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Título: Uso de material piezelétrico simultaneamente para colheita de energia e controle
Outros títulos: Use of piezelectric material simultaneously for energy harvest and control
Autor(es): Barbosa, Wescley Oliveira Viana
Orientador(es): Paula, Aline Souza de
Assunto: Controle de vibração
Conversão
Energia
Material piezelétrico
Data de publicação: 22-Mar-2018
Data de defesa: 18-Ago-2017
Referência: BARBOSA, Wescley Oliveira Viana. Uso de material piezelétrico simultaneamente para colheita de energia e controle. 2017. xviii, 87 f., il. Tese (Doutorado em Ciências Mecânicas)—Universidade de Brasília, Brasília, 2017.
Resumo: Os materiais piezelétricos pertencem a uma classe de materiais inteligentes (“smart materials”) que exibem acoplamento eletromecânico, convertendo energia mecânica em energia elétrica ou vice-versa. Essa possibilidade, aliada à facilidade de integrar esses materiais em variados tipos de estruturas, torna a sua aplicabilidade bastante interessante nas engenharias. Ao serem usados na conversão da energia mecânica em elétrica, esses materiais, além de outras aplicações, podem operar como colheitadores da energia presente nas vibrações mecânicas, processo denominado na literatura como “Power Harvesting” ou “Energy Harvesting”, atuando como geradores elétricos. Ao se explorar a possibilidade de converter eletricidade em esforço mecânico, tais materiais podem atuar como controladores de vibrações. É importante ressaltar que o comportamento caótico que pode ocorrer nas vibrações mecânicas, embora seja indesejado em diversas situações, pode ser bastante útil para se conferir flexibilidade ao sistema. Isso ocorre porque o comportamento caótico apresenta uma riqueza intrínseca devido à existência de um número infinito de órbitas periódicas instáveis (OPIs). Nesse contexto, a combinação do processo de colheita de energia com o controle do caos pode estabelecer sistemas autônomos onde a energia colhida pode ser empregada nas atuações para o controle das vibrações. Este trabalho propõe alcançar dois objetivos combinando colheita de energia e controle simultaneamente: reduzir vibrações mecânicas e obter comportamentos mais adequados para a geração de energia elétrica. Além disso, explora-se a possibilidade de alternar esses processos conforme a necessidade. Tanto as atuações de controle quanto a colheita de energia são obtidos através da utilização de materiais piezelétricos. A estrutura estudada consiste em uma viga piezomagnetoelástica biestável submetida a excitações de base. O sistema é investigado numericamente a partir de um modelo simplificado regido por equações diferenciais ordinárias. Os resultados mostram situações onde é possível realizar o controle do caos usando energia colhida para alimentar parcial ou completamente o controlador.
Abstract: Piezoelectric materials belong to a class of "smart materials" that exhibit electromechanical coupling, converting mechanical energy into electrical energy or vice versa. This possibility, coupled with the ease of integrating these materials into various types of structures, makes their applicability quite interesting in engineering. When used in the conversion of mechanical energy to electrical energy, these materials, besides other applications, can operate as harvesters of the energy present in the mechanical vibrations, a process called in the literature as "Power Harvesting" or "Energy Harvesting", acting as electric generators. By exploring the possibility of converting electricity into mechanical effort, such materials can act as vibration controllers. It is important to emphasize that the chaotic behavior that can occur in mechanical vibrations, although it is unwanted in several situations, can be very useful to give flexibility to the system. This is possible because the chaotic behavior presents an intrinsic richness due to the existence of an infinite number of unstable periodic orbits (OPIs). In this context the combination of the energy harvesting process with the chaos control can establish autonomous systems where the energy harvested can be used in the actions to control the vibrations. This work aims to achieve two objectives combining energy harvest and control simultaneously: reduce mechanical vibrations and obtain behaviors more suitable for the generation of electric energy. In addition, it explores the possibility of alternating these processes as needed. Both control and energy harvesting performances are obtained through the use of piezoelectric materials. The structure studied consists of a bistable piezomagnetoelastic beam subjected to basic excitations. The system is investigated numerically from a simplified model governed by ordinary differential equations. The results show situations where it is possible to control chaos using harvested energy to partially or completely feed the controller.
Informações adicionais: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017.
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