Estudo do comportamento dinâmico de micro geradores de energia piezoelétricos: modelagem teórica e validação experimental

Resumo

A crescente demanda por novas tecnologias voltadas à utilização de fontes alternativas de energia tem motivado pesquisadores de diversas áreas do conhecimento a investir esforços no sentido de propor novas técnicas e procedimentos voltados principalmente à utilização de fontes renováveis de energia (eólica, hídrica, estrutural, etc). Neste sentido a utilização de materiais piezelétricos no processo de conversão de sinais de vibração estrutural em energia elétrica útil, denominado de Piezoelectric Energy Harvesting ou Scavenging, vem alcançando posição de destaque dentre os tópicos mais pesquisados atualmente. Embora a quantidade de energia elétrica gerada a partir do uso de dispositivos piezelétricos seja ainda reduzida, o que restringe o uso destes conversores a alimentação de eletrônica de pequeno porte, consideráveis avanços vêm sendo atingidos tanto no aumento da energia elétrica útil decorrente da conversão quanto em aspectos importantes relacionados ao desempenho de tais conversores. Uma característica importante dos conversores piezelétricos refere-se ao fato de que seu máximo desempenho é alcançado quando a freqüência do sinal de distúrbio se iguala à freqüência natural fundamental do dispositivo, ou seja, a máxima potência é geralmente alcançada quando o dispositivo opera em condição de ressonância estrutural. Esta característica dos conversores revela que pequenas alterações nas freqüências dos sinais de distúrbio podem causar perda de eficiência devido à perda de sintonia entre a freqüência natural do conversor e a correspondente freqüência do distúrbio externo. Desta forma, inúmeros esforços vêm sendo empreendidos no sentido de se aumentar a faixa útil de freqüências dos conversores piezelétricos de energia que operam no regime da ressonância estrutural. Outra característica importante refere-se à constante necessidade de miniaturização dos dispositivos geradores de energia afim de atender a exigências cada vez maiores no tocante a volume e quantidade de geradores empregados em uma determinada aplicação. Neste contexto, o projeto de micro conversores piezelétricos de energia vêm merecendo atenção destacada no âmbito das pesquisas na área. A utilização de vigas micro-cantilever (vigas em balanço) é comum no projeto de tais micro conversores. Em decorrência da utilização do modelo de viga cantilever a freqüência natural do modo de vibrar fundamental do sistema resulta geralmente muito alta (geralmente acima de 1 kHz), ou seja, bem acima da faixa útil de sinais decorrentes de vibrações ambientais (geralmente na faixa compreendida entre 0 e 100 Hz) ficando assim a eficiência do gerador comprometida. Uma provável solução para se obter freqüências naturais mais baixas é através do uso de configurações geométricas inovadoras para a micro viga cantilever, resultando assim em uma rigidez menor e conseqüentemente uma freqüência natural mais baixa. O presente projeto de pesquisa tem como objetivo principal realizar uma investigação analítico-experimental em micro conversores piezelétricos de energia do tipo viga em balanço tendo como foco principal oestudo de configurações geométricas inovadoras que possibilitem o ajuste da freqüência natural fundamental do gerador na faixa útil de sinais vibratórios provenientes do meio ambiente. Visando maximizar a quantidade de energia gerada por um determinado tipo de conversor. Para tanto serão formulados vários modelos eletromecânicos de conversores com configurações geométricas diferentes utilizando-se para tantas técnicas de modelagem via parâmetros distribuídos. Em seguida tais modelos serão usados em simulações numéricas em ambiente MATLAB com o objetivo de se ajustar parâmetros geométricos que possibilitem a obtenção de freqüências naturais fundamentais cujos valores se insiram na faixa de interesse. Protótipos físicos serão construídos para os conversores estudados com o objetivo de se realizar ensaios experimentais para a validação dos modelos estudados.(AU)