Motivado pela crescente demanda por fontes energéticas alternativas, este trabalho discute o uso do efeito piezelétrico para geração de energia a partir de vibrações estruturais, cujo caráter ubíquo as têm colocado em posição de destaque dentre outras fontes renováveis. O processo conhecido por piezoelectric energy harvesting ou scavenging é estudado utilizando-se de múltiplos graus de liberdade para maximização da energia gerada e aumento da faixa de frequência útil do gerador, permitindo melhores resultados em aplicações sujeitas a excitações aleatórias de larga banda de frequência. Diretamente relacionada ao custo do dispositivo, e por isso, à sua viabilidade comercial, a eficiência dos harvesters em função da quantidade de material piezelétrico utilizado também é amplamente discutida. Para o desenvolvimento do tema são realizadas simulações numéricas em MATLAB, primeiramente para modelos de parâmetros concentrados, com análises de sensibilidade da geração de energia em relação a características mecânicas, bem como disposição e propriedades dos elementos piezelétricos em soluções com dois e três graus de liberdade. Usando modelos de parâmetros distribuídos os estudos são replicados a uma solução construtiva do tipo viga \"L\", com validação do modelo matemático e das proposições levantadas através de ensaios em laboratório usando um protótipo do gerador. Ao final é feita uma análise crítica relativa ao piezoelectric energy harvesting através de geradores de múltiplos graus de liberdade, em que são confrontados e discutidos os resultados teóricos e experimentais obtidos. / Motivated by the increasing demand on alternative energy resources, this study discusses the usage of the piezoelectric effect for energy generation from structural vibrations, which stands out among other renewable energy resources by its ubiquitous essence. The process known as piezoelectric energy harvesting or scavenging is evaluated using multiple degrees-of-freedom to maximize the energy generated and broaden the useful frequency bandwidth of the harvester, enabling better outcomes in applications subjected to random broadband excitations. Due to its direct relation to costs, and therefore to market feasibility, the harvester efficiency based on the piezoelectric material quantity is widely discussed. Numeric simulation using MATLAB are performed for the subject development, firstly using lumped parameter models to conduct generation sensitivity analysis on the mechanical characteristics, piezoelectric properties and allocation of two and three degrees-of-freedom solutions. Using distributed parameter models the study is replicated to an L-shaped configuration, with validation of the theoretical model and the brought forward proposals through laboratory experiments using an energy harvester prototype. At the end, a critical analysis on piezoelectric energy harvesting through multiple degrees-of-freedom is conducted, comparing and discussing the theoretical and experimental results.

O estudo das vibrações é importante para prevenir danos em equipamentos ou mesmo evitar catástrofes de grande natureza. Nesse sentido, aproveitar a energia que seria dissipada na vibração e contribuir no controle do sistema representa um grande avanço tecnológico. O termo Energy Harvesting (Colheita de Energia) está relacionado ao contexto do aproveitamento energético, utilizando sistema de conversão para transformação da energia em eletricidade. Através de um dispositivo com viga engastada e massa inercial na extremidade, é possível realizar o estudo de vibração e coleta de energia, ao se considerar uma estrutura piezelétrica acoplada na viga e conectada a um circuito elétrico com resistor. Estruturas inteligentes que atuam na conversão de energia mecânica em elétrica, ou vice-versa, são fundamentais para esse estudo, o que motiva a inclusão dos sensores piezelétricos no projeto de dispositivos estudados e sujeitos a vibrações. Por outro lado, otimizar parâmetros de projeto é fundamental para aumentar a amplitude de vibração e tornar o processo com maior desempenho, tendo em vista maior captação de energia. Ainda, parâmetros otimizados podem estar sujeitos a incertezas do projeto e variações, devido a flutuações ambientais, como temperatura, pressão, propriedades dos materiais, geometria, etc. Por isso, técnicas robustas que tornem os projetos menos sensíveis a variações são