Formulación de Elementos Finitos para Modelar Dispositivos Recolectores de Energía Rotantes

Abstract

Los dispositivos recolectores de energía piezoeléctricos convierten la energía mecánica en energía eléctrica debido a las deformaciones mecánicas de las estructuras. Los prototipos de recolección de energía se utilizan para alimentar dispositivos y sensores electrónicos de baja potencia. En este trabajo, se desarrolla un elemento finito unidimensional para el modelado de recolectores de energía tridimensionales rotantes. La viga piezoeléctrica rotante se formula mediante un elemento finito geométricamente no lineal con seis grados de libertad mecánicos y un grado de libertad eléctrico por nodo. Utilizando la teoría de viga de Timoshenko para el dominio mecánico y una teoría de primer orden para el campo eléctrico, las ecuaciones de equilibrio electromecánico se derivan usando el principio D'Alembert. Con el fin de validar la formulación de elementos finitos, se construyen y ensayan dos dispositivos de recolección de energía, obteniéndose información sobre la generación de energía eléctrica, las frecuencias naturales y las respuestas temporales de las variables dinámicas. Una placa Arduino se implementa como sistema de adquisición de datos que transfiere la señal de voltaje a través de Bluetooth. Finalmente, los resultados de nuestra formulación se comparan con los obtenidos utilizando un software comercial (Abaqus) y los resultados experimentales. Se obtiene una buena correlación entre los tres métodos, proporcionando evidencia de que la formulación propuesta predice con precisión el comportamiento de los recolectores de energía rotantes.