Utilização de materiais piezelétricos (PZTS) para coleta e armazenamento de energia

Abstract

As vibrações mecânicas tem se mostrado uma forma efetiva de geração de energia através da deformação de materiais piezelétricos ou movimentação de bobinas eletromagnética. As técnicas de energy harvesting estudam o processo de extração e armazenamento deste tipo de energia até um nível utilizável. Neste caso que a estrutura piezelétrica é deformada devido à condição de operação gerando uma tensão/corrente que pode ser usada como uma fonte natural de energia, principalmente, para operar dispositivos eletrônicos de baixa potência. Entretanto, a energia gerada através do efeito piezelétrico usualmente não é suficiente para operar diretamente a maioria dos circuitos eletrônicos. Assim, o desenvolvimento e implementação de métodos para acumular e armazenar a energia capturada nestes sistemas (materiais inteligentes) até um nível utilizável é a chave para o sucesso desta tecnologia. Este trabalho discute o estudo e avaliação da modelagem teórica-experimental de uma estrutura do tipo viga com PZTs submetida à deformação causada por vibrações mecânicas, buscando avaliar o comportamento do acoplamento eletromecânico do sistema bem como quantificar a eficiência, não só da quantidade de energia gerada pelo material, mas também o seu armazenamento em dispositivos do tipo capacitor. A modelagem da estrutura piezelétrica foi realizada por elementos finitos com o programa ANSYS e validada com testes experimentais. Em seguida foi feito um estudo paramétrico das variáveis do modelo através de um conjunto de simulações numéricas efetuadas para avaliar o potencial elétrico gerado. Para finalizar foram realizados testes experimentais de dois circuitos eletrônicos utilizados para extrair energia de um material piezelétrico

Mechanical vibrations have been shown an effective form of generating energy through deforming piezoelectric materials or moving electromagnetic coil. The energy harvesting techniques studies the processes of extracting and storing this kind of energy until an usable level. In the case that piezoelectric structure is deformed due operation condition it generates a voltage/current that can be used like a natural source of energy, mainly, for operating electronic devices of low power. However, the energy generated through piezoelectric effect usually is not enough to operate directly the most electronic circuits. Therefore, the development and implementation of methods to accumulate and store the energy captured in these systems (smart materials) until an usable level is the key for the success of this technology. This work discusses the study and evaluation of a theoretical-experimental modeling of a beam structure with bounded PZTs submitted to mechanical vibration, aiming at evaluating the behavior of the electro-mechanical coupling of the system, as well as, to quantify the amount of energy generated by the material and the storage of this energy in a capacitive type device. The modeling of piezostructure was performed by finites elements with the program ANSYS and validated with experimental tests. Then a parametric study of model variables was made through a set of numerical simulations carried out to evaluate the electrical potential generated. For finished were performed experimental tests of two electronic circuits used to extract energy from a piezoelectric material