interessantes para serem abordadas. Embora métodos de projetos robustos sejam eficientes, poucas pesquisas têm sido feitas na área da dinâmica de vibrações e alguns processos podem demandar tempo computacional dependendo do estudo ou projeto. Este trabalho tem como propósito abordar um método específico de projeto robusto focado em uma metodologia com matrizes chamadas ortogonais. Além disso, o método determinístico via algoritmo de Programação Sequencial Quadrático (SQP) é utilizado. O trabalho consiste numa abordagem para coleta de energia em um modelo de viga engastada, otimizando parâmetros e inserindo incertezas no sistema para análise de robustez e verificação de comprimentos adequados de vigas para os dispositivos. Os resultados mostram um aumento da energia coletada, analisando funções de resposta em frequências para saída de potência, diante de uma entrada de deslocamento no engaste do dispositivo, projetado via otimização determinística, além de aumento de robustez de acordo com certos critérios considerando circuito elétrico com resistência corretamente selecionada. / The study of vibrations is important to prevent damage to equipment or even prevent major catastrophes. In this sense harvesting the energy that would otherwise be dissipated in vibration and contributing to the control of the system represents a great technological advance. The term Energy Harvesting is related to the context of energy use, using a conversion system to transform energy into electricity. Through a device with clamped beam and inertial mass at the end, it is possible to study the vibration and energy harvesting, considering a piezoelectric structure coupled to the beam and connected to a resistance electric circuit. Smart structures that act in the conversion of mechanical energy to electrical energy, or vice versa, are fundamental for this study, which motivates the inclusion of piezoelectric sensors in the design of studied devices and subject to vibrations. On the other hand, optimizing design parameters is fundamental to increase the amplitude of vibration and increase process performance, in view of greater power uptake. Furthermore, optimized parameters may be subject to design uncertainties and variations due to environmental fluctuations such as temperature, pressure, material properties, geometry, etc. Therefore, robust techniques that make designs less sensitive to variations are interesting to be addressed. Although robust design methods are efficient, few researches have been done in the area of vibration dynamics and some processes may require computational time depending on the study or project. This work aims to address a specific method of robust design focused on a methodology with matrices called orthogonal. In addition, the deterministic method using Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm is used. The work consists of an approach to harvest energy in a clamped beam model, optimizing parameters and inserting uncertainties in the system for robustness analysis and verification of adequate beam lengths for the devices. The results show an increase in the harvested energy, analyzing frequency response functions for power output, in the face of a displacement input in the device clamp, designed through deterministic optimization,besides increasing robustness according to certain criteria considering electric circuit with correctly selected resistance.

Os materiais inteligentes têm sido utilizados em problemas de controle de vibrações e conversão de energia mecânica em energia elétrica. Apesar das diferentes opções existentes, os piezelétricos têm recebido grande atenção devido a facilidade de instalação, além de possibilidade de uso como sensores ou atuadores. Em termos de sistemas de controle utilizando materiais piezelétricos, dois grandes grupos podem ser encontrados: os controladores passivos e os ativos. Os controladores ativos utilizam o efeito piezelétrico inverso e apresentam bom desempenho na redução de vibrações. Entretanto, apresentam desvantagens relacionadas à complexidades de uma lei de controle, necessidade de equipamentos externos e, potencialmente, exigem elevada potência de atuação. Por outro lado, os controladores passivos utilizam circuitos elétricos simples, compostos somente por elementos elétricos passivos. Apesar de serem de fácil implementação prática, apresentam bom desempenho em faixas