94 Cgh

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94 Cgh

  1. 1. 葉 論 量 Experimental Investigation of Piezoelectric Energy 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 Harvesting System 羅 年 六
  2. 2. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 • 論 • 量 • 量 量 • 論 來
  3. 3. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 論
  4. 4. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 ‧ ‧ ‧ ‧ 率 ‧ 量 量
  5. 5. 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 ‧利 料 量 量 ‧ 料 料 ‧ 料 ‧ 量 ‧ 料 易
  6. 6. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 (a) 狀 [PZT] (b) 狀 + [PZT+IDE] (c) 狀 + [MFC] (d) 狀 + [AFC]
  7. 7. 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 量 路
  8. 8. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 • • 量 參數 • 量 • 量 來 量 參數
  9. 9. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 量
  10. 10. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 Z-3 D3 = d 31T1 F j ωt d 31 FL jωt T= e Q = DA = e 2 bh h 1 dQ d 31 F L ω I0 = = dt h z-3 E3 V0 = Q = d 31 F ε Piezo A C Piezo = x-1 C Piezo b ε Piezo h 2 d 31 F 2 C Piezo ω P=V×I= 2 b 2 ε Piezo 力Fejwt
  11. 11. ( ) 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 1 D 3 = d 33 T1 CPiezo w d 33 F CPiezo w jωt A= Q = DA = e x-3 ε Piezo h b ε Piezo 2 d 33 F C Piezo w I0 = ω h bε Piezo z-1 d 33 F w V0 = ω E3 x-3 h bε Piezo 2 d 33 F2C Piezo w 2 ω P= 2 h 2 b 2 ε Piezo 力F
  12. 12. 量 參數 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 • 量 流 Cpiezo 力 率 不 • 來 , Cpiezo • 量 參數 : 力
  13. 13. 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 ACX QP10Ni PZT+IDE M8528P1 MFC ACX QP25W PZT ACX QP25W PZT A B
  14. 14. 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 110 mm 50.8 mm 50.8 mm Aluminum plate 38.1 mm PZT+IDE 150 mm 150 mm 38.1 mm 45 mm PZT PZT MFC Aluminum plate 30.2 mm Strain gauge Strain gauge PZT Strain gauge 52.1 mm 300 mm 300 mm A B PZT PZT+IDE MFC (m) 0.3 0.0508 0.0521 0.11 (m) 0.15 0.0381 0.0302 0.045 (m) 0.00005 0.000508 0.00038 0.0003 數 (Pa) 7.00E+10 6.90E+10 6.90E+10 3.40E+10 料 度 (Kg/m3) 2700 7000 7000 5500 0.33 0.31 0.31 0.33
  15. 15. 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011
  16. 16. 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 Piezoelectric element Dynamic Signal Cantilever plate Input Analyzer Laser Sensor Output Amplifier Electromagnetic Shaker
  17. 17. 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 量 Model A 1 1 5.5 Hz Frequency response Model B Frequency response 21.8 Hz 37.6 HZ 0.1 0.1 Amplitude Amplitude 0.01 0.01 0.001 0 10 20 30 40 50 0.001 2 12 22 32 42 52 Frequency (Hz) Frequency (Hz) A 率 B 率
  18. 18. ANSYS 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 Model A PZT Model B PZT PZT+IDE MFC shell63 solid5 shell63 solid5 solid5 solid5 數 209 54 數 320 144 166 72
  19. 19. ANSYS 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 Model A 1st bending mode 5.1Hz Model B 1st bending mode 5.9Hz Model A 1st Twist mode 21.2Hz Model B 1st Twist mode 24.6Hz
