Análise da colheita de energia de um gerador piezelétrico sujeito a excitações harmônica e aleatória

Abstract

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.