Geradores piezelétricos de energia a partir de sinais de vibração estrutural em baixas frequências: modelagem e experimentação

• Processo: 17/20458-2
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
• Data de Início da vigência: 01 de dezembro de 2017
• Data de Término da vigência: 31 de dezembro de 2019
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Mecânica dos Sólidos
• Pesquisador responsável: Paulo Sergio Varoto
• Beneficiário: Leticia Hatsue Maki
• Instituição Sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Assunto(s): Geradores de energia Sensores piezoelétricos Vibrações Vigas Estabilidade estrutural Fontes naturais de energia
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Coleta de Energia | Materiais piezoelétricos | piezoelectric energy harvesting | Vibrações Estruturais | Dinâmica de Corpos Rígidos e Flexíveis

Resumo

O presente projeto de pesquisa tem como objetivo principal o estudo de geradores de energia possuindo múltiplos graus de liberdade bem como suas aplicações a sinais de vibração estrutural em baixas frequências. A pesquisa se insere na área de estruturas inteligentes que utilizam os denominados materiais piezelétricos que podem ser usados tanto para atuação em técnicas de controle estrutural quanto em sensoriamento para monitoração de sinais dinâmicos. Em particular, o escopo do projeto se insere no contexto denominado Vibration Piezoelectric Energy Harvesting, que busca projetar dispositivos eletromecânicos, empregando para tanto materiais piezelétricos, que sejam capazes de converter sinais de vibração estrutural de um dado ambiente dinâmico em tensão eléctrica útil, especialmente naqueles casos onde os componentes espectrais principais dos sinais vibratórios se localizam na faixa de frequências correspondente a 0-100$ Hz que comumente engloba a maioria dos fenômenos vibratórios denominados ambientais. O modelo dinâmico da viga engastada-livre, comumente denominada de viga cantilever parcialmente recoberta com uma fina camada de cerâmica piezelétrica é um dos modelos mais comumente usados no projeto de geradores piezelétricos de energia. Embora útil, este modelo possui limitações quanto a faixa de frequências de operação em aplicações que impõem restrições quanto ao volume máximo ocupado pelo gerador. Nestes casos, o dispositivo geralmente possui uma massa equivalente reduzida e um elevado valor de rigidez, resultando, portanto, em um valor para a frequência natural correspondente ao modo fundamental de vibração bem acima do valor máximo da faixa útil de utilização do dispositivo. Outra séria limitação do modelo cantilever é o fato do mesmo apresentar resultados satisfatórios apenas para a primeira frequência natural, não oferecendo, portanto, a desejável característica de adaptabilidade à outras frequências presentes no sinal de distúrbio e que, em princípio poderiam melhorar o desempenho do gerador. Uma provável forma de estabelecer uma relação de compromisso adequada entre as características de rigidez e o volume do dispositivo é através da combinação de vários elementos cantilever em uma configuração geométrica tal que o dispositivo gerador resultante apresente frequências naturais dentro da faixa desejada. Este projeto de pesquisa tem como objetivo principal realizar a modelagem analítica e posterior verificação experimental de um gerador piezelétrico de energia formado a partir da combinação de geradores do tipo viga cantilever formando uma geometria denominada fan-folded e, portanto, possuindo a vantagem de apresentar vários modos de vibração possuindo frequências naturais na faixa desejada de frequências. A modelagem analítica é feita através do modelo de Euler-Bernoulli para vigas com as condições de contorno e de equilíbrio previamente estabelecidas. Funções de resposta em frequência de transmissibilidade são obtidas para o modelo electromecânico considerando-se excitação via fronteira do sistema. O modelo analítico é então usado em simulações numéricas utilizando-se para tanto sinais de vibração comumente encontrados na natureza. Em particular, o desempenho do modelo analítico é estudado em simulações onde os sinais de entrada são obtidos a partir de estímulos cardiográficos simulados numericamente em ambiente MATLAB. Busca-se com tais simulações avaliar o desempenho do modelo proposto quanto à sua capacidade de geração de níveis adequados de energia elétrica que possam alimentar dispositivos de implantes cardíacos, dentre outros. Um protótipo para testes é projetado e construído usando-se para tantos conceitos de similitude e o mesmo será submetido a testes de laboratório com o objetivo de se verificar o modelo analítico eletromecânico estudado bem como avaliar sua implementação em cenários mais realísticos. (AU)