ANÁLISE NUMÉRICO-EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA NÃO SUAVE PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO MATERIAL PIEZELÉTRICO

Abstract

The concept of energy harvesting encompasses the capture, use and storage of energy from the environment. The conversion of mechanical vibrations into electrical energy has been presented an effective way of generating energy through the deformation of piezoelectric materials (direct mode). Most vibration-based energy harvesters have an inherent disadvantage when operating in linear condition, which means, they present a maximum power output by matching their resonance frequencies with the ambient source frequencies, resulting in a narrowband harvester system. Thus, small frequency deviations can produce a significant drop in the output power. The main benefit of introducing nonlinearities in the dynamic energy harvesting system is the increase in the operating bandwidth of the device. The present work develops a deep investigation concerning non-smooth piezoelectric energy harvesting system. A model with a single degree of freedom is widely explored through a beam covered with a piezoelectric material coupled to an electric circuit in the presence of a mechanical end stop (discontinuous support). The impacts can significantly modify system dynamics resulting in an increased broadband output power harvested performance and introducing nonlinear effects as dynamical jumps. Numerical simulations are performed along with experimental tests to evaluate if the device has obtained the expected behavior.

O conceito de colheita de energia engloba a captação, o uso e o armazenamento de energia proveniente do meio ambiente. A conversão de vibrações mecânicas em energia elétrica tem se apresentado uma forma efetiva de geração de energia através da deformação de materiais piezelétricos. A maioria dos dispositivos baseados em vibração apresenta uma desvantagem quando operam em condições lineares, correspondendo a potência de saída máxima em sua frequência de ressonância, resultando em um sistema de banda estreita. Assim, pequenos desvios de frequência podem produzir uma queda significativa na potência de saída. O principal benefício da introdução de não linearidades no sistema dinâmico de colheita de energia é o aumento da banda de operação do dispositivo. O presente trabalho realiza uma investigação aprofundada do comportamento de um sistema de colheita não suave. É explorado um modelo com um grau de liberdade para descrever uma viga recoberta por um material piezelétrico sujeita a vibrações, acoplada a um circuito elétrico e com a presença de um batente mecânico (suporte descontínuo). Os impactos no suporte podem modificar significativamente a dinâmica do sistema resultando em uma ampliação na faixa de frequência disponível do dispositivo e introduzir efeitos não lineares, como saltos dinâmicos. Simulações numéricas são efetuadas juntamente com ensaios experimentais para avaliar a dinâmica e desempenho do dispositivo não linear de geração de energia.