Análise de uma piezoestrutura (PZT) multifrequência para geração, extração e armazenamento de energia

Abstract

A utilização de materiais piezelétricos para transformação de energia mecânica proveniente das vibrações em energia elétrica tem aumentado na última década para tentar suprir a necessidade por fontes alternativas de energia na alimentação de sistemas de monitoramento da condição estrutural (SHM) e dispositivos de aeronaves não tripuladas, tornando estes dispositivos autônomos. Como a energia produzida através da piezoestrutura não é suficiente para alimentar os dispositivos eletrônicos diretamente, técnicas de extração e armazenamento são utilizadas para que a energia produzida seja acumulada até um nível utilizável. Neste sentido, este trabalho apresenta um estudo sobre uma configuração de piezoestrutura capaz de produzir um alto nível de energia mesmo que a frequência de excitação apresente variações. A piezoestrutura proposta é do tipo multifrequência aumentando a largura de banda de operação e podendo produzir um alto nível de energia mesmo que a frequência de excitação apresente alterações. A piezoestrutura multifrequência foi modelada por elementos finitos através do programa ANSYS© e posteriormente comparada com resultados experimentais. Em seguida, a tensão produzida foi extraída através dos circuitos retificador de onda completa em ponte e do dobrador de tensão buscando avaliar o desempenho de ambos na extração da energia produzida para armazenamento em um supercapacitor. Finalmente, a energia armazenada no supercapacitor foi utilizada para alimentar um sistema de monitoramento da temperatura de um ambiente de modo que o sistema passe a operar como um sistema autônomo

The use of piezoelectric materials to transform mechanical energy from the vibrations into electrical energy has increased in the last decade trying to meet the need for alternative sources of energy to power up SHM systems and Unmanned Air Vehicle devices, making these standalone devices. This work presents a study on a configuration of a piezostructure being able to produce a higher energy even if the excitation frequency undergoes changes, and then evaluate two electronic circuit topology as simple interface for extracting the maximum energy produced and store it in a supercapacitor to power a sensor system that monitors the temperature in a room. Initially a brief review of the basics and fundamentals of energy harvesting was presented for better understanding of the development of this work. The proposal is a multifrequency piezostructure type that increases the bandwidth of operation and could produce a high energy value even if the excitation frequency undergoes alterations. The multifrequency piezostructure was modeled by finite element software ANSYS© and then compared with experimental results showing a good correlation between the numerical and experimental models. Then, a parametric study was conducted to determine which geometric parameter from the piezostruture should be varied so that the piezo-beams had their natural frequencies within the specified operating range. The voltage produced was extracted through two types of circuits (full wave rectifier and voltage doubler) trying to evaluate which one is able to extract the maximum possible energy produced for storage in a supercapacitor. Finally, the energy stored in the supercapacitor was used to power a system for monitoring the temperature of an environment so that the system operates as a standalone system