ANÁLISE EXPERIMENTAL DO USO DE LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA E MATERIAIS PIEZELÉTRICOS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA

Abstract

The conversion of environmental mechanical vibrations into electrical power has attracted the attention of several researchers, introducing the concept of energy harvesting by using piezoelectric materials. A nowadays challenge is to build devices able to efficiently convert energy from available sources found on the nature. Once the total power output obtained from a piezoelectric generator device is maximum when excited by the system resonance frequency and a power loss generated during the energy conversion can occur out of these condition, an adaptive device becomes interesting. As these environmental sources usually operate within a range of vibration frequencies, the synergic effect of piezoelectric materials and shape memory alloys (SMA) helps to increase the operating range of the system using the pseudoelastic and shape memory alloy effects. The SMAs hysteretic effects and change of material elastic modulus associated to phase transformations that introduces the variation of the SMA element damping and stiffness. These changes may alter the natural frequency and the whole system dynamic allowing adaptation and tuning with the excitation frequencies. This work deals with an experimental analysis about a piezoelectric cantilever beam coupled with a steel and shape memory alloy helical springs excited by a shaker in different conditions of vibrations and temperatures. Experimental results show that the proposed device configuration can be used to extend the operational range of the device for variable vibration excitation conditions. Good agreement is observed with numerical results obtained from previous works of the authors.

A conversão de vibração mecânica em energia elétrica utilizando o conceito de energy harvesting através de materiais piezelétricos é uma forma amplamente estudada. O desafio atual nessa área visa o desenvolvimento de dispositivos que possam converter energia em uma ampla faixa de frequência de excitação, adaptando- se a fontes disponíveis no ambiente (sintonia). A amplitude de saída elétrica de um gerador piezelétrico é máxima quando excitado na frequência de ressonância, reduzida rapidamente fora deste limite e as fontes disponíveis no ambiente possuem diferentes frequências de excitação. O efeito combinado de materiais piezelétricos com ligas com memória de forma, do inglês Shape Memory Alloys (SMAs), vem ao encontro com a necessidade de aumentar a faixa de operação do sistema de geração de energia explorando o efeito de pseudoelasticidade e o efeito memória de forma. As SMAs apresentam efeitos histeréticos e mudanças nas propriedades devido às transformações de fase sofridas por carregamentos termomecânicos. Estas mudanças podem alterar a dinâmica do sistema permitindo a adaptação e sintonização com as frequências de excitação. Para este fim, um aparato experimental foi desenvolvido no intuito de testar o sistema de geração de energia através de materiais piezelétricos com a inclusão de um elemento de SMA sujeito a diferentes condições de vibração e temperatura. Este trabalho lida com uma análise experimental de um elemento piezelétrico acoplado a uma viga vibrando. Inicialmente, molas de aço são adicionadas, seguido de molas de SMA para geração de energia. Os resultados experimentais são comparados com resultados numéricos de outros autores e mostram que as configurações dos dispositivos propostos podem ser usadas para aumentar a faixa de operação do sistema mesmo quando submetido a diferentes frequências de excitação.