Estudo do comportamento dinâmico de geradores de energia piezoelétricos não lineares: modelagem teórica e validação experimental

• Processo: 12/04999-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
• Data de Início da vigência: 01 de maio de 2012
• Data de Término da vigência: 30 de abril de 2014
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Projetos de Máquinas
• Pesquisador responsável: Paulo Sergio Varoto
• Beneficiário: Raul Baston Olympio
• Instituição Sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Assunto(s): Materiais inteligentes Materiais piezoelétricos Colheita de energia Validação Ensaios Projeto mecânico
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: energy harvesting | Materiais Inteligentes | Vibrações mecânicas não lineares | Estruturas Inteligentes

Resumo

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, etc). Neste sentido a utilização de materiais piezelétricos no processo de conversão de sinais de vibração estrutural em energia elétrica útil, denominado de Piezoelectric Energy Harvesting ou Scavenging, vem alcançando posição de destaque dentre os tópicos mais pesquisados atualmente. Embora a quantidade de energia elétrica gerada a partir do uso de dispositivos piezelétricos seja ainda reduzida, o que restringe o uso destes conversores a alimentação de eletrônica de pequeno porte, considerável avanço vem sendo atingidos tanto no aumento da energia elétrica útil decorrente da conversão quanto em aspectos importantes relacionados ao desempenho de tais conversores. Uma característica importante dos conversores piezelétricos refere-se ao fato de que seu máximo desempenho é alcançado quando a freqüência do sinal de distúrbio se iguala à freqüência natural fundamental do dispositivo, ou seja, a máxima potência é geralmente alcançada quando o dispositivo opera em condição de ressonância estrutural. Esta característica dos conversores revela que pequenas alterações nas frequências dos sinais de distúrbio podem causar perda de eficiência devido à perda de sintonia entre a freqüência natural do conversor e a correspondente freqüência do distúrbio externo. Desta forma, inúmeros esforços vêm sendo empreendidos no sentido de se aumentar a faixa útil de frequências dos conversores piezelétricos de energia que operam no regime da ressonância estrutural. Uma alternativa que vem sendo atualmente explorada prevê a inclusão de efeitos não lineares nos modelos eletromecânicos dos conversores com o objetivo de se aumentar a faixa útil de tais dispositivos. Neste sentido, os modelos não lineares de vibração estrutural são muito úteis na modelagem dos chamados conversores não lineares de energia. O presente projeto de pesquisa tem como objetivo principal realizar uma pesquisa numérica e experimental em conversores piezelétricos de energia do tipo viga em balanço (cantilever) com a inclusão de efeitos não lineares (elásticos, magnéticos, etc) visando maximizar a quantidade de energia gerada por um determinado tipo de conversor. Para tanto será formulado um modelo eletromecânico de um conversor típico empregando-se métodos de energia e a partir deste modelo não linear serão realizadas inúmeras simulações computacionais variando-se determinados parâmetros que afetam diretamente o desempenho do conversor. Serão realizados também ensaios experimentais em um protótipo construído para tal fim com o objetivo de se validar o modelo eletromecânico formulado. Espera-se assim obter uma ampla compreensão dos processos físicos que ocorrem durante a conversão de energia mecânica em energia elétrica através dos efeitos não lineares considerados.(AU)