restritas de frequências. Os controladores semi-passivos, surgiram como uma alternativa aos pontos negativos dos controladores passivos e ativos. Nestes novos sistemas, o material piezelétrico instalado na estrutura a ser controlada é conectado e desconectado a um circuito shunt de forma sincronizada com as vibrações mecânicas. Em geral, a conversão eletromecânica de energia é amplificada, assim como o efeito shunt damping. Dessa forma, os circuitos chaveados têm sido utilizados tanto como controladores semi-passivos quanto em problemas de coleta piezelétrica de energia. Neste trabalho, o controle piezelétrico semi-passivo de oscilações aeroelásticas lineares e não lineares, assim como a coleta piezelétrica de energia a partir das mesmas condições, são investigados experimentalmente. Uma seção típica com dois graus de liberdade e acoplamento eletromecânico é utilizada nos experimentos. Dois tratamentos não lineares do sinal elétrico proveniente dos piezelétricos são utilizados. Primeiro, o chaveamento a partir da condição de circuito aberto para uma resistência muito baixa, próxima ao curto circuito, e posteriormente, o chaveamento da condição de circuito aberto para um indutor. Um circuito chaveador autônomo (que não depende de fontes externas de energia) é apresentado. O desempenho dos dois sistemas no controle de flutter, e também de oscilações em ciclo limite, são discutidos. Os resultados mostraram um aumento na velocidade de flutter de até 8,8% e 11,5%, com chaveamento em uma resistência e em um indutor, respectivamente. No caso de coleta de energia a partir de oscilações aeroelásticas lineares e não lineares, o desempenho dos circuitos chaveados são comparados entre si, e com o caso em que uma resistência é considerada no domínio elétrico, resultando em um aumento da potência elétrica de até 101%, para chaveamentos em resistência, e 227%, para chaveamentos em um indutor. / Smart materials have been used in vibration control and also in energy harvesting problems. Although different materials are available, piezoelectric one has received most attention due to ease of installation and possibility of use as sensors or actuators. In general, there are two large categories of vibration control techniques using piezoelectric materials: passive and active control. In active control the reverse piezoelectric effect is used. In general, they present good performance in vibration reduction over a range of frequencies. However, active control has the disadvantages of additional complexities of a control law, additional hardware and the potentially large amount of power required. On the other hand, piezoelectric passive controllers use simple electric circuits composed by passive electrical elements. Although they are simple to implement, the performance of the controlled system is sensitive to the exciting frequency. The semi-passive controllers are a recent alternative to the drawbacks of passive and active controllers. In semi-passive systems, the piezoelectric element is switched in and out of a shunt impedance, in a synchronous way with mechanical vibrations. In general, the electromechanical energy conversion is enhanced as well as the shunt effect damping. Therefore, the switching techniques have been used both in semi-passive control problems and in piezoelectric energy harvesting problems. In this work, semi-passive techniques are experimentally investigated in aeroelastic control and piezoaeroelastic energy harvesting cases. An electromechanically coupled aeroelastic typical section is used in the experiments. Two techniques are investigated, the synchronized switching damping on short and the synchronized switching damping on inductor. An autonomous switching circuit (that does not requires external source of energy) is presented resulting in a self-powered flutter controller. The performance of the two semi-passive techniques is discussed for the linear case, flutter control, as well as limit cycle oscillations control. The linear flutter speed is increased by 8.8% and 11.5% when the SSDS and SSDI techniques are used, respectively. In the case of energy harvesting from linear and nonlinear aeroelastic oscillations, the performance of switching techniques is investigated and compared to the case of simple load resistance in the electrical domain. The power output is increased by 101% for the SSDS case and 227% for SSDI case.

