Harvesting of kinetic energy from marine animals – A study on piezoelectric generators operating at low frequency vibrations

Abstract

Trådløse sensornettverk er i vinden for dagen og er de siste årene blitt mer utbredt i industrien og hos forbrukere. Dette betyr også at det i dag er en hel del flere elektroniske apparater og innretninger som trenger batterier for å driftes. Denne avhengigheten kan i mange tilfeller være en flaskehals for sensorens levetid, spesielt i de tilfellene der sensoren er plassert i mindre tilgjengelige miljøer. Det er de siste årene derfor økt interesse for energihøsting, som mange tror kan være nøkkelen for en forlenget levetid for sensorer. Denne bacheloroppgaven tar for seg energihøsting for å drifte sensorer implantert i fisk ved å høste kinetisk energi og konvertere den til elektrisk energi. Det blir vurdert forskjellige løsninger for dette, da om det er gjennomførbart og fra et etisk perspektiv. Retningen valgt i denne oppgaven baserer seg på å høste energi fra vibrasjoner som skapes når fiskens hale beveger seg frem og tilbake, ved bruk av en fleksibel piezoelektrisk cantilever. Ved å bruke simuleringer for å approksimere den elektriske energipotensialet, i tillegg til reelle forsøk, vil det undersøkes om det er mulig å bruke kommersielt tilgjengelige energihøstere for å drive sensoren. For å tilpasse systemets resonans til frekvensene til stede i fiskens haleslag vil cantileverens utforming endres, i tillegg vil den også lastes med ulike lastmasser. Resultatene viser at, dersom kommersielt tilgjengelige vibrasjons -og bøyings- energihøstere skal være brukbare på ekstremt lave frekvenser må en hel del konfigurasjoner utføres. Når det er sagt, dersom man skulle klare det, er potensialet for å drive sensorer med energihøstere en mulighet. Denne studien prøver å besvare spørsmålet om piezoelektriske energihøstere kan drive en sensor ved å konvertere fiskens kinetiske energi til elektrisk energi. Som det konkluderes med er den største utfordringer her å få et system til å resonnere på de ekstremt lave frekvensene. Selv om studien ikke har en definitiv løsning på problemet er det vist at fiskens bevegelse er en potensiell energikilde. Videre blir det også listet opp mulige tekniske løsninger for å løse problemet med de lave frekvensene. Videre forskning må utføres på området for å få konkluderende data.

Wireless sensor networks are a hot topic in the industry of today. Their popularity is becoming more and more widespread. Unfortunately, the sensors being wireless means their reliance on batteries are present, and this reliance can in some cases become a limitation as the longevity of the sensor is directly affected. As a way of combating this reliance, different approaches to energy harvesting are being investigated as possible solutions. The purpose of this thesis is to investigate the potential in harvesting bending or vibrational energy from fish as it swims. For this, different configurations were considered, both from a feasibility and ethical perspective. The approach chosen for this paper was using a piezoelectric cantilever to harvest the energy caused by vibrations from the tail beat. Simulations were used to approximate the potential power output of the harvester, as well as an experimental setup to measure the real results of a commercially available piezoelectric energy harvester. To adjust the resonance frequency of the system, changes were made to the tip mass of a cantilever configuration, as well as the physical geometry of the cantilever itself. The results show that, for a commercially available vibrational or bending energy harvester to be useful for extremely low frequencies, a great deal of configurations must be made. However, there is a potential for an energy harvester-driven senson. This study attempt to answer the question whether or not a piezoelectric energy harvester could power a sensor from the vibrational energy of the fish. As the study states: the most demanding challenge surrounding this approach is the low frequencies the cantilever is operating at. Although this study did not solve the problems regarding harvesting the kinetic energy from fish, it does show that the potential is there. Furthermore, the study lists a number of possible configurations and workarounds to potentially solve the technical problems surrounding the low operating frequency. Further studies are needed to establish the feasibility of using commercially available energy harvesters for more extreme ranges than is advertised. The propositions presented by this paper could lead to further breakthroughs into the field of biomechanical energy harvesting.