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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.18.2016.tde-08082016-154446
Documento
Autor
Nome completo
Tatiane Corrêa de Godoy
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2012
Orientador
Banca examinadora
Trindade, Marcelo Areias (Presidente)
Pavanello, Renato
Rade, Domingos Alves
Silva, Emilio Carlos Nelli
Varoto, Paulo Sergio
Título em português
Projeto, otimização e análise de incertezas de um dispositivo coletor de energia proveniente de vibrações mecânicas utilizando transdutores piezelétricos e circuito ressonante
Palavras-chave em português
Análise de incertezas
Circuito shunt ressonante
Dispositivo gerador de energia
Materiais piezelétricos
Otimização topológica
Power/energy harvesting
Vibrações mecânicas
Resumo em português
O uso de materiais piezelétricos no desenvolvimento de dispositivos para o aproveitamento de energia provinda de vibrações mecânicas, Energy Harvesting, tem sido largamente estudado na última década. Materiais piezelétricos podem ser encontrados na forma de finas camadas ou pastilhas, sendo facilmente integradas a estruturas sem aumento significativo de massa. A conversão de energia mecânica em energia elétrica se dá graças ao acoplamento eletromecânico dos materiais piezelétricos. A maioria das publicações encontradas na literatura exploram o uso de dispositivos eletromecânicos ressonantes, sintonizados na frequência de operação da estrutura, maximizando assim, a energia elétrica de saída dada uma certa condição de operação. O desempenho desses dispositivos ressonantes para coletar e armazenar energia é altamente dependente da adequada sintonização da sua frequência de ressonância com a frequência de operação do sistema/estrutura. Este trabalho apresenta o projeto, otimização e análise de incertezas de um dispositivo coletor/armazenador de energia que consiste em uma placa sob duas condições de contorno, engastada-livre (EL) e deslizante-livre (DL), com massa sísmica e materiais piezelétricos conectados a um circuito shunt. Um modelo em elementos finitos de placa laminada piezelétrica conectada a circuitos R e RL é utilizado combinando as teorias de camada equivalente e deformação de cisalhamento de primeira ordem. A disposição/quantidade de material piezelétrico bem como a massa sísmica acoplados à estrutura foram otimizadas utilizando-se um Algoritmo Genético, levando em conta análises mecânica (modelo mecânico, geometria, peso) e elétrica (modelo elétrico, circuito armazenador). Além disso, o efeito de incertezas dos parâmetros dielétrico e piezelétrico do transdutor, e da indutância elétrica ligada em série ao circuito coletor/armazenador de energia foi estudado. Os resultados indicam que a inclusão de uma indutância sintética ao circuito pode melhorar a coleta de energia em uma banda de frequência e, ainda, que a otimização geométrica pode reduzir a quantidade de material piezelétrico sem no entanto diminuir significativamente a energia gerada.
Título em inglês
Design, optimization and uncertainty analysis of a mechanical vibration energy harvesting device using piezoelectric transducers and resonant circuit
Palavras-chave em inglês
Mechanical vibrations
Piezoelectric materials
Power/energy harvesting devices
Resonant shunt circuit
Topology optimization
Uncertainty analysis
Resumo em inglês
The use of piezoelectric materials in the development of devices to harvest energy from mechanical vibrations (Energy Harvesting) has been widely studied in the last decade. Piezoelectric materials can be found in the form of thin layers or patches easily integrated into structures without significant mass increase. The conversion of mechanical energy into electric power is provided by the electromechanical coupling of piezoelectric materials. Most publications in the literature explore the use of resonant electromechanical devices, tuned to the operating frequency of the host structure, thus maximizing the power output given a certain operating condition. The performance of these resonant devices to harvest and store energy is highly dependent on the proper tuning of its resonance frequency with the operation frequency of the system/structure. This work presents a design, optimization and uncertainty analysis of energy harvester device consisting of a plate with tip mass and piezoelectric materials connected to shunt circuits. Two boundary conditions are used for the plate, cantilever (EL) and sliding-free (DL). A coupled finite element model with R and RL circuits, combining equivalent single layer and first order shear deformation theories, was used. The distribution and volume of piezoelectric material and the tip mass coupled to the structure were optimized using a Genetic Algorithm, accounting for both mechanical (mechanical model, geometry, weight) and electric (electric model, storer circuit) analyses. Furthermore, the effect of uncertainties of transducer dielectric and piezoelectric constants and electric inductance connected in series with harvesting circuit was studied. The results indicate that the inclusion of a synthetic inductance can improve energy harvesting performance over a frequency range and also that the geometric optimization may reduce the piezoelectric material volume without diminishing significantly the harvested energy.
 
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Este trabalho é somente para uso privado de atividades de pesquisa e ensino. Não é autorizada sua reprodução para quaisquer fins lucrativos. Esta reserva de direitos abrange a todos os dados do documento bem como seu conteúdo. Na utilização ou citação de partes do documento é obrigatório mencionar nome da pessoa autora do trabalho.
TatianeGodoy.pdf (6.75 Mbytes)
Data de Publicação
2016-08-12
 
AVISO: O material descrito abaixo refere-se a trabalhos decorrentes desta tese ou dissertação. O conteúdo desses trabalhos é de inteira responsabilidade do autor da tese ou dissertação.
  • GODOY, T.C., and TRINDADE, M.A. Effect of parametric uncertainties on the performance of a piezoelectric energy harvesting device. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering , 2012, vol. 34, p. 552-560.
  • GODOY, T.C., and TRINDADE, M.A. Analysis of the effect of uncertainties on the effectiveness of piezoelectric energy harvesting devices. In 1st International Symposium on Uncertainty Quantification and Stochastic Modeling, Maresias, 2012. Proceedings of the 1st International Symposium on Uncertainty Quantification and Stochastic Modeling., 2012.
  • GODOY, T.C., e TRINDADE, M.A. Análise do aproveitamento de energia por dispositivos piezelétricos usando modelo eletromecânico de placa e circuitos ressonantes. In X Conferência Brasileira de Dinâmica, Controle e Aplicações, Águas de Lindóia, 2011. Anais da X Conferência Brasileira de Dinâmica, Controle e Aplicações., 2011.
  • GODOY, T.C., e TRINDADE, M.A. Topological optimization of piezoelectric energy harvesting devices for improved electromechanical efficiency and frequency range. In 10th World Congress on Computational Mechanics (WCCM 2012), São Paulo, 2012. Proceedings of the 10th World Congress on Computational Mechanics (WCCM 2012)., 2012.
  • GODOY, T.C., TRINDADE, M.A., e DEÜ, J.-F. Simultaneous optimization of a resonant piezoelectric energy harvesting device. In 32nd Iberian Latin American Congress on Computational Methods in Engineering (CILAMCE), Ouro Preto, 2011. 32nd Iberian Latin American Congress on Computational Methods in Engineering (CILAMCE). : ABMEC, 2011.
  • TRINDADE, M.A., et al. Passive, active and active-passive vibration control of plate structures using distributed piezoelectric patches. In 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI), Barcelona, 2014. Proceedings of the 11th World Congress on Computational Mechanics., 2014. Available from: http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84923950879&partnerID=40&md5=b0f9b576bbc707e83641a456a8d6164c.
  • TRINDADE, M.A., SANTOS, H.F.L., and GODOY, T.C. Effect of bonding layer uncertainties on the performance of surface-mounted piezoelectric sensors and actuators. In XIV International Symposium on Dynamic Problems of Mechanics (DINAME), Buzios, 2013. Proceedings of the XIV International Symposium on Dynamic Problems of Mechanics (DINAME).Rio de Janeiro : ABCM, 2013.
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