Development of a piezoelectric energy harvesting system by mechanical vibrations aiming to apply in agricultural systems - Santos, Luciano Mendes dos (2022)
O avanço da tecnologia em qualquer área é decorrente da necessidade e do tempo, assim sempre existirá a convivência com esse paradigma de evolução da tecnologia, um conceito relacionado à geração de energia encontra-se associado a vibrações mecânicas, conhecido como Energy Harvesting ou “colheita de energia”, utilizando dispositivos piezoelétricos (PZT). Esses dispositivos instalados em equipamentos, que eventualmente trabalham em regime de vibração, como máquinas e veículos, podem gerar pequenas quantidades de energia a partir da piezoeletricidade, a qual refere-se a propriedade que alguns materiais possuem de gerar corrente elétrica quando submetidos a deformações mecânicas. O objetivo deste trabalho foi avaliar e caracterizar o uso de materiais piezoelétricos na colheita de energia através de vibrações mecânicas a partir de sistemas massa-mola associados a pastilhas de PZTs. Inicialmente realizou-se a caracterização de um sistema de colheita de energia composto por apenas uma pastilha de PZT associada a um sistema massa-mola. Para tal foram avaliados dois modos de tratamento do sinal gerado no sistema: um retificador de onda completa com capacitor e um módulo gerenciador de carga de uso comercial (LTC3588). O sistema massa-mola foi condicionado a operar em ressonância, cuja frequência natural foi de 16,2 Hz, sendo consideradas 5 repetições. Determinou-se a tensão, corrente e potência elétrica geradas pelo sistema, considerando-se os diferentes modos de retificação propostos. Neste contexto, observou-se uma potência média de 2,53mW para a ponte de diodo e 1,50mW para o modulo LTC3588. O sistema de retificação influencia o processo de geração de energia, sendo de fundamental importância o seu projeto e adequação ao sistema. O sistema de retificação de onda por onda completa mostrou-se mais eficiente no processo de geração de energia quando comparado ao módulo LTC3588, independentemente da variável resposta avaliada. Posteriormente, foi desenvolvido um sistema de colheita de energia composto pela associação de 25 PZTs em paralelo, série e mista (5S5P - 5 conjuntos de PZTs em série e estes conjuntos ligados em paralelo entre si e 5P5S - 5 conjuntos de PZTs em paralelo e estes conjuntos ligados em série entre si). A frequência ressonante do sistema foi de 16,2Hz, sendo avaliadas faixas de frequência superior e inferiores a frequência natural do sistema, considerando-se 5 repetições em cada cenário. Verificou-se que a associação 5P5S foi a que demonstrou melhor resultado em relação a potência gerada na frequência natural do sistema, com pico de potência média de 700mW. A frequência de excitação do sistema influenciou significativamente o processo de geração de energia, no qual as melhores frequências de excitação foram obtidas para um sistema operando em condições de ressonância. A configuração composta pela retificação de sinal por ponte de diodos em conjunto com a associação mista de pastilhas de PZT (com 5 conjuntos de 5 PZTs em paralelo e estes conjuntos ligados em série entre si), mostrou-se promissora para o desenvolvimento de sistemas de colheita de energia por vibrações mecânicas as serem empregadas em máquinas e equipamentos agrícolas.