Submitted by HASSAN COSTA ARBEX null (h.arbex@terra.com.br) on 2016-12-28T21:32:59Z No. of bitstreams: 1 TESE_DOC_HASSAN.pdf: 5609342 bytes, checksum: e8da1e714391dbfdfaec2c7f7b47e705 (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-01-03T16:12:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 arbex_hc_dr_bauru.pdf: 5609342 bytes, checksum: e8da1e714391dbfdfaec2c7f7b47e705 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-03T16:12:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arbex_hc_dr_bauru.pdf: 5609342 bytes, checksum: e8da1e714391dbfdfaec2c7f7b47e705 (MD5) Previous issue date: 2016-12-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Recentemente, o interesse e a pesquisa de coleta de energia têm aumentado substancialmente no meio técnico-científico. Com a grande demanda mundial por energia elétrica, muitos pesquisadores, no Brasil e no Mundo, têm concentrado seus esforços na busca de novas fontes de energia. No processo de coleta de energia, a energia elétrica é obtida através da conversão de energia mecânica criada por uma fonte de vibração do meio ambiente através de um transdutor. Fontes de vibração do meio ambiente podem ser causadas em estruturas através do movimento de veículos, ondas do mar e até o deslocamento de pessoas. Com isso, este trabalho tem como objetivo estudar a coleta de energia utilizando um dispositivo MagLev não-linear excitado externamente em sua base por uma fonte não ideal. A metodologia empregada para a realização das análises deste trabalho foram: utilizar o método de múltiplas escalas para buscar as melhores configurações dos parâmetros e realização de simulações numéricas utilizando o método de Runge-Kutta de quarta e quinta ordem com passo variável buscando otimizar a coleta de energia através da variação de parâmetros, diagramas de bifurcação, expoente de lyapunov, históricos no tempo entre outros. Em geral serão feitas duas comparações entre o resultado numérico e o resultado obtido analiticamente pelo método das múltiplas escalas, bem como a melhor configuração de parâmetros para uma melhor coleta de energia. / Recently, interest and energy harvesting research have increased substantially in the technical-scientific community. With the high global demand for electricity, many researchers in Brazil and the world, have concentrated their efforts in the search for new energy sources. Energy collection process, electrical energy is obtained by converting mechanical energy created by a vibration source of the environment through a transducer. environmental sources of vibration may be caused in structures by the movement of cars, train, sea waves, and even the movement of people. Thus, this work aims to study the collection of energy using an excited nonlinear MagLev device externally at its base by a non ideal source. The employed methodology for the carrying out the analyzes of this study were to use the method of multiple scales to find the best parameter settings and performing numerical simulations using the Runge-Kutta method of fourth and fifth order with variable step in order to optimize the collection energy by variation of parameters, bifurcation diagrams, exponent lyapunov, historical time among others. In general two comparisons are made between the numerical result and the analytical result obtained by the method of multiple scales, and the best parameter setting for improved energy harvesting.

Motivado pela crescente demanda por fontes energéticas alternativas, este trabalho discute o uso do efeito piezelétrico para geração de energia a partir de vibrações estruturais, cujo caráter ubíquo as têm colocado em posição de destaque dentre outras fontes renováveis. O processo conhecido por piezoelectric energy harvesting ou scavenging é estudado utilizando-se de múltiplos graus de liberdade para maximização da energia gerada e aumento da faixa de frequência útil do gerador, permitindo melhores resultados em aplicações sujeitas a excitações aleatórias de larga banda de frequência. Diretamente relacionada ao custo do dispositivo, e por isso, à sua viabilidade comercial, a eficiência dos harvesters em função da quantidade de material piezelétrico utilizado também é amplamente discutida. Para o desenvolvimento do tema são realizadas simulações numéricas em MATLAB, primeiramente para modelos de parâmetros concentrados, com análises de sensibilidade da geração de energia em relação a características mecânicas, bem como disposição e propriedades dos elementos piezelétricos em soluções com dois e três graus de liberdade. Usando modelos de parâmetros distribuídos os estudos são replicados a uma solução construtiva do tipo viga \"L\", com validação do modelo matemático e das proposições levantadas através de ensaios em laboratório usando um protótipo do gerador. Ao final é feita uma análise crítica relativa ao piezoelectric energy harvesting através de geradores de múltiplos graus de liberdade, em que são confrontados e discutidos os resultados teóricos e experimentais obtidos. / Motivated by the increasing demand on alternative energy resources, this study discusses the usage of the piezoelectric effect for energy generation from structural vibrations, which stands out among other renewable energy resources by its ubiquitous essence. The process known as piezoelectric energy harvesting or scavenging is evaluated using multiple degrees-of-freedom to maximize the energy generated and broaden the useful frequency bandwidth of the harvester, enabling better outcomes in applications subjected to random broadband excitations. Due to its direct relation to costs, and therefore to market feasibility, the harvester efficiency based on the piezoelectric material quantity is widely discussed. Numeric simulation using MATLAB are performed for the subject development, firstly using lumped parameter models to conduct generation sensitivity analysis on the mechanical characteristics, piezoelectric properties and allocation of two and three degrees-of-freedom solutions. Using distributed parameter models the study is replicated to an L-shaped configuration, with validation of the theoretical model and the brought forward proposals through laboratory experiments using an energy harvester prototype. At the end, a critical analysis on piezoelectric energy harvesting through multiple degrees-of-freedom is conducted, comparing and discussing the theoretical and experimental results.

