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Erschienen in: Acta Mechanica Sinica 3/2020

10.04.2020 | Research Paper

Nonlinear characterization and performance optimization for broadband bistable energy harvester

Erschienen in: Acta Mechanica Sinica | Ausgabe 3/2020

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Abstract

As two crucial indicators of bistable energy harvesting performance, band width and power amplitude are simultaneously investigated for obtaining the synergy effect. Toward this goal, a nonlinear electromechanical-coupled distributed-parameter model of the bistable piezoelectric energy harvester is established. Based on the electromechanical decoupled method, approximate higher-order analytical solutions of the beam displacement, harvested power and effective bandwidth are derived. The cubic-function discriminant of the analytical solution is introduced to determine the nonlinear excitation-frequency boundaries of multiple solutions and power peak. The stability of the multiple solutions is analyzed through Jacobi matrix of the modulation equation. Superharmonic resonance is notified. Upward and downward sweep experiments and numerical solutions of time history curves, phase portraits and power spectra confirm the analytical findings. To realize optimized broadband energy harvesting, the parametric study on the coefficients of the linear and cubic elastic external forces with the corresponding optimal load resistance is performed. For the nonlinear hardening case, more positive linear coefficient is preferred. For the nonlinear softening case, the cubic coefficient slightly larger than its optimal value is recommended at each given linear coefficient. By tuning the load resistance and linear and cubic coefficients of the external force, broadband bistable energy harvesting with optimized power is realized.

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Literatur
24.
Zurück zum Zitat Sneller, A.J., Owens, B.A., Mann, B.P.: Experimental Investigations of a Bistable Energy Harvester, vol. 1. Springer, Berlin (2011) Sneller, A.J., Owens, B.A., Mann, B.P.: Experimental Investigations of a Bistable Energy Harvester, vol. 1. Springer, Berlin (2011)
33.
Zurück zum Zitat Standards Committee of the IEEE ultrasonics: ferroelectrics, and frequency control society. IEEE Standard on Piezoelectricity, IEEE New York (1987) Standards Committee of the IEEE ultrasonics: ferroelectrics, and frequency control society. IEEE Standard on Piezoelectricity, IEEE New York (1987)
Metadaten
Titel
Nonlinear characterization and performance optimization for broadband bistable energy harvester
Publikationsdatum
10.04.2020
Erschienen in
Acta Mechanica Sinica / Ausgabe 3/2020
Print ISSN: 0567-7718
Elektronische ISSN: 1614-3116
DOI
https://doi.org/10.1007/s10409-020-00946-3

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