Modelo em elementos finitos para simulação de geradores piezelétricos de energia
Data
2017-11-15
Autores
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Editor
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos
Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos
Resumo
Descrição
A conversão de energia de vibração disponível no ambiente em energia elétrica tem sido investigada por diversos pesquisadores nos últimos anos. O objetivo é alimentar sistemas de baixo consumo convertendo energia mecânica disponível no ambiente em energia elétrica. A literatura recente mostra que a transdução piezelétrica tem recebido a maior atenção para a conversão de vibrações em eletricidade. Na prática, vigas e placas engastadas com camadas de piezocerâmicas são utilizadas como geradores piezelétricos de energia. Os geradores têm dimensões de placas em alguns casos e a previsão da potência elétrica devido à excitação de base requer uma formulação de placas. Neste trabalho, um modelo por elementos finitos (EF) eletromecanicamente acoplado é apresentado para a previsão da potência elétrica obtida a partir de geradores piezelétricos de energia. Para corpos eletroelásticos, o princípio generalizado de Hamilton é utilizado e o modelo EF é obtido a partir das hipóteses de placas de Kirchhoff, já que os geradores piezelétricos de energia são estruturas tipicamente finas. A presença de eletrodos contínuos é levada em conta no modelo EF. As previsões do modelo EF são verificadas a partir de uma solução analítica para um gerador unimorph e também a partir de resultados analíticos e experimentais para um gerador bimorph em série com uma massa concentrada encontrados na literatura. Nestes casos uma carga resistiva é utilizada no domínio elétrico. O comportamento piezo-elástico de um gerador bimorph em paralelo é investigado com um circuito resistivo no domínio elétrico.
Vibration-based energy harvesting has been investigated by several researchers over the last ten years. The goal is to power small electronic components by converting the waste mechanical energy available in their environment into electrical energy. Recent literature shows that piezoelectric transduction has received the most attention for vibration-to-electricity conversion. In practice, cantilevered beams and plates with piezoceramic layers are employed as piezoelectric energy harvesters. Aspect ratios of piezoelectric energy harvesters in several cases are plate-like and predicting the power output to base excitations requires a plate-type formulation. In this work, an electromechanically coupled finite element (FE) plate model is presented for predicting the electrical power output of piezoelectric energy harvesters. For electroelastic bodies the generalized Hamilton\'s principle is used and the FE model is based from the Kirchhoff plate assumptions as typical piezoelectric energy harvesters are thin structures. Presence of conductive electrodes is taken into account in the FE model. The predictions of the FE model are verified against the analytical solution for a unimorph cantilever and then against the experimental and analytical results of a bimorph in series cantilever with a tip mass reported in the literature. A load resistance is considered in the electrical domain. The piezoelastic behavior of a bimorph in parallel harvester is investigated for energy generation using a load resistance in the electrical domain.
Vibration-based energy harvesting has been investigated by several researchers over the last ten years. The goal is to power small electronic components by converting the waste mechanical energy available in their environment into electrical energy. Recent literature shows that piezoelectric transduction has received the most attention for vibration-to-electricity conversion. In practice, cantilevered beams and plates with piezoceramic layers are employed as piezoelectric energy harvesters. Aspect ratios of piezoelectric energy harvesters in several cases are plate-like and predicting the power output to base excitations requires a plate-type formulation. In this work, an electromechanically coupled finite element (FE) plate model is presented for predicting the electrical power output of piezoelectric energy harvesters. For electroelastic bodies the generalized Hamilton\'s principle is used and the FE model is based from the Kirchhoff plate assumptions as typical piezoelectric energy harvesters are thin structures. Presence of conductive electrodes is taken into account in the FE model. The predictions of the FE model are verified against the analytical solution for a unimorph cantilever and then against the experimental and analytical results of a bimorph in series cantilever with a tip mass reported in the literature. A load resistance is considered in the electrical domain. The piezoelastic behavior of a bimorph in parallel harvester is investigated for energy generation using a load resistance in the electrical domain.
Palavras-chave
Elementos finitos, Geração de energia, Piezeletricidade, Vibrações mecânicas, Energy harvesting, Finite element, Mechanical vibrations, Piezoelectricity