  20. 20. 率 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 Model A ANSYS 異 Model B ANSYS 異 5.5 5.1 7 6.9 5.9 14 21.8 21.2 2.3 26 24.6 5.3 • 率 異來 異 略 更 了 異
  21. 21. 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 Piezoelectric element Cantilever plate Dynamic Signal Input Charge Analyzer Amplifier Output Amplifier Electromagnetic Shaker
  22. 22. 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 量 1 5.5 Hz 37.6 Hz 0.1 Amplitude + Nodal line + 0.01 _ _ 1st twist mode 0.001 2 8 14 20 26 32 38 44 50 Frequency (Hz) A 率
  23. 23. 量 參數 量 參數 力 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 量 量 Ip Rp Cp RL 路 Piezoelectric Load 料 路 量 路
  24. 24. 量 參數 量 參數 力 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 量 量 Piezoelectric element AC Sensor Strain Computer Interface gauge R Cantilever plate Dynamic Signal Analyzer Electromagnetic Amplifier Shaker
  25. 25. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 力 量 量 2.2 率(HZ) Voltage (V) 2.0 PZT 5 Hz 1.0E-05 0.488 1.8 10 Hz 2.0E-05 0.943 1.6 5 Voltage (V) 3.0E-05 1.38 1.4 4.0E-05 1.82 1.2 1.0E-05 0.5545 1.0 2.0E-05 1.14 0.8 10 3.0E-05 1.7 0.6 4.0E-05 2.18 0.4 10 15 20 25 30 35 40 Strain (µε)
  26. 26. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 率(HZ) (V) (V) 1.0E-05 0.488 0.0213 2.0E-05 0.943 0.0412 5 3.0E-05 1.38 0.0597 4.0E-05 1.82 0.0791 1.0E-05 0.5545 0.0244 2.0E-05 1.14 0.0502 10 3.0E-05 1.7 0.0746 4.0E-05 2.18 0.0955
  27. 27. 量 參數 量 參數 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 量 率(HZ) 1.0E-05 7.1E-07 2.0E-05 1.4E-06 5 3.0E-05 2.2E-06 4.0E-05 2.8E-06 1.0E-05 1.1E-06 2.0E-05 1.8E-06 10 3.0E-05 2.8E-06 4.0E-05 3.2E-06 • 率 率(10HZ) 力 率 量 率 率
  28. 28. 量 參數 量 參數 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 量 8 7 PZT (d31) PTZ PTZ+IDE MFC PZT+IDE (d33) MFC (d33) Voltage density (V/mm3) 6 (V) (V) (V) 5 5.0E-06 0.485 0.552 1.81 4 1.0E-05 0.968 1.02 3.56 3 1.5E-05 1.44 1.527 5.35 2 2.0E-05 1.89 2.02 7.05 1 0 0 5 10 15 20 Strain (µε)
  29. 29. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 0.01 度 PZT PZT+IDE MFC 0.009 PZT (d31) PZT+IDE (d33) 3 Volume (mm ) 194.28 240.25 714 0.008 Voltage density (V/mm ) MFC (d33) 3 0.007 0.006 PZT PZT+IDE MFC 0.005 度 度 度 0.004 (V/ mm3) (V/ mm3) (V/ mm3) 0.003 5.0E-06 0.0025 0.0023 0.0025 0.002 0.001 1.0E-05 0.005 0.0042 0.005 0 0 5 10 15 20 1.5E-05 0.0074 0.0064 0.0075 Strain (µε) 2.0E-05 0.0097 0.0084 0.0098 度
  30. 30. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 流量 1 RL VR =( × IP ) × R L L 1 1 1 Ip Rp Cp RL + + RP 1 RL jωC P Piezoelectric Load R LR P VR = IP ( R P + R L ) + ( ωC P R L R P ) 2 2 L 量 路
  31. 31. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 +q +q +q +q +q Electrodes PZT V dg PZT Electrodes -q In te rd ig ita te d E le c tro d e s PZT PZT+IDE
