Modelización y Análisis de Vigas Piezoeléctricas para la Captación de Energía

Abstract

Los recolectores piezoeléctricos constituyen una alternativa de gran utilidad para la conversión de energía mecánica a energía eléctrica. Estos dispositivos se emplean en ámbitos tan diversos como la medicina, la industria o la ingeniería civil. Para cada una de sus aplicaciones, el recolector piezoeléctrico se puede presentar con una morfología y en una situación de carga distinta, de modo que las variables de diseño variarán en cada caso. Este trabajo pretende modelizar un recolector piezoeléctrico en forma de viga en voladizo e identificar la susceptibilidad de su rendimiento a la variación de sus parámetros característicos y al régimen de funcionamiento (i.e., pequeños desplazamientos -1er orden- o grandes desplazamientos -2º orden-), con el fin de analizar su comportamiento y poder sugerir directrices de diseño que optimicen su operatividad. Para ello, se modelizará la viga piezoeléctrica según el método de elementos finitos y se someterá a estos modelos a cambios en sus parámetros, observando la evolución del voltaje producido. En el proceso se comprobará la influencia de los efectos de segundo orden en los resultados encontrados, evaluando la importancia de considerarlos en la caracterización del comportamiento del recolector. Estos resultados permitirán alcanzar conclusiones de utilidad para el proceso de diseño.

Piezoelectric harvesters are a useful way to convert mechanical energy to electrical energy. These devices are used in different fields of application, such as medicine, industry or civil engineering. For each of these applications, the harvester may present a different shape and a different load action, so the design variables may differ for each case. This project attempts to model a piezoelectric harvester in the shape of a cantilever beam and identify if its performance is influenced by changes in its characteristic parameters or the operating regime (i.e., small displacements -1st order effects- or large displacements -2nd order effects-), in order to study its behavior and find design guidelines that could affect its performance. To do so, the beam will be modelled with the finite element method and it will be subjected to variations in its parameters. This will allow to monitor the evolution of the generated electric potential in each case. During the process, the influence of second order deformations will be measured, to discover the relevance of taking these into consideration when describing the response of the beam. These results will allow us to reach relevant conclusions for the design process.