Investigação experimental da geração de energia elétrica em uma viga piezelétrica excitada mecanicamente

Abstract

A busca por fontes alternativas de energia cresce cada vez mais no cenário mundial. O conceito de converter energia mecânica em energia elétrica a partir do uso de materiais piezelétricos tem sido estudado por diversos pesquisadores. Estes materiais, quando submetidos a carregamentos mecânicos externos, produzem uma distribuição de cargas elétricas em suas superfícies (efeito piezelétrico direto). Por outro lado, quando são sujeitos a campos elétricos externos, exibem variações em sua forma e dimensões (efeito piezelétrico inverso). Para geração de energia elétrica, basicamente, o material piezelétrico é acoplado à estrutura vibrante e, enquanto a estrutura vibra, o material é deformado, gerando energia elétrica. Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma investigação experimental da capacidade de coleta de energia de uma viga piezelétrica de MFC excitada mecanicamente. Esse dispositivo é conceituado como “Power harversting”. O objetivo desta dissertação é investigar o sistema quando submetido a oscilações harmônicas de base em uma faixa de frequência que engloba a primeira frequência de ressonância. Diferentes situações são consideradas com a variação da amplitude e da frequência de excitação da base e das cargas resistivas e reativas que compõem o circuito elétrico que está acoplado à viga. Para cada caso analisado, a tensão elétrica e a potência elétrica geradas, a potência mecânica fornecida e eficiência do dispositivo são avaliadas. Os resultados são discutidos com o propósito de definir o circuito mais apropriado. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The search for alternative energy sources grows increasingly on the world stage. The concept of converting mechanical energy into electrical energy through the use of piezoelectric materials has been studied by several researchers. These materials, when subjected to external mechanical loads produce a distribution of electrical charges on their surfaces (direct piezoelectric effect). Moreover, when subjected to external electric fields, exhibit variation in its shape and dimensions (inverse piezoelectric effect). For electricity generation, basically the piezoelectric material is attached to the vibrating structure, and while the structure vibrates, the material is deformed, generating electricity. This dissertation presents an experimental investigation of the energy harvesting capacity of a MFC piezoelectric beam mechanically excited. This device is known as a "Power harversting". The aim is to investigate the system when subjected to harmonic base oscillations in a frequency that includes first resonance frequency occurs. Different situations are considered, by varying the base amplitude and resistive and reactive loads that compose an electrical circuit that is coupled to the beam. For each analyzed case, the generated voltage and electrical power, the supplied mechanical power and efficiency of the device are evaluated. The results are discussed in order to further define the circuit more suitable.