Desenvolvimento teórico e experimental de um gerador de energia elétrica utilizando a energia vibratória de sistemas mecânicos com base nos materiais piezoelétricos
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2019 |
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/123456789/19375 |
Resumo: | Energy harvesting from environmental sources is a promising technique with great potential that can contribute to the generation of clean electric energy from renewable sources, suitable for the operation of self-powered, low-power electronic devices. In this sense, this work aims to develop and evaluate the performance of a device that transforms mechanical vibrations present in the environment into electric energy using Lead Zirconium Titanate (PZT) piezoelectric ceramics. The generator was constructed as a mechanical structure capable of providing cyclic deformations to eight piezoelectric cells, through tensile/compressive loads. Prior to the construction of the device, its geometric dimensions were established through a finite element analysis. For the acquisition of the experimental results a duly instrumented measurement system was used, where it was possible to obtain data regarding the acceleration, voltage and electric power generated by the device. The results from numerical and experimental analyses - related to the dynamics of the device and the generated electric voltage, are presented and compared. The generator was evaluated for different vibration amplitudes and generated a maximum power of 9.6 mW when operating at its first natural frequency (60 Hz), considering a resistive load of 15 kΩ. Finally, the performance of the generator was evaluated under two different ambient excitation conditions, when coupled to an air condition condenser and when coupled to a three phase induction motor. |
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Desenvolvimento teórico e experimental de um gerador de energia elétrica utilizando a energia vibratória de sistemas mecânicos com base nos materiais piezoelétricosVibração mecânicaEnergia alternativaMateriais piezoelétricosGerador de energia elétricaMechanical vibrationAlternative energyPiezoelectric materialsElectric power generatorCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAEnergy harvesting from environmental sources is a promising technique with great potential that can contribute to the generation of clean electric energy from renewable sources, suitable for the operation of self-powered, low-power electronic devices. In this sense, this work aims to develop and evaluate the performance of a device that transforms mechanical vibrations present in the environment into electric energy using Lead Zirconium Titanate (PZT) piezoelectric ceramics. The generator was constructed as a mechanical structure capable of providing cyclic deformations to eight piezoelectric cells, through tensile/compressive loads. Prior to the construction of the device, its geometric dimensions were established through a finite element analysis. For the acquisition of the experimental results a duly instrumented measurement system was used, where it was possible to obtain data regarding the acceleration, voltage and electric power generated by the device. The results from numerical and experimental analyses - related to the dynamics of the device and the generated electric voltage, are presented and compared. The generator was evaluated for different vibration amplitudes and generated a maximum power of 9.6 mW when operating at its first natural frequency (60 Hz), considering a resistive load of 15 kΩ. Finally, the performance of the generator was evaluated under two different ambient excitation conditions, when coupled to an air condition condenser and when coupled to a three phase induction motor.Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqA colheita de energia presente no ambiente é uma técnica promissora e de grande potencial que pode contribuir com a geração de energia elétrica, de forma limpa, a partir de fontes renováveis, viabilizando o funcionamento de dispositivos eletrônicos de baixa potência autoalimentados. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento e a avalição do desempenho de um dispositivo que transforma as vibrações mecânicas presentes no ambiente em energia elétrica, utilizando cerâmicas piezoelétricas a base de Titanato Zirconato de Chumbo (PZT). O gerador foi construído como uma estrutura mecânica capaz de fornecer deformações cíclicas a oito células piezelétricas, através de cargas de tração/compressão. Antes da construção do dispositivo, suas dimensões geométricas foram estabelecidas por meio de uma análise utilizando elementos finitos. Para aquisição dos resultados experimentais foi utilizado um sistema de medição devidamente instrumentado, onde foi possível obter os dados referentes a aceleração, a tensão e a potência elétrica geradas pelo dispositivo. Os resultados obtidos através das análises numéricas e experimentais - relativos à dinâmica do dispositivo e à tensão elétrica gerada, são apresentados e comparados. O gerador foi avaliado para diferentes valores de amplitude de vibração e gerou uma potência máxima de 9,6 mW quando operando em sua primeira frequência natural (60 Hz), considerando uma carga resistiva de 15 kΩ. Por fim, o desempenho do gerador foi avaliado sob duas condições diferentes de excitação ambiente, quando acoplado a um condensador de ar condicionado e quando acoplado a um motor de indução trifásico.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUFPBSouto, Cícero da Rochahttp://lattes.cnpq.br/4099240444291318Rangel, Renato Franklin2021-02-15T14:21:54Z2019-06-282021-02-15T14:21:54Z2019-05-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/19375porAttribution-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:UFPB2021-08-13T20:08:27Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/19375Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2021-08-13T20:08:27Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false |
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