Mechanical switch design strategy for self-adaptive triboelectric and electromagnetic harvesting system

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To enhance the output and efficiency of hybrid energy harvesting systems utilizing triboelectric nanogenerators (TENG) and electromagnetic generators (EMG), it is essential to exploit their frequency-dependent characteristics. While the output power of a TENG is proportional to the frequency, that of an EMG is proportional to the square of the frequency, making TENGs more efficient in low-frequency regimes and EMGs more effective at higher frequencies. This study presents a self-adaptive hybrid energy harvesting system featuring a mechanical switch that activates or deactivates the EMG at a specific frequency.
The mechanical switch was designed based on the snap-through buckling phenomenon. To precisely regulate the rotational speed at which the EMG operates, the switching conditions were analyzed as a function of design parameters through both finite element modeling (FEM) and experimental validation. By implementing a structure where the switch reversibly engages and disengages in response to changes in rotational speed, a fully passive system was realized without the need for external intervention. This work provides a robust design strategy and fabrication method for mechanical switches that control EMG operation under specific conditions. Future work will involve integrating the system with DC conversion circuits and energy storage units to verify its practical applicability by powering electronic devices and sensors.

국문 초록 (Abstract)

마찰대전 나노발전기(TENG)와 전자기 유도 발전(EMG)를 활용해 기계적 에너지를 전력으로 변환하는 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템의 출력과 효율을 높이기 위해서는 주파수에 따른 각 발전방식의 출력 특성을 이해하고 활용해야 한다. TENG의 출력은 주파수에 비례하며 EMG의 출력은 주파수의 제곱에 비례한다. 이로 인해, 특정 주파수를 기준으로 저주파 대역에서는 TENG가, 고주파 대역에서는 EMG가 각각 효율적이다. 본 연구에서는 TENG와 EMG의 출력 특성을 이용해 특정 주파수에서 EMG가 켜고 꺼지는 기계적 스위치를 통해 자가적응형 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템을 제시한다. 이를 위해, 스냅스루 좌굴 현상을 활용한 기계적 스위치를 제작했다. EMG가 작동하는 회전속도를 조절하기 위해 기계적 스위치의 설계 변수에 따른 작동 조건을 실험과 유한요소해석을 통해 분석했다. 회전속도가 증가하며 작동한 스위치가 회전속도 감소하며 다시 돌아오는 구조를 적용해 외부 개입 없이 켜고 꺼지는 시스템을 완성했다. 이를 통해, 특정 조건에서 EMG의 작동을 제어하는 기계적 스위치의 제작 방법과 설계 전략을 제시하였다. 향후, 직류 변환 및 배터리 충전, 센서 작동 등 시스템의 출력을 전자 장비 구동에 활용해 검증을 진행할 예정이다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1. Research Background 1
• 2. Objectives 5
• Chapter 2. TEHORETICAL BACKGROUND 6
• 1. Energy Harvesting 6
• 2. Mechanical Switch 12
• Chapter 3. METHODS 25
• 1. Materials and Preparation 25
• 2. Experimental Method 32
• Chapter 4. RESULTS AND DISCUSSION 37
• 1. Mechanical Switch 37
• 2. Performance of Energy Harvester 41
• Chapter 5. CONCLUSION 51
• References 53