Estudios Analíticos y Experimentales de Recolectores de Energía Piezoeléctricos de Geometría Circular: Análisis de la Influencia de Grandes Aceleraciones para Diferentes Frecuencias
DOI:
https://doi.org/10.70567/mc.v41i14.75Palabras clave:
Recolección de energía, piezoelectricidad, vibracionesResumen
Los recolectores de energía piezoeléctricos de geometría circular, conocidos como buzzer, son estudiados cada vez con mayor interés, dada su versatilidad mecánica y bajo costo en comparación a recolectores con otras geometrías. En el presente artículo se presenta un modelo analítico unidimensional mejorado para simular la generación de voltaje obtenida a partir de un recolector de energía que utiliza un material piezoeléctrico tipo “buzzer”. El objetivo principal del artículo es presentar una nueva formulación no lineal que permita analizar la influencia de grandes aceleraciones sobre el comportamiento del recolector de energía. Los resultados obtenidos con el modelo matemático, lineal y no lineal son comparados con ensayos experimentales en laboratorio. La frecuencia de resonancia para máxima generación es cercana a los 140 Hz, donde la sintonización se logra mediante el diseño de una masa central que permite flexibilizar el dispositivo recolector.
Citas
Abdelkefi A, Nayfeh A, and Hajj M. "Effects of nonlinear piezoelectric coupling on energy harvesters under direct excitation," Nonlinear Dynamics",vol. 67, pp. 1221-1232, 2012. https://doi.org/10.1007/s11071-011-0064-9
Amabili, M. Nonlinear Vibrations and Stability of Shells and Plates. Cambridge University Press. United Kingdom, 2008. https://doi.org/10.1017/CBO9780511619694
Chen X R, Yang T Q, Wang W and Yao X. Vibration energy harvesting with a clamped piezoelectric circular diaphragm. Ceram. Int. 38 S271-4, 2012. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.04.099
Erturk A. and Imnan D. J. An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations. Smart Materials and Structures, 18(2), 2009. https://doi.org/10.1088/0964-1726/18/2/025009
Erturk A. and Inman D. J. Piezoelectric Energy Harvesting. Wiley, Chichester, United Kingdom, 2011. https://doi.org/10.1002/9781119991151
Febbo M, Machado SP. Recolector piezoeléctrico para unidad de sensado autónomo de fuego, MECOM 2022, págs. 871-880, Bahía Blanca, Argentina, 2022.
Gatti C. D, Ramirez J. M, Machado S. P y Febbo M. Influencia de relaciones constitutivas no lineales en la recolección piezoeléctrica de energía. MECOM 2016, págs. 3047 - 3063, Córdoba, Argentina, 2016.
Haterbouch M., Benamar R. The effects of large vibration amplitudes on the axisymmetric mode shapes and natural frequencies of clamped thin isotropic circular plates. Part I: iterative and explicit analytical solution for non-linear transverse vibration. Journal of Sound and Vibration. 265 - (123 - 154). 2003 https://doi.org/10.1016/S0022-460X(02)01443-8
Joshi S. J. Non-linear constitutive relations for piezoceramic materials. Smart Materials and Structures. Vol. 1, p. 80, 1992. https://doi.org/10.1088/0964-1726/1/1/012
Kim H. S., Kim J. K. A review of piezoelectric energy harvesting based on vibration. Int. J. Prec. Eng. Manuf. 12 - 1129 - 1141. 2011. https://doi.org/10.1007/s12541-011-0151-3
Leadenham S. and Erturk, A. Unified nonlinear electroelastic dynamics of a bimorph piezoelectric cantilever for energy harvesting, sensing, and actuation. Nonlinear Dynamics. Vol. 79, pp. 1727-1743, 2015. https://doi.org/10.1007/s11071-014-1770-x
Li H D, Tian C and Deng Z D. Energy harverting from low frequency applicattions using piezoelectric materials. App. Phys. Rev.1 20. 2014. https://doi.org/10.1063/1.4900845
Machado, S.P, Gatti, C.D., Ramirez, and Febbo, M., Influence of nonlinear constitutive relations in unimorphs piezoelectric harvesters. Journal of Physics: Conference Series, 773.012093, 2016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/773/1/012093
Mak K. H.Popov A. A, and McWilliam S. "Experimental model validation for a nonlinear energy harvester incorporating a bump stop," Journal of Sound and Vibration, vol. 331, pp. 2602-2623, 2012. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2012.01.023
Reddy J. N. Theory and Analysis of Elastic Plates and Shells. (Boca Raton, FL: CRC Press), 2006. https://doi.org/10.1201/9780849384165
Sathyamoorthy M. Nonlinear Vibration Analysis of Plates: Review and survey of current developments. Applied Mechanics Reviews, 40 (11), 1553 - 1561, 1987. https://doi.org/10.1115/1.3149544
Sodano H. A,. Inman D. J. and Park G. A review of power Harvesting from vibration using piezoelectric materials. Shock Vib. Dig. 36. 197-206, 2004. https://doi.org/10.1177/0583102404043275
Stanton S. C, Erturk A, Mann B. P, and Inman D. J. "Nonlinear piezoelectricity in electroelastic energy harvesters: Modeling and experimental identification," Journal of Applied Physics, vol. 108, p. 074903, 2010. https://doi.org/10.1063/1.3486519
Vera C, Febbo M, Machado S. Estudios paramétricos de un recolector de energía que utiliza piezoeléctricos de geometría circular. MECOM 2022, págs. 921-930 Bahía Blanca, Argentina, 2022.
Vera C, Febbo M, Machado S. Un modelo analítico para el estudio de recolectores de energía piezoeléctricos de geometría circular con condiciones de vinculación particulares. MECOM 2023, pags. 731 - 740 Concordia, Argentina, 2023
Yang Y., Li Y., Guo Y., Xu B. -X and Yang T. Improved vibration-based energy harvesting by annular mass configuration of piezoelectric circular diaphragms. Smart Materials Structure. 27, 2018, 035004 (9pp), 2018. https://doi.org/10.1088/1361-665X/aaa586
Yuanlin Hu, Xin Liang and Wen Wang. A theorical solution of resonant circular diaphragmtype piezoactuators with added mass loads. Sensors an Actuators A: Physical. A 258 74-87. 2017 https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.02.029
Zhou J L, Deng L C and Wen Z Y. A vibration-based MEMS piezoelectric energy harvester and power conditioning circuit. Sensors. 14 3323-41.2014 https://doi.org/10.3390/s140203323
Descargas
Publicado
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2024 Asociación Argentina de Mecánica Computacional
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.
Esta publicación es de acceso abierto diamante, sin ningún tipo de costo para los autores ni los lectores.
Solo se publicarán aquellos trabajos que han sido aceptados para su publicación y han sido presentados en el congreso de AMCA.
