Avaliação e análise de um sistema de micro geração de energia baseado no efeito piezoelétrico

Abstract

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre um sistema de micro geração de energia a partir da vibração de uma viga em balanço utilizando um transdutor piezoelétrico. A análise é feita levando-se em consideração as dimensões da viga utilizada, tipo de gerador piezoelétrico e diferentes tipos de cargas acopladas a este. O sistema de geração tem sua excitação realizada por um atuador piezoelétrico, que é alimentado por uma fonte de tensão com amplitude, frequência e forma de onda ajustáveis. A avaliação da potência de saída e influência dos diferentes tipos de carga acoplados a saída são analisados. As cargas utilizadas são: puramente resistiva, resistiva-capacitiva e não linear, por meio de um retificador de onda completa. Para avaliar experimentalmente os resultados analíticos foi utilizado um protótipo de uma viga em balanço construída com uma barra de alumínio exposta a uma excitação, induzida por um outro transdutor piezoelétrico ligado a uma placa dSpace controlada por um computador. Os parâmetros do sistema são identificados sendo possível determinar sua influência na saída e realizando assim uma análise pontual do micro gerador piezoelétrico quando submetido a uma carga qualquer. Os resultados da geração com os diferentes tipos de cargas são comparados, bem como a influência destas na dinâmica do sistema. As potências máximas são apresentadas em diferentes modos de vibração depois de otimizadas. Foram obtidos os seguintes resultados: 3;357mW com uma resistência de 200k no primeiro modo; 13;17mW com uma resistência de 50k no segundo modo; para o terceiro e quarto modos de vibração a máxima potência é obtida com a resistência de 10k, sendo 10;22mW e 15;63mW, respectivamente. A alteração da frequência de vibração é de aproximadamente 0;2% para os modos de vibração em função da resistência máxima e mínima. Para a carga resistiva-capacitiva, o comportamento da geração não é afetado significativamente para os valores de resistência de 1M e 100k. Com os valores de 10k e 1k a potência ativa se eleva em 30%, aproximadamente. O comportamento da carga não linear é aproximado por uma impedância com característica capacitiva. Sendo que, com a elevação da frequência, a impedância vista pelo gerador piezoelétrico é diminuída. A energia armazenada é de 0;8039mJ, 2;5245mJ e 1;3041mJ para o primeiro, segundo e terceiro modos de vibração, respectivamente.

This work presents a study of a energy harvesting system based on vibration from a cantilever beam utilizing a piezoelectric generator. The analysis considers the dimensions of the beam, type of piezoelectric generator and di erent types of loads coupled. A piezoelectric actuator is handles for the system excitement, powered by a voltage source with adjustable amplitude, frequency and shape. Are evaluate the output power and the in uence of di erent charge types coupled to the piezoelectric generator. The loads are purely resistive, resistive-capacitive and non-linear, by a full-wave bridge recti er. To check experimentally the analytical results, are used a prototype of a cantilever beam constructed with an aluminum bar exposed to an excitation induced by another piezoelectric transducer attached to a dSpace board controlled by a computer. The system parameters are individually identi ed to determine their in uence on output, allowing the punctual analysis of the piezoelectric harvesting when subjected to any load. The results of power generation are compare with di erent types of loads as well as its in uence on the dynamic of the system. After a optimization, the greatest power delivered to the load happen in di erent vibrational modes. We obtain the following results: 3:357mW with a 200k resistance in the rst mode; 13:17mW with a 50k resistance in the second mode, for the third and fourth vibration modes greatest power is obtained with the 10k resistance, being 10:22mW and 15:63mW, respectively. The modi cation of the vibration frequency are approximately 0:2% for all vibration modes depending on the largest and smallest resistance. For the resistive-capacitive load, the generation behavior are not a ect to the 1M and 100k resistance. With the 10k and 1k values, the active power increases by approximately 30%. The nonlinear load behavior are approach by an impedance with capacitive characteristics. With increasing of frequency, the impedance seen by the piezoelectric harvester is decreased. The energy stored is 0:8039mJ, 2:5245mJ and 1:3041mJ for the rst, second and third vibration modes, respectively.