Gerador rotacional piezoelétrico baseado no conceito de colheita de energia (energy harvesting)

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Farias, Wendell Pereira de
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/27601
Resumo: This work presents a rotational generator with piezoelectric transducers of the ceramic type applied to energy harvesting, consisting of a moving part (similar to a rotor) in which magnets are arranged, and a circular structure (similar to a stator) with crimped blades equally spaced. in which piezoelectric transducers were glued close to the crimping region, and magnets at its free end. The physical structure developed, with plastic parts in ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), presents flexibility regarding the number of blades, piezoelectric elements and stacking of generator modules, and keeps the piezoelectric transducers without direct contact with the external environment, allowing the adaptation of the device for practical applications. An analytical model using an electromechanical solution for a system with a cantilever beam subjected to a harmonic force at the free end was analyzed using Matlab software. The developed prototype consists of two generator modules, totaling four beams with two PZT (C-64) type piezoelectric transducers in each, and it worked for approximately 670 hours, without signs of wear. An experimental bench was developed to analyze the behavior of the proposed generator, with the generator being driven by a motor coupled to its axis with a rotation speed of 1 Hz to 35 Hz. The signals generated by the blades were connected to variable resistors, obtaining different power values in each of the blades, justified by the manual manufacturing process, a circuit was developed for interconnection and rectification of the signals, obtaining voltage and power curves as a function of the frequency of rotation, with an average power of 20 to 60 µW for resistors from 250 kΩ to 900 kΩ, where the rotation speed was set at 30 Hz. A voltage regulator module (with the LTC3588- 1) was used for energy harvesting applications that maintains the voltage supplied by the generator at 1.8 V.
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The physical structure developed, with plastic parts in ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), presents flexibility regarding the number of blades, piezoelectric elements and stacking of generator modules, and keeps the piezoelectric transducers without direct contact with the external environment, allowing the adaptation of the device for practical applications. An analytical model using an electromechanical solution for a system with a cantilever beam subjected to a harmonic force at the free end was analyzed using Matlab software. The developed prototype consists of two generator modules, totaling four beams with two PZT (C-64) type piezoelectric transducers in each, and it worked for approximately 670 hours, without signs of wear. An experimental bench was developed to analyze the behavior of the proposed generator, with the generator being driven by a motor coupled to its axis with a rotation speed of 1 Hz to 35 Hz. The signals generated by the blades were connected to variable resistors, obtaining different power values in each of the blades, justified by the manual manufacturing process, a circuit was developed for interconnection and rectification of the signals, obtaining voltage and power curves as a function of the frequency of rotation, with an average power of 20 to 60 µW for resistors from 250 kΩ to 900 kΩ, where the rotation speed was set at 30 Hz. A voltage regulator module (with the LTC3588- 1) was used for energy harvesting applications that maintains the voltage supplied by the generator at 1.8 V.Pró-Reitoria de Pós-graduação da UFPB (PRPG/UFPB)Este trabalho apresenta um gerador rotacional com transdutores piezoelétricos do tipo cerâmico aplicado à colheita de energia, constituído por uma parte móvel (similar a um rotor) em que estão dispostos imãs, e uma estrutura circular (similar a um estator) com lâminas engastadas igualmente espaçadas nas quais foram colados transdutores piezoelétricos próximo à região de engaste, e imãs em sua extremidade livre. A estrutura física desenvolvida, com partes plásticas em ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), apresenta flexibilidade com relação à quantidade de lâminas, elementos piezoelétricos, empilhamento de módulos geradores, e mantém os transdutores piezoelétricos sem contato direto com o ambiente externo permitindo a adaptação do dispositivo para aplicações práticas. Um modelo analítico utilizando uma solução eletromecânica para um sistema com uma viga engastada submetida a uma força harmônica na extremidade livre foi analisado utilizando o software Matlab. O protótipo desenvolvido é composto por dois módulos geradores, totalizando quatro vigas com dois transdutores piezoelétricos do tipo PZT (C-64) em cada, e funcionou aproximadamente por 670 horas, sem sinais de desgastes. Uma bancada experimental foi desenvolvida para análise do comportamento do gerador proposto, com acionamento do gerador por meio de um motor acoplado ao seu eixo com velocidade de rotação de 1 Hz a 35 Hz. Os sinais gerados pelas lâminas foram conectados a resistências variáveis obtendo valores de potência distintos em cada uma das lâminas, justificado pelo processo de fabricação manual. Para interligação e retificação dos sinais gerados foram desenvolvidos circuitos de condicionamento, obtendo curvas de tensão e potência em função da frequência de rotação, com potência média de 20 a 60 µW pra resistências de 250 kΩ a 900 kΩ, com a velocidade de rotação em 30 Hz. O sinal gerado também foi utilizado para alimentar um módulo regulador de tensão (com o LTC3588- 1) para aplicações de colheita de energia que estabiliza a tensão fornecida pelo gerador em 1,8 V.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUFPBSouto, Cicero da Rochahttp://lattes.cnpq.br/4099240444291318Farias, Wendell Pereira de2023-08-07T14:09:53Z2022-12-022023-08-07T14:09:53Z2022-10-26info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/27601porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2023-08-08T06:03:35Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/27601Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2023-08-08T06:03:35Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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