  32. 32. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 -q -q -q ACX QP25W ACX QP10NI M8528P1 +q +q +q +q (mm2) 1529.7 227.36 43 (mm) 0.127 1.524 0.5 數 1800 1800 不 P ie z o fib e r • d31 ACX QP25W不 兩 d33 In terd ig ita te d 兩 d33 E le c tro d e s 便 MFC
  33. 33. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 0.6 4 率 率 0.5 QP25W QP10ni 3 0.4 Capacitor (nF) 2 Capacitor (uF) 0.3 0.2 1 0.1 0 0 -0.1 -1 -0.2 -0.3 -2 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 Frequency (K Hz) Frequency (K Hz) PZT 量 PZT+IDE 量
  34. 34. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 11 率 10 MFC 8528 P1 ACX QP25W ACX QP10NI M8528P1 9 Capactitance (nF) 140 1.3 7 Capacitor (nF) 8 7 6 d31 PZT QP25W 5 兩 d33 4 行 3 行 0 10 20 30 40 Frequency (K Hz) 50 60 70 數 行 MFC 量
  35. 35. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 0.5 量 0.45 連 不 量 0.4 聯立 便 Output Voltage (V) 0.35 流 0.3 0.25 0.2 R LR P 0.15 VR = IP 0.1 PZT ( R P + R L ) + ( ωC P R L R P ) 2 2 L Theoretical 0.05 Measured 0 0.00E+00 5.00E+05 1.00E+06 1.50E+06 2.00E+06 Load Resistance (Ohms) PZT
  36. 36. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 0.6 2 1.8 0.5 1.6 1.4 0.4 Voltage (V) Voltage (V) 1.2 0.3 1 0.8 0.2 PZT+IDE 0.6 Theoretical MFC Measured 0.4 Theoretical 0.1 Measured 0.2 0 0 0 1E+007 2E+007 3E+007 4E+007 5E+007 6E+007 0.00E+00 5.00E+06 1.00E+07 1.50E+07 2.00E+07 2.50E+07 3.00E+07 3.50E+07 4.00E+07 Load Resistance (Ohms) Load Resistance (Ohms) PZT+IDE MFC
  37. 37. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 流 3E-005 流 度 PTZ PTZ+IDE MFC PZT (d31) PZT+IDE (d33) 2.5E-005 流 (A) 流(A) 流 (A) MFC (d33) Current density (A/mm ) 3 2E-005 5.0E-06 6.48E-06 6.25E-07 7.10E-06 1.0E-05 1.28E-05 1.15E-06 1.40E-05 1.5E-005 1.5E-05 1.91E-05 1.73E-06 2.10E-05 1E-005 2.0E-05 2.50E-05 2.29E-06 2.77E-05 5E-006 0 0 5 10 15 20 Strain ( µε) 流
  38. 38. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 流 度 1.4E-007 流 度 PZT (d31) 1.2E-007 PZT+IDE (d33) ACX QP25W ACX QP10NI M8528P1 MFC (d33) Current density (A/mm ) 3 1E-007 流 度(A/ mm3) 流 度(A/ mm3) 流 度(A/ mm3) 5.0E-06 3.34E-08 2.60E-09 9.90E-09 8E-008 1.0E-05 6.59E-08 4.79E-09 1.96E-08 6E-008 1.5E-05 9.80E-08 7.20E-09 2.94E-08 4E-008 2.0E-05 1.29E-07 9.50E-09 3.88E-08 2E-008 0 0 5 10 15 20 Strain ( µε) 流 度
  39. 39. 量 參數 量 參數 量 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 率量 0.3 率 度 PZT PZT+IDE MFC 0.25 PZT (d31) PZT+IDE (d33) Power density ( µW/mm 3) 率 度 率 度 率 度 MFC (d33) (µW/ mm3) (µW/ mm3) (µW/ mm3) 0.2 5.0E-06 1.63E-02 1.44E-03 1.80E-02 0.15 1.0E-05 6.38E-02 4.88E-03 6.98E-02 0.1 1.5E-05 1.42E-01 1.10E-02 1.57E-01 0.05 2.0E-05 2.43E-01 1.93E-02 2.74E-01 0 0 5 10 15 20 Strain ( µε) 率 度
  40. 40. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 率 率量 1.6E-006 9E-008 PZT 率 1.4E-006 Theoretical 8E-008 Measured 1.2E-006 7E-008 6E-008 1E-006 Power (w) Power (w) 5E-008 8E-007 4E-008 6E-007 3E-008 4E-007 2E-008 PZT+IDE 率 2E-007 Theoretical 80 K Ohms 1E-008 Measured 0.73 M Ohms 0 0 0 200000 400000 600000 800000 1E+006 0 500000 1E+006 1.5E+006 2E+006 2.5E+006 3E+006 3.5E+006 4E+006 Load Resistance (Ohms) Load Resistance (Ohms) PZT 率 PZT+IDE 率 RP PR = ( IP )2 × R L (R P + R L ) 2 + (ωC P R L R P ) 2 L
