Trabalho de Conclusão de Curso
Documento
Autoria
Unidade da USP
Data de Apresentação
Orientador
Banca
Franco, Vitor Ramos
Gonçalves, Luiz Augusto Martin
Título em Português
Geradores piezoelétricos de energia com múltiplos graus de liberdade: modelagem e experimentação
Palavras-chave em Português
Piezoeletricidade
Gerador de energia
Múltiplos graus de liberdade
Viga em forma de L
Materiais inteligentes
Frequência de ressonância
Vibração mecânico-estrutural
Resumo em Português
A crescente demanda por novas tecnologias voltadas à utilização de fontes alternativas de energia tem motivado pesquisadores de diversas áreas do conhecimento a investir esforços no sentido de propor novas técnicas e procedimentos voltados principalmente à utilização de fontes renováveis de energia (eólica, hídrica, estrutural, dentre outras). Nesse sentido a utilização de materiais piezoelétricos no processo de conversão de sinais de vibração estrutural em energia elétrica útil, denominado de Piezoelectric Energy Harvesting, vem alcançando posição de destaque dentre os tópicos mais pesquisados atualmente. Embora a quantidade de energia elétrica gerada a partir do uso de dispositivos piezoelétricos ainda seja reduzida, o que restringe o uso desses geradores à alimentação de eletrônica de baixa potência, consideráveis avanços vem sendo atingidos tanto no aumento da energia elétrica útil decorrente da conversão quanto em aspectos importantes relacionados ao desempenho de tais geradores. Uma possível estratégia para a melhoria do desempenho de geradores piezoelétricos de energia ainda pouco aproveitada prevê a inclusão de mais de um modo de vibração no modelo do gerador em estudo. Apesar de pouco explorada, esta proposta pode resultar em uma melhoria significativa do processo eletromecânico de conversão de energia devido principalmente à existência de mais de uma frequência natural na faixa útil de operação do dispositivo em questão. Esta alternativa pode, em princípio, apresentar-se como muito atrativa em ambientes para os quais os sinais de vibração estrutural possuem uma capacidade em frequência capaz de cobrir várias frequências de operação, como é o caso típico de veículos terrestres. Nesse sentido, a presente monografia teve como objetivo precípuo realizar um estudo analítico e experimental de geradores de energia piezoelétricos possuindo múltiplos graus de liberdade bem como avaliar sua utilização no aproveitamento de sinais de vibração estrutural provenientes do ambiente. Para tanto, foi estudado com maior ênfase o modelo dinâmico de gerador piezoelétrico que utiliza uma viga em forma de L com duas massas concentradas e de configuração unimorph. Uma modelagem analítica já existente na literatura baseada no modelo linear de Euler-Bernoulli foi estudada, com o intuito de se avaliar o comportamento eletromecânico do gerador de energia piezoelétrico da viga-L. A partir desse modelo linear, foram formuladas as equações eletromecânicas e se obteve a função de resposta do sistema no domínio da frequência (FRF) usando conceitos básicos de análise modal estrutural. Utilizando-se o software MATLAB® , programou-se uma rotina de cálculo para efetuar simulações computacionais que determinassem a FRF da tensão elétrica gerada por aceleração da base para esse modelo. Em seguida, ensaiou-se um protótipo do gerador piezoelétrico da viga em forma de L. Os resultados experimentais obtidos foram analisados e comparados com os resultados das simulações numéricas, permitindo-se verificar que o modelo analítico linear de Euler-Bernoulli escolhido é capaz de descrever e representar com precisão o comportamento eletromecânico do gerador de energia piezoelétrico que utiliza viga-L com duas massas concentradas e de configuração unimorph.
Título em Inglês
Piezoelectric energy harvesting with multiple degrees of freedom: modeling and experimentation
Palavras-chave em Inglês
Energy harvesting
Multiple degrees of freedom
L-shaped beam
Intelligent materials
Ressonance frequency
Mechanical structural vibration
Resumo em Inglês
The growing demand for new technologies related to the use of alternative energy sources has motivated researchers from various fields of knowledge to invest efforts to propose new techniques and procedures focused mainly on the use of renewable energy sources (wind, hydro, structural, among others). In this sense the use of piezoelectric materials in the conversion process of structural vibration signals into useful electrical energy, called Piezoelectric Energy Harvesting (PEH), has achieved a prominent position among the most widely researched topics. Although the amount of electricity generated from the use of piezoelectric devices is still low, which restricts the use of these harvesters to low power electronics, considerable progresses have been achieved both in increasing the useful electrical energy resulting from the conversion as in important aspects related to performance of such harvesters. One possible strategy for improving the performance of piezoelectric harvesters still underused predicts the inclusion of more than one mode of vibration in the harvester test model. Although little explored, this proposal can result in a significant improvement of the electromechanical energy conversion process mainly due to the existence of more than one natural frequency in the useful operation range of the device in question. This alternative can be in principle very attractive in environments where the structural vibration signals have a frequency capability able to cover multiple operating frequencies, as is the typical case of land vehicles. In this sense, the main objective of this monograph was to carry out an analytical and experimental study of piezoelectric energy harvesters having multiple degrees of freedom and to evaluate its use in the use of structural vibration signals from the environment. For that, the dynamic model of piezoelectric harvester that uses an Lshaped beam with two lumped masses and unimorph configuration was studied with greater emphasis. An already existing analytical model in the literature based on the Euler-Bernoulli linear model was studied in order to evaluate the electromechanical behavior of the piezoelectric energy harvester from an L-shaped beam. From this linear model, the electromechanical equations were formulated and the system response function in the frequency domain (FRF) was obtained using basic concepts of structural modal analysis. ing MATLAB® software, a calculation routine was programmed to perform computational simulations that determined the FRF of the electrical voltage generated by acceleration of the base for this model. Then, a prototype of the piezoelectric harvester of the L-shaped beam was tested experimentally. The experimental results obtained were analyzed and compared with the results of the numerical simulations, allowing to verify that the linear analytical model of Euler-Bernoulli chosen is able to describe and accurately represent the electromechanical behavior of the piezoelectric energy harvester that uses an L-shaped beam with two lumped masses and unimorph configuration.
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Data de Publicação
2017-09-05
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