικού laser που επιτρέπει την οπτικοποίηση με φωτογράφηση, αλλά και με βάση βιντεοσκόπηση σε 960 fps της ταλάντωσης. Έχει δε το πρόσθετο πλεονέκτημα ότι μπορεί να εφαρμοστεί και σε συνδυασμένη ροϊκή και μηχανική διέγερση. Η εργασία έλαβε υπόψη τον λεπτομερή σχεδιασμό των εξεταζόμενων πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων, ως σύνθετης πλάκας σε καμπτική ταλάντωση, στους υπολογισμούς ελαστικής ενέργειας παραμόρφωσης, ειδικής ισχύος και βαθμού απόδοσης. Έγινε συγκριτική αξιολόγηση, με βάση την αναπτυχθείσα μεθοδολογία, δύο αντιπροσωπευτικών αισθητήρων με διαφορετικό πιεζοηλεκτρικό υλικό (PZT και PVDF), με επιπλέον χρήση υπερ-πυκνωτών (super capacitors) στο κύκλωμα αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία οδήγησε σε περαιτέρω αύξηση του βαθμού απόδοσης. Η συγκριτική αξιολόγηση των αισθητήρων αυτών οδήγησε σε χρήσιμα συμπεράσματα για περαιτέρω βελτιώσεις στο λεπτομερή σχεδιασμό τους, με στόχο την αύξηση της ειδικής ισχύος και βαθμού απόδοσης. Έγινε δε εφικτό να διεγερθεί ροϊκά ο μετατροπέας από PZT, υψηλής καμπτικής στιβαρότητας, με τοποθέτηση στο ελεύθερο άκρο του ειδικά σχεδιασμένης υπερκατασκευής, οπότε και επιβεβαιώθηκε ότι η συνδυασμένη διέγερση του συγκεκριμένου τύπου μετατροπέα ικανοποιεί την αρχή της επαλληλίας. Η νέα αυτή οπτική επιτρέπει την ορθολογική πλέον αξιολόγηση της απόδοσης διαφορετικού τύπου και σχεδιασμού αισθητήρων και παρέχει εξηγήσεις σχετικά με τις μεγάλες διακυμάνσεις των μεγεθών αυτών στην εξειδικευμένη βιβλιογραφία. Επιπλέον συνεισφέρει στην ορθολογική βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των μετατροπέων ως σύνθετων πλακών, ώστε να ανταποκρίνονται στις ανάγκες συγκεκριμένων εφαρμογών, με λήψη υπόψη των επιπέδων διέγερσης των πηγών και τις διαθέσιμες θέσεις ταλάντωσης.

show abstract

Section: Beam Curvature Measurements Processing and Efficiency Calculationssupporting

confidence: 87%

Section: Beam Curvature Measurements Processing and Efficiency Calculationsmentioning

confidence: 99%

Investigation of power output and efficiency of piezoelectric energy harvesters

Stamatellou¹,

Σταματέλλου²

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Though, in this study, all experiments were conducted in ambient temperature, the efficiency of power generation can be impacted by the change in temperature. For instance, a recent study by Bernard et al [26] reported the increase of dielectric constant of the PVDF with the increase of temperature from 30 • C to 60 • C and strain up to 2.5%, which caused a decrease in efficiency down to 60-75%, as opposed to ideal conversion efficiency of 90%. They suggested that the circuit output capacitance must be decreased in proportion to be adapted to operation conditions in order to restore higher power generation capacity.…”

mentioning

confidence: 99%

Evaluating Energy Generation Capacity of PVDF Sensors: Effects of Sensor Geometry and Loading

2021

View full text Add to dashboard Cite

This paper focuses on the energy generating capacity of polyvinylidene difluoride (PVDF) piezoelectric material through a number of prototype sensors with different geometric and loading characteristics. The effect of sensor configuration, surface area, dielectric thickness, aspect ratio, loading frequency and strain on electrical power output was investigated systematically. Results showed that parallel bimorph sensor was found to be the best energy harvester, with measured capacitance being reasonably acceptable. Power output increased with the increase of sensor’s surface area, loading frequency, and mechanical strain, but decreased with the increase of the sensor thickness. For all scenarios, sensors under flicking loading exhibited higher power output than that under bending. A widely used energy harvesting circuit had been utilized successfully to convert the AC signal to DC, but at the sacrifice of some losses in power output. This study provided a useful insight and experimental validation into the optimization process for an energy harvester based on human movement for future development.

show abstract

PZT and PVDF piezoelectric transducers’ design implications on their efficiency and energy harvesting potential

Stamatellou

2022

Energy Harvesting and Systems

View full text Add to dashboard Cite

Despite the intensive research carried out in the last two decades, the actual performance of piezoelectric energy harvesters needs significant improvement for widespread applicability. Custom designed experimental set-ups and methods can be applied for the evaluation of new piezoelectric energy harvesters or modified design versions of existing transducers, in terms of efficiency and specific power. In this context, two representative types of commercial cantilever piezoelectric transducers, made of PZT and PVDF material respectively, were tested in various combinations of aerodynamic and harmonic base excitation. A line type laser was used along with long exposure photography for the visualisation of the piezofilm’s mode shapes, tip deflection and the digitization of the elastic line at the oscillation extrema. The harvested power was measured at on-resonance conditions and studied relative to the excitation combinations and the mode shapes. Energy conversion efficiency, defined as the ratio of the electric-field energy accumulated by the supercapacitors, over the total elastic strain energy change of the material during the oscillations is measured and compared. Design improvements are proposed for both transducer types to extract and absorb higher amounts of energy and improve their bandwidth to match the available excitation source characteristics.

show abstract

The Effect of Temperature and Strain on Power Conversion Efficiency of PVDF-Based Thermal Energy Harvesters

Cited by 3 publications

References 3 publications

Investigation of power output and efficiency of piezoelectric energy harvesters

Investigation of power output and efficiency of piezoelectric energy harvesters

Evaluating Energy Generation Capacity of PVDF Sensors: Effects of Sensor Geometry and Loading

PZT and PVDF piezoelectric transducers’ design implications on their efficiency and energy harvesting potential

Contact Info

Product

Resources

About