A piezoelectric energy harvester for power generation around waistline

Abstract

This thesis reports energy harvesting from human waistline by using piezoelectric components. A normal person walks 1.5 to 2 miles a day and breathes all day long. These activities can be useful to generate electrical power. Energy harvesting from human body has been investigated previously, but harvesting energy around waistline has been neglected due to the rather low characteristic frequencies of human waistline that makes it difficult to extract power. To the best of our knowledge, this is the first study that utilizes a piezoelectric design to perform energy harvesting from waistline. The piezoelectric components are well integrated within the belt in such a way that they are not physically and cosmetically discomforting. One can wear it and harvest energy throughout a day. Simulations were performed on COMSOL to reveal maximum performance during breathing. The piezoelectric components were inserted in a waist belt worn by a subject, and were characterized for voltage and power generation. During breathing, the maximum open circuit voltage and rms power were measured to be 1.6 V and 1.90 µW, respectively. These values were observed to increase up to 8.60 V and 1.98 µW during walking and 20.2 V and 14.65 µW during running activity. A full wave bridge rectifier was used to convert AC power to rectified DC power, then a rechargeable 1.2V NiMH battery was connected to the rectifier to store the electrical power generated by the harvester. The power of the battery was then used to operate a temperature sensor. While operating the temperature sensor, the piezoelectric energy harvester continuously recharges the battery. This is an important step forward to eliminate the need for battery replacement for future wearable electronics.

Bu tez, piezoelektrik bileşenler kullanarak insan belinden enerji hasadı rapor etmektedir. Normal bir insan günde 1,5 ila 2 mil yürür ve gün boyu nefes alır. Bu faaliyetler, elektrik enerjisi üretmek için faydalı olabilir. İnsan vücudundan enerji hasadı daha önce araştırılmıştı, ancak bel çevresinde enerji toplama, güç çekmeyi zorlaştıran insan belinin oldukça düşük karakteristik frekansları nedeniyle ihmal edildi. Bildiğimiz kadarıyla bu, belden enerji hasadı gerçekleştirmek için piezoelektrik bir tasarım kullanan ilk çalışmadır. Piezoelektrik bileşenler, fiziksel ve kozmetik olarak rahatsız edici olmayacak şekilde kayışa iyi entegre edilmiştir. Bir gün boyunca giyebilir ve enerji toplayabilir. Solunum sırasında maksimum performansı ortaya çıkarmak için COMSOL üzerinde simülasyonlar yapılmıştır. Piezoelektrik bileşenler, bir denek tarafından giyilen bir bel kemerine yerleştirildi ve voltaj ve güç üretimi için karakterize edildi. Solunum sırasında maksimum açık devre voltajı ve rms gücü sırasıyla 1,6 V ve 1,90 µW olarak ölçüldü. Bu değerlerin yürüyüş sırasında 8,60 V ve 1,98 µW'a, koşu aktivitesi sırasında 20,2 V ve 14,65 µW'a kadar yükseldiği görülmüştür. AC gücünü doğrultulmuş DC güce dönüştürmek için tam dalgalı bir köprü doğrultucu kullanıldı, ardından biçerdöver tarafından üretilen elektrik gücünü depolamak için yeniden şarj edilebilir bir 1.2V NiMH pil doğrultucuya bağlandı. Pilin gücü daha sonra bir sıcaklık sensörünü çalıştırmak için kullanıldı. Sıcaklık sensörünü çalıştırırken, piezoelektrik enerji toplayıcı pili sürekli olarak yeniden şarj eder. Bu, gelecekteki giyilebilir elektronik cihazlar için pil değiştirme ihtiyacını ortadan kaldırmak için önemli bir adımdır.