  41. 41. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 率量 4E-006 MFC 率 率(W) 率(W) 率 3.5E-006 Theoretical Measured 3E-006 PZT 3.16E-06 1.53E-06 48 2.5E-006 PZT+IDE 3.45E-07 8.70E-08 25.3 Power (w) 2E-006 MFC 1.29E-05 3.56E-06 27.7 1.5E-006 1E-006 率 度 率 度 5E-007 (µW/ mm3) ( W/ mm3) 0.36 M Ohms PZT 1.63E-02 7.88E-03 0 0 500000 1E+006 1.5E+006 2E+006 PZT+IDE 1.44E-03 3.64E-04 Load Resistance (Ohms) MFC 1.80E-02 4.99E-03 MFC 率 • 了 流 路 流 率 率 降
  42. 42. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 Strain gauge PZT AC DC 濾 流 Cantilever plate Dynamic Signal Analyzer Electromagnetic Amplifier Shaker 量 來 率(15HZ) 率(1-100HZ) 量 率
  43. 43. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 I C RL Cp Piezoelectric Rectifier Capacitor Load 量 路
  44. 44. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 量 160 450 PZT (ACX QP25W) 量 ACX QP10NI 量 140 率 Experiment 400 率 Experiment 率 Experiment 率 Experiment 350 120 300 Voltage (mv) Voltage (mv) 100 250 80 200 60 150 40 100 20 50 0 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Time(sec) Time (sec) PZT 量 PZT+IDE 量
  45. 45. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 量 量 1400 MFC voltage measure • 了 率 Experiment 1200 率 Experiment 了 1000 Voltage (mv) Vc ( t ) = X T ( t ) + X SS 800 600 400 −t 200 X T ( t ) = (X 0 − τF)e τ X SS ( t ) = τF = X ∞ 0 0 5000 10000 15000 20000 Time (sec) MFC 量
  46. 46. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 數 160 −t PZT (ACX QP25W) 量 X out ( t ) = KA in (1 − e ) τ 140 率 Experiment 率 Time constant 120 ⎛ X (t) ⎞ − t Voltage (mv) 100 ln⎜1 − out ⎟ = ⎜ ⎝ KA IN ⎟ τ ⎠ 80 60 40 KAin 20 0 Xout 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Time(sec) PZT 量
  47. 47. 量 參數 量 參數 1011 0011 0010 1010 1101 0001 0100 450 1400 ACX QP10NI 量 M8528P1 量 400 率 Experiment 率 Experiment 率 Time constant 1200 率 Time constant 350 1000 300 Voltage (mv) Voltage (mv) 250 800 200 600 150 400 100 50 200 0 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 5000 10000 15000 20000 Time (sec) Time (sec) PZT+IDE 量 MFC 量 PZT PZT+IDE MFC 數τ 3220 7794 3495
  48. 48. 論 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 來
  49. 49. 論 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 • 量 量 : • 論 率 • 更
  50. 50. 論 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 • 量 數 流 率 率 : 量 不 不 度 流 度 度 度 PZT 0 + PZT+IDE - - - - MFC + 0 + 0 率
  51. 51. 論 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 率 量 率 率 率 量 率 PZT MFC 量 率 量 PZT + - PZT+IDE - MFC 0 +
  52. 52. 來 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011 • 更 量 參數 不 • 立 量 數 • 立 量 路
  53. 53. 0011 0010 1010 1101 0001 0100 1011

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