Diseño, simulación y adaptación de captadores piezoeléctricos en vigas tipo voladizo para bajas frecuencias. Trabajo de grado

Abstract

RESUMEN : Debido a la necesidad actual de aprovechar y generar nuevas fuentes de energía para suplir los elevados consumos que requiere el mundo y su constante crecimiento, han surgido nuevas fuentes de recolección y almacenamiento como lo son los materiales o cristales piezoeléctricos. Para utilizar estos materiales como fuentes o recolectores de energía, ya que no la generan, sino que la transforman, aprovechando las vibraciones mecánicas del ambiente, es necesario evaluar la respuesta que tienen estos materiales a diferentes condiciones como sus geometrías, espesores y configuraciones, con el fin de obtener la mejor combinación que permita aumentar su eficiencia al aprovechar su frecuencia de resonancia, en este caso, de una viga en voladizo que es la geometría estudiada. Para incrementar el voltaje de salida al aplicar vibraciones de bajas frecuencias que generan presión y deformaciones mecánicas sobre la capa activa del material. Para esta investigación se utiliza un vibrómetro laser de efecto doppler, un acelerómetro, un amplificador de señal, una caja de resistencias y un shaker, además del software de simulación numérica COMSOL, proporcionando tanto de manera experimental como por medio de simulaciones, la mejor combinación de los factores anteriormente considerados para proporcionar una viga en voladizo de 45x18mm con 2 capas inactivas y una activa, una frecuencia de resonancia de 59Hz y un voltaje de salida de 8 Voltios.

ABSTRACT : Due to the current need to increase and generate new sources of renewable energy to supply the high consumption demands of the world and its constant growth, new methods of energy collection and storage have emerged, such as piezoelectric materials or crystals. In order to use these materials as sources or collectors of energy, since they do not generate it but transform it by harnessing mechanical vibrations from the environment, it is necessary to evaluate the response of these materials to different conditions such as their geometries, thicknesses, and configurations. The aim is to find the best combination that allows using the resonance frequency, in this case, of a cantilever beam, which is the geometry studied, to increase efficiency, or in this context, output voltage when low frequency vibrations are applied to generate pressure on the active layer of the material. For this research a Doppler Effect Laser Vibrometer, an accelerometer, a signal amplifier, a resistor box and a shaker are used, in addition to the numerical simulation software COMSOL, providing both experimentally and through simulations, the best combination of the factors previously considered to obtain a 45x18mm cantilever beam with two inactive layers and one active layer, a resonance frequency of 59 Hz and an output voltage of 8 Volts.