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Geradores piezelétricos de energia com múltiplos graus de liberdade: modelagem e experimentação

Processo: 15/13321-5
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
Vigência (Início): 01 de setembro de 2015
Vigência (Término): 31 de agosto de 2016
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia Mecânica - Mecânica dos Sólidos
Pesquisador responsável:Paulo Sergio Varoto
Beneficiário:Fernando Capucini Rodrigues
Instituição-sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
Assunto(s):Materiais inteligentes   Vibrações mecânicas   Dinâmica das estruturas   Análise modal experimental   Experimentação   Atuadores piezelétricos   MATLAB   Estudos experimentais

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 geradores a alimentação de eletrônica de pequeno porte, consideráveis avanços vem sendo atingidos tanto no aumento da energia elétrica útil decorrente da conversão quanto em aspectos importantes relacionados ao desempenho de tais geradores. A maioria das pesquisas desenvolvidas até o presente apresentam modelos dinâmicos de geradores piezelétricos contendo um único grau de liberdade, e portanto possuindo uma única frequência natural. A ideia central do processo de geração e aproveitamento da energia prevê que o dispositivo opere numa frequência muito próxima de sua frequência de ressonância, maximizando assim o processo de geração de energia elétrica a partir de sinais de vibração estrutural. Tais modelos são geralmente limitados pois restringem a faixa ótima de frequências de funcionamento dos diversos tipos de geradores propostos a uma faixa muito estreita na vizinhança da frequência natural do gerador piezelétrico. Várias alternativas para se aumentar a faixa útil de tais dispositivos vem sendo estudadas recentemente, dentre elas a inclusão de efeitos restauradores lineares e formas geométricas variadas para os dispositivos. Uma possível estratégia para a melhoria do desempenho de geradores piezelétricos de energia ainda pouco explorada prevê a inclusão de mais de um modo de vibração no modelo do gerador em estudo. Embora ainda pouco explorada esta proposta pode resultar numa melhoria significativa do processo eletromecânico de conversão de energia devido principalmente a existência de mais de uma frequência natural na faixa útil de operação do dispositivo em questão. Esta alternativa pode, em princípio se apresentar como muito atrativa em ambientes para os quais os sinais de vibração estrutural apresentem um conteúdo em frequência cobrindo várias frequências de operação, como é o caso típico de veículos terrestres. Nesse sentido, o presente projeto de pesquisa tem como objetivo principal realizar um estudo analítico e experimental de geradores piezelétricos de energia possuindo múltiplos graus de liberdade bem como avaliar sua utilização no aproveitamento de sinais de vibração estrutural provenientes do funcionamento de veículos terrestres. Para tanto, serão estudados vários modelos dinâmicos de geradores piezelétricos multi-modos em várias configurações através de simulações numéricas em ambiente MATLAB com objetivo de se avaliar o desempenho de tais modelos quanto aos principais aspectos de seu funcionamento: faixa útil de frequências e potência elétrica gerada. Será também realizado um estudo experimental em um protótipo com o objetivo de se validar os modelos previamente estudados nas simulações numéricas bem como avaliar sua implementação em um cenário mais realístico de operação em estruturas veiculares. Espera-se assim obter-se uma ampla compreensão dos processos físicos decorrentes da conversão eletromecânica de energia em geradores com múltiplos graus de liberdade bem como propor soluções conceituais aplicáveis à veículos terrestres.

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