SYNERGISTIC USE OF PIEZOELECTRIC MATERIALS AND SHAPE MEMORY ALLOYS FOR ENERGY HARVESTING: EXPERIMENTAL AND NUMERICAL ANALYSES

Abstract

The seeks for clean and renewable methods to obtain electrical energy is a global demand and experienced continued growth in the last two decades. Besides that, mechanical vibrations are considered a relevant kinetic energy resource and it is present in most environments. Piezoelectric materials arise as an alternative to convert mechanical vibrations into electrical power through the direct piezoelectric effect. Traditional piezoelectric harvesters present narrow bandwidth with great performance when external forcing frequency matches with the harvester’s natural frequency, and therefore, the harvester operates in resonance conditions. However, environmental vibration sources can vary their frequency in a wide range promoting a significant drop in the harvester performance. Based on that, nonlinear dynamical responses have been explored as an alternative to increase piezoelectric energy harvesters’ operational range. In addition, shape memory alloys (SMAs) present nonlinear thermomechanical coupling and the intrinsic characteristic to change mechanical properties due to solid phase transformation induced by either temperature and mechanical fields. This work investigates the synergistic use of piezoelectric materials and the nonlinear constitutive behavior of shape memory alloys with the aim to provide adaptability characteristics and increase the harvester’s operational range. A constitutive model with assumed kinetic phase transformation is developed to describe the SMA constitutive behavior in dynamical conditions. An experimental apparatus is built to characterize the dynamical behavior of a SMA-piezoelectric energy harvester and evaluate the harvester in operational conditions. The analyses consider the influence of SMA phase transformation induced by temperature and mechanical load separately and evaluate the frequency response of the SMA-piezoelectric harvester in different conditions of use. Afterward, a good theoreticalexperimental correlation is obtained. Results reveal that the addition of a SMA element in a piezoelectric energy harvester is able to alter its frequency response and increase the operational range via thermal and mechanical stimulus.

A busca por métodos de obtenção de energia elétrica de forma não poluente é uma demanda global que apresenta contínuo aumento nas últimas duas décadas. Junto a isso, vibrações mecânicas são consideradas uma fonte vasta de energia cinética e presente em muitos cenários. Materiais piezoeléctricos surgem como uma alternativa de converter vibrações mecânicas em energia elétrica devido ao efeito piezoeléctrico direto. Coletores piezoelétricos tradicionais apresentam largura de banda estreita e máximo desempenho quando a frequência de forçamento coincide com a frequência natural do coletor e, portanto, o coletor opera na condição de ressonância. No entanto, fontes de vibrações no ambiente podem ter sua frequência variada em uma ampla faixa promovendo uma queda significativa no desempenho do coletor. Com base nisso, respostas dinâmicas não lineares têm sido exploradas como uma alternativa para aumentar a faixa operacional dos coletores de energia piezoelétrica. Além disso, ligas com memória de forma, do inglês shape memory alloys (SMAs) apresentam acoplamento termomecânico e a característica de modificar suas propriedades mecânicas devido a transformação de fase sólida que pode ser induzida por temperatura e carregamento mecânico. Este trabalho investiga o uso sinérgico de materiais piezoelétricos e o comportamento constitutivo não linear de ligas com memória de forma com o objetivo de fornecer características de adaptabilidade e aumentar a faixa de operação do coletor. Um modelo constitutivo com cinética de transformação de fase assumida é desenvolvido para descrever o comportamento constitutivo da SMA em condições dinâmicas. Um aparato experimental é construído para caracterizar o comportamento dinâmico de um coletor de energia SMA-piezoelétrico e avaliar o coletor em condições operacionais. As análises consideram a influência da transformação de fase SMA induzida por temperatura e carregamento mecânico separadamente e avaliam a resposta no domínio da frequência do coletor SMA-piezoelétrico em diferentes condições de uso. Posteriormente, encontra-se uma boa correlação teórico-experimental. Os resultados revelam que a adição de um elemento de SMA em um coletor de energia piezoelétrico é capaz de alterar sua resposta no domínio da frequência e aumentar a faixa operacional via estímulo térmico e mecânico