Vibration energy harvesting in the transportation system: a review

This review presents different approaches of kinematic energy harvesting. Energy harvesting is the conversion at ambient energy present in the transportation system into electrical energy. Most vibration energy harvesters are based on spring-mass-damper systems which generate maximum power when the frequency of the ambient vibration fits the resonant frequency of harvester. The strategy of the reduction of this limitation is discussed in the paper. At first the periodic tuning of the resonant frequency is explained. Additionally the method of continuous tuning is presented. The emphasis is placed on maximizing the power transferred from the energy harvester to the output load. It is consider the possibility of using a dynamic magnifier in order to amplify the harvested electrical power. It is showed that the proper parameter selection of the magnifier the power can be enhanced and the effective frequency bandwidth of the generator can be improved. Next is presented a comprehensive review of the principles mechanisms of transformation the kinematic energy into electrical energy. The three main transduction methods are based on piezoelectric, electromagnetic and electrostatic phenomena. Piezoelectric harvesters use active materials that generate an electric charge when stressed mechanically. Electromagnetic generators change the relative motion of conduction in magnetic field, on the principle at electromagnetic inductions. Electrostatic generators convert the relative movements between charged capacitor plates into electrical energy. The advantages and disadvantages of each are described and evaluated and the relevant merits of each approach are concluded.

Publikacja prezentuje różne podejścia w odzyskiwaniu energii ruchu. Odzysk energii rozumiany jest jako konwersja otaczającej energii obecnej w systemie transportowym w energię elektryczną. Większość systemów (urządzeń) dokonujących tej transformacji bazuje na układzie sprężyna-masa-tłumik, które generują największą moc jeśli częstotliwość istniejących drgań odpowiada częstotliwości rezonansowej układu transformującego. W pracy została omówiona strategia zlikwidowania przytoczonego ograniczenia. Jako pierwszy został wyjaśniony mechanizm okresowego dostrajania częstotliwości rezonansowej. Fakultatywnie przedstawiono metodę ciągłego jej strojenia. Jednak głównie położono nacisk na maksymalizację mocy przekazywanej z układu odzyskującego energię do obciążenia wyjściowego. Rozważono możliwość zastosowania wzmacniacza dynamicznego, którego zadaniem jest zwiększenie odzyskanej energii elektrycznej. Zostało wykazane, że właściwy wybór parametrów takiego wzmacniacza, zwiększa wydajność energetyczną, jak również szerokość efektywnego pasma częstotliwości generatora. Kolejno przedstawiono obszerny przegląd zasad mechanizmów transformacji energii kinematycznej w energię elektryczną. Opisano trzy główne metody transdukcji, które opierają się na następujących zjawiskach: piezoelektrycznym, elektromagnetycznym i elektrostatycznym. System odzyskujący bazujący na efekcie piezoelektrycznym, wykorzystuje aktywne materiały, które generują ładunek elektryczny pod wpływem występowania naprężeń mechanicznych. Generatory elektromagnetyczne transformują ruch względny przewodnika w polu magnetycznym, na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Natomiast generatory elektrostatyczne zamieniają względne przesunięcia pomiędzy naładowanymi okładkami kondensatora w energię elektryczną. Zalety i wady każdego ze sposobów odzyskiwania energii zostały opisane i ocenione a dodatkowo wyszczególniono zalety każdego z podejść.