Fenômenos não-lineares, incluindo-se os não-ideias, em captura de energia utilizando-se dispositivos piezoelétricos

Abstract

Nos últimos anos, a pesquisa sobre captura de energia, tem aumentado substancialmente. Muitos pesquisadores têm concentrado seus esforços em encontrar a melor configuração para estes sistemas e para otimizar sua potência de saída. No processo de captura de energia, a energia elétrica é obtida através da conversão de energia mecânica, criado por uma fonte de vibração do ambiente através de um transdutor, por exemplo, um fino filme piezocerâmico. Diferentes mecanismos de acoplamento eletromecânico têm sido desenvolvidos para dispositivos de captura, e um interesse particular tem sido dado ao uso de modelos que transformam a vibração mecânica em corrente elétrica utilizando um elemento piezoelétrico. Neste trabalho, foi proposto um modelo de captura de energia de vibrações, incluindo não-linearidades no acoplamento piezoelétrico e uma excitação não-ideal. Demonstrou-se que a potência capturada foi influenciada pelo efeito das não-linearidades do acoplamento piezoelétrico, alterando o comportamento dinâmico do sistema. Com o acoplamento fraco, um comportamento caótico foi encontrado causando instabilidade. Com o aumento do acoplamento ocorreu um aumento da energia capturada até um certo limite onde o aumento da não-linearidade teve um efeito amortecimento sobre as vibrações não-lineares da estrutura causando a perda de energia. Realizando simulações numéricas o comportamento do modelo foi analisado através dos expoentes de Lyapunov, retratos de fase, históricos de deslocamentos no tempo onde um comportamento caótico também foi observado, causando a perda de energia ao longo do tempo de simulação. Usando uma técnica de perturbação, foi encontrada uma solução analítica aproximada para o sistema não-ideal. Então, aplicou-se três técnicas de...

In recent years, research on energy harvesting, has increased substantially. Many researchers have concentrated their efforts on finding the best configuration for these systems and to optimize its power output. In the process of energy harvesting, electric power is obtained by converting mechanical energy created by a vibration source from the environment through a transducer, for example, a thin film piezoceramic. Different mechanisms of electromechanical coupling devices have been developd to harvesting, and a particular interest has been given to the use of models that tranform the mechanical vibration into electrical current using a piezoelectric element. In this paper we propose a model to energy harvesting from vibrations, including non-linearities in the piezoelectric doupling and a non-ideal excitation. It was demonstrated that the power captured was influenced by the effect of the nonlinearities of the piezoelectric coupling, modifying the dynamic behavior of the system. With a weak coupling, a chaotic behavior was found causing instability. With the increase of the coupling has ocurred an increase in the energy captured until a limit, where the increase of non-linearity has a damping effect on vibrations of the non-linear structure causing the loss of energy. Performing numerical simulations the behavior of the model was analyzed using the Lyapunov exponents, phase portraits, historical displacements in time where a a chaotic behavior was also observed, causing the loss os energy throughout the simulation time. Using a perturbation technique, found an approximate analytical solution for the non-ideal system. Then, we applied three control techniques to maintain the proposed system in a stable condition. Both the method of equations of state-dependent Riccati (SDRE), the method (LQR) and the feedback... (Complete abstract click electronic access below)