Modelación numérica de sistema viga-piezoeléctrico para generación de energía

Abstract

Los piezoeléctricos son materiales capaces de transformar su deformación mecánica en potencial eléctrico. Los mencionados materiales tienen una gran capacidad de generación de energía eléctrica por centímetro cuadrado, lo cual los hace ideales para transformar la energía del medio ambiente en electricidad. Por lo mencionado anteriormente se tiene en la actualidad un interés especial para su aplicación en dispositivos electrónicos portátiles, en donde se busca aumentar sus tiempos de autonomía eléctrica. La principal motivación del presente trabajo es impulsar en Chile las actividades de investigación relacionadas a la generación de energía por medio de elementos piezoeléctricos, específicamente, permitiendo el estudio de recolectores de geometrías complejas. Debido a lo anterior se implementa un modelo bidimensional para recolectores unimorph de geometría rectangular y triangular. Por consiguiente, el trabajo de memoria tiene como objetivo implementar un esquema basado en el método de elementos finitos para modelar recolectores de energía piezoeléctricos tipo unimorph (recolectores que poseen una sola placa de material piezoeléctrico). Los que son sometidos a una excitación vertical arbitraria. Se valida el modelo numérico de un recolector rectangular presentado en [7] frente a resultados analíticos, por otra parte, se valida el modelo bidimensional de un recolector unimorph rectangular frente a resultados experimentales y analíticos presentados en [9]. Adicionalmente se presenta un breve estudio sobre la influencia en la generación de potencia cuando se agrega masas excéntricas en un recolector rectangular. Se valida el recolector triangular frente a resultados experimentales y analíticos presentados en [9]. El voltaje predicho por el modelo se ajusta correctamente frente a la curva experimental, existiendo solo una diferencia considerable en la magnitud de voltaje generado y la frecuencia para el tercer modo de vibración. Lo anterior debido posiblemente a limitaciones de muestreo del sensor utilizado a altas frecuencias o la influencia de modos de vibración del respectivo montaje experimental utilizado por los autores. Finalmente se presentan nuevas posibles áreas de investigación que el presente trabajo de memoria permite desarrollar.