Estudo de um sistema de colheita de energia com transdutores piezoelétricos

Abstract

Este trabalho tem como objetivo o estudo matemático de um sistema de colheita de energia (do inglês Energy Harvesting) com transdutor piezoelétrico. O sistema analisado é composto por uma viga engastada de metal, estimulada por um impulso mecânico único. Um transdutor piezoelétrico acoplado a viga é conectado a uma carga não linear composta por um retificador de onda completa, um filtro capacitivo e uma resistência de carga, simplificados como uma resistência equivalente. Dois métodos de otimização de transferência de energia são analisados. Considerando as características capacitivas intrínsecas do material piezoelétrico, um circuito ativo é inserido ao sistema para emular uma impedância indutiva, de forma que a impedância vista pelo gerador piezoelétrico seja o complexo conjugado da impedância da fonte, garantindo o ponto de máxima transferência de potência. Outra forma de otimização é a introdução de um indutor chaveado (em inglês Synchronised Switch Harvesting on Inductor – SSHI) ao sistema, que inverte a tensão na carga nos pontos de deslocamento máximo e mínimo, aumentando virtualmente a tensão na carga. Os dois métodos são analisados matematicamente. É estimado o ganho de energia em função da força aplicada no sistema, sendo de 21% para a compensação indutiva e 5% para o indutor chaveado considerando uma força aplicada de 1N e uma carga resistiva pura de 100kΩ. Ainda, ilustra-se que o ganho de energia com os dois métodos está associado ao valor da carga resistiva.

The objective of this work is the mathematical study of an energy harvesting system with a piezoelectric transducer. The analysed system is composed of a metal cantilever beam clamped at one end, stimulated by a single mechanical impulse. A piezoelectric transducer attached to the beam is connected to a nonlinear load composed of a full-wave rectifier, a capacitive filter, and a load resistance, simplified as an equivalent resistance. Two energy transfer optimization methods are analysed. Considering the intrinsic capacitive characteristics of the piezoelectric material, an active circuit is inserted to the system to emulate an inductive impedance, so that the impedance seen by the piezoelectric generator is the complex conjugate of the source impedance, guaranteeing the point of maximum power transfer. Another form of optimization is the introduction of a switched inductor (Synchronised Switch Harvesting on Inductor – SSHI) to the system, which inverts the load voltage at the maximum and minimum displacement points, virtually increasing the load voltage. Both methods are analysed mathematically. The energy gain is estimated as a function of the force applied to the system, being 21% for the inductive compensation and 5% for the switched inductor considering an applied force of 1N and a pure resistive load of 100kΩ. Furthermore, it is shown that the energy gain with both methods is associated with the resistive load.