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Título: Análise da colheita de energia de um gerador piezelétrico sujeito a excitações harmônica e aleatória
Outros títulos: Energy harvesting analysis in a piezoeletric generator subjected to harmonic and random excitations
Autor(es): Pereira, Tiago Leite
Orientador(es): Paula, Aline Souza de
Assunto: Energia mecânica
Energia elétrica - fontes alternativas
Gerador piezelétrico
Data de publicação: 30-Jan-2017
Data de defesa: 1-Out-2016
Referência: PEREIRA, Tiago Leite. Análise da colheita de energia de um gerador piezelétrico sujeito a excitações harmônica e aleatória. 2016. xvii, 69 f., il. Dissertação (Mestrado em Ciências Mecânicas)—Universidade de Brasília, Brasília, 2016.
Resumo: Diversas fontes de energias são foco de pesquisa nas últimas décadas, a colheita de energia do ambiente é uma dessas possibilidades e tem sido explorada recentemente através do uso de materiais piezelétricos. A colheita de energia, das vibrações mecânicas a partir da utilização materiais piezelétricos, é possível pelo efeito direto, onde o material é capaz de converter energia mecânica em energia elétrica. Essa energia obtida pode ser utilizada para alimentar dispositivos eletrônicos de baixa potência. Este trabalho apresenta um estudo de uma estrutura magnética que consiste em uma viga ferromagnética engastada em uma extremidade e livre na outra. A extremidade livre da viga possui um imã e a uma distância vertical d da extremidade existe outro imã que, devido a força repulsiva, cria um sistema não-linear biestável. Com o objetivo de usar essa estrutura como gerador piezelétrico, duas camadas de piezoceramica são fixadas na superfície da viga e um gerador bi laminar é obtido. A estrutura é submetida a três tipos de excitação: harmônica pura, aleatória pura e harmônica combinada com aleatória. No último caso, para identificar o forçamento define-se o parâmetro RRS que é a razão entre o forçamento aleatório pelo forçamento harmônico. O objetivo deste trabalho é avaliar e comparar o desempenho do gerador piezelétrico quando sujeito aos diferentes forçamentos. Neste contexto, propõe-se um método para avaliação do desempenho apropriada tanto para excitações harmônicas como para excitações aleatórias. Para isso, analisa-se os sinais de entrada, forçamento adimensional, e de saída, tensão elétrica adimensional, através da Densidade Espectral de Potência (PSD, do inglês Power Spectral Density) e estabelece-se um parâmetro 𝑟 que avalia a razão entre PSD de entrada e saída. Quando comparando os casos com forçamentos puros, o desempenho de excitação harmônica pura é superior ao forçamento aleatório puro. Para um forçamento combinado, os melhores resultados são obtidos para casos onde o forçamento harmônico é predominante e a resposta apresenta características de periodicidade.
Abstract: Many alternative energy sources have been investigated in the last decades, energy harvesting from the environment is of these possibilities and have been explored recently by using piezoelectric material. This vibration-based energy harvesting using piezoelectric elements is possible by exploring the direct effect, where the piezoelectric material is able convert mechanical in to electrical energy. This application can be very useful for applications in powering small electronic devices. The energy harvesting system presented in this work is a magnetoelastic structure that consists of a ferromagnetic cantilevered beam with two permanent magnets, one located in the free end of the beam and the other at a vertical distance d from the beam free end. In order to use this device as a piezelectric power generator, two piezoceramic layers are attached to the root of the cantilever and a bimorph generator is obtained. The piezomagnetoelastic structure is subjected to harmonic excitation, random excitation and harmonic combined with random excitation. The parameter 𝑅𝑅𝑆 is proposed in order to verify different combination between random excitation to the harmonic excitation. The goal of the proposed analysis in this work is to evaluate the energy harvested and the performance of the piezomagnetoelastic. The numerical analysis presents a comparison between the Power Spectral Density (PSD) of the input, dimensionless force, and output signal, dimensionless electrical voltage, setting a parameter 𝑟 that evaluates the ratio of PSD of the input and output signal. When comparing harmonic and random excitations separately, energy harvesting performance of harmonically excited system is better than randomly excited system. For combined forcing, the best results are presented for cases where the harmonic forcing is predominant and the answer has periodic characteristics.
Informações adicionais: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânicas, 2016.
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Coorientador(es): Fabro, Adriano Todorovic
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