Estudio de Vigas Laminadas Piezoeléctricas para Aplicaciones en Recolección de Energía

Abstract

Los generadores de energía piezoeléctrica presentan un gran interés tecnológico ya que surgen como alternativa a las baterías convencionales. La estructura de dispositivo más utilizada para los generadores de energía piezoeléctrica, es la de una viga en voladizo con una o dos capas de material piezoeléctrico. En este trabajo, se analiza una viga en voladizo unimorfa sometida a una excitación externa. El principal objetivo de este estudio, es conocer bajo qué parámetros se puede recolectar la máxima energía posible. Para ello se desarrollan una serie de expresiones analíticas que relacionan el desplazamiento del extremo libre del voladizo, el voltaje y la carga generada con la excitación mecánica aplicada. Estas ecuaciones se derivan a partir de las ecuaciones constitutivas de un material piezoeléctrico. A su vez, se realiza un modelo de elementos finitos en el programa comercial ANSYS. Los resultados obtenidos con los modelos teóricos se comparan con los resultados obtenidos con el modelo de elementos finitos. Esto permite verificar que los resultados que se obtienen, fruto de los análisis de influencia paramétrica, son fiables.

Piezoelectric power generators are of great technological interest as they are emerging as an alternative to conventional batteries. The most commonly used device structure for piezoelectric power generators, is a cantilever beam with one or two layers of piezoelectric material. In this project, a unimorph cantilever beam subjected to external excitation is analyzed. The main objective of this study is to know under which parameters the maximum possible energy can be collected. For this purpose, a series of analytical expressions are developed that relate the displacement of the free end of the cantilever, the voltage and the load generated with the applied mechanical excitation. These equations are derived from the constitutive equations of a piezoelectric material. At the same time, a finite element model is performed in the commercial program ANSYS. The results obtained with the theoretical models are compared with the results obtained with the finite element model. This allows verifying that the results obtained from the parametric influence analysis are reliable.