Multi-degree-of-freedom piezoelectric energy harvesters: theory and experimentation

Motivado pela crescente demanda por fontes energéticas alternativas, este trabalho discute o uso do efeito piezelétrico para geração de energia a partir de vibrações estruturais, cujo caráter ubíquo as têm colocado em posição de destaque dentre outras fontes renováveis. O processo conhecido por piezoelectric energy harvesting ou scavenging é estudado utilizando-se de múltiplos graus de liberdade para maximização da energia gerada e aumento da faixa de frequência útil do gerador, permitindo melhores resultados em aplicações sujeitas a excitações aleatórias de larga banda de frequência. Diretamente relacionada ao custo do dispositivo, e por isso, à sua viabilidade comercial, a eficiência dos harvesters em função da quantidade de material piezelétrico utilizado também é amplamente discutida. Para o desenvolvimento do tema são realizadas simulações numéricas em MATLAB, primeiramente para modelos de parâmetros concentrados, com análises de sensibilidade da geração de energia em relação a características mecânicas, bem como disposição e propriedades dos elementos piezelétricos em soluções com dois e três graus de liberdade. Usando modelos de parâmetros distribuídos os estudos são replicados a uma solução construtiva do tipo viga \"L\", com validação do modelo matemático e das proposições levantadas através de ensaios em laboratório usando um protótipo do gerador. Ao final é feita uma análise crítica relativa ao piezoelectric energy harvesting através de geradores de múltiplos graus de liberdade, em que são confrontados e discutidos os resultados teóricos e experimentais obtidos.Motivated by the increasing demand on alternative energy resources, this study discusses the usage of the piezoelectric effect for energy generation from structural vibrations, which stands out among other renewable energy resources by its ubiquitous essence. The process known as piezoelectric energy harvesting or scavenging is evaluated using multiple degrees-of-freedom to maximize the energy generated and broaden the useful frequency bandwidth of the harvester, enabling better outcomes in applications subjected to random broadband excitations. Due to its direct relation to costs, and therefore to market feasibility, the harvester efficiency based on the piezoelectric material quantity is widely discussed. Numeric simulation using MATLAB are performed for the subject development, firstly using lumped parameter models to conduct generation sensitivity analysis on the mechanical characteristics, piezoelectric properties and allocation of two and three degrees-of-freedom solutions. Using distributed parameter models the study is replicated to an L-shaped configuration, with validation of the theoretical model and the brought forward proposals through laboratory experiments using an energy harvester prototype. At the end, a critical analysis on piezoelectric energy harvesting through multiple degrees-of-freedom is conducted, comparing and discussing the theoretical and experimental results