ESTUDO EXPERIMENTAL DOS EFEITOS NÃO LINEARES NA GERAÇÃO DE ENERGIA LIMPA ATRAVÉS DE MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

Abstract

Mechanical vibrations on clean and renewable energy generation is a method known as harvesting energy. That concept has been improved on smart material field, due the environmental vibrations energy conversion become a potential engineering solution for clean power generation of sensors and low-power wireless communication systems. However, its energy efficiency over a large range of excitation frequency is still a challenge to researchers, and an alternative that has been widely explored is an addition of external agents to the piezoelectric system in order to enhance its efficiency with the introduction of non-linear effects. This project deals with an experimental analysis of a bimorph piezoelectric beam crimped at one end to a harmonically excited base and having at its free end a magnetic mass interacting with another magnetic mass fixed nearby the beam. The magnets generate nonlinear magnetic forces that can lead to system bistability, introducing complex dynamics with the presence of chaos and dynamic jumps. Up and down sweeps on frequency were done for a vary distances between magnets and differents forcing amplitudes, due to verify those complex behaviors. Analysis methods using displacement and electrical power versus frequency diagrams, bifurcation diagrams, phase spaces and Poincarè sections show efficiency increase for a wider range of frequencies on the presence of magnets.

A utilização de vibrações mecânicas para geração de energia limpa e renovável através de materiais piezoelétricos é um método conhecido como Energy Harvesting. Esse conceito vem sendo aprimorado na área dos materiais inteligentes, pois a conversão de energia advinda de vibrações do ambiente é uma solução com grande potencial em engenharia para alimentação de sensores e sistemas de comunicação sem fio de baixa potência. Apesar disso, sua baixa eficiência energética em uma grande faixa de frequências de excitação ainda é um desafio aos pesquisadores e, uma alternativa que vem sendo amplamente explorada é a adição de agentes externos no sistema a fim de aumentar a eficiência dos dispositivos piezoelétricos com a introdução de efeitos não lineares. O presente trabalho lida com uma análise experimental de uma viga piezelétrica bimorfa engastada em uma extremidade a uma base harmonicamente excitada e tendo em sua extremidade livre uma massa magnética interagindo com outra massa magnética fixada nas proximidades da viga. Os imãs geram forças magnéticas não lineares podendo levar o sistema a biestabilidade, introduzindo um comportamento dinâmico complexo com a presença de caos e saltos dinâmicos. Para verificar o comportamento do sistema foram feitas varreduras em frequências ascendente (up-sweep) e descendente (down-sweep) para diferentes distâncias entre imãs e amplitudes de forçamento. Análises através de diagramas de deslocamento e potência elétrica em função da frequência, diagramas de bifurcação, espaços de fase e seções de Poincaré mostram que é possível aumentar a eficiência do dispositivo para uma ampla faixa de frequências com a introdução das forças magnéticas.