Uso de material piezelétrico simultaneamente para colheita de energia e controle

Abstract

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.