Os materiais inteligentes têm sido utilizados em problemas de controle de vibrações e conversão de energia mecânica em energia elétrica. Apesar das diferentes opções existentes, os piezelétricos têm recebido grande atenção devido a facilidade de instalação, além de possibilidade de uso como sensores ou atuadores. Em termos de sistemas de controle utilizando materiais piezelétricos, dois grandes grupos podem ser encontrados: os controladores passivos e os ativos. Os controladores ativos utilizam o efeito piezelétrico inverso e apresentam bom desempenho na redução de vibrações. Entretanto, apresentam desvantagens relacionadas à complexidades de uma lei de controle, necessidade de equipamentos externos e, potencialmente, exigem elevada potência de atuação. Por outro lado, os controladores passivos utilizam circuitos elétricos simples, compostos somente por elementos elétricos passivos. Apesar de serem de fácil implementação prática, apresentam bom desempenho em faixas restritas de frequências. Os controladores semi-passivos, surgiram como uma alternativa aos pontos negativos dos controladores passivos e ativos. Nestes novos sistemas, o material piezelétrico instalado na estrutura a ser controlada é conectado e desconectado a um circuito shunt de forma sincronizada com as vibrações mecânicas. Em geral, a conversão eletromecânica de energia é amplificada, assim como o efeito shunt damping. Dessa forma, os circuitos chaveados têm sido utilizados tanto como controladores semi-passivos quanto em problemas de coleta piezelétrica de energia. Neste trabalho, o controle piezelétrico semi-passivo de oscilações aeroelásticas lineares e não lineares, assim como a coleta piezelétrica de energia a partir das mesmas condições, são investigados experimentalmente. Uma seção típica com dois graus de liberdade e acoplamento eletromecânico é utilizada nos experimentos. Dois tratamentos não lineares do sinal elétrico proveniente dos piezelétricos são utilizados. Primeiro, o chaveamento a partir da condição de circuito aberto para uma resistência muito baixa, próxima ao curto circuito, e posteriormente, o chaveamento da condição de circuito aberto para um indutor. Um circuito chaveador autônomo (que não depende de fontes externas de energia) é apresentado. O desempenho dos dois sistemas no controle de flutter, e também de oscilações em ciclo limite, são discutidos. Os resultados mostraram um aumento na velocidade de flutter de até 8,8% e 11,5%, com chaveamento em uma resistência e em um indutor, respectivamente. No caso de coleta de energia a partir de oscilações aeroelásticas lineares e não lineares, o desempenho dos circuitos chaveados são comparados entre si, e com o caso em que uma resistência é considerada no domínio elétrico, resultando em um aumento da potência elétrica de até 101%, para chaveamentos em resistência, e 227%, para chaveamentos em um indutor. / Smart materials have been used in vibration control and also in energy harvesting problems. Although different materials are available, piezoelectric one has received most attention due to ease of installation and possibility of use as sensors or actuators. In general, there are two large categories of vibration control techniques using piezoelectric materials: passive and active control. In active control the reverse piezoelectric effect is used. In general, they present good performance in vibration reduction over a range of frequencies. However, active control has the disadvantages of additional complexities of a control law, additional hardware and the potentially large amount of power required. On the other hand, piezoelectric passive controllers use simple electric circuits composed by passive electrical elements. Although they are simple to implement, the performance of the controlled system is sensitive to the exciting frequency. The semi-passive controllers are a recent alternative to the drawbacks of passive and active controllers. In semi-passive systems, the piezoelectric element is switched in and out of a shunt impedance, in a synchronous way with mechanical vibrations. In general, the electromechanical energy conversion is enhanced as well as the shunt effect damping. Therefore, the switching techniques have been used both in semi-passive control problems and in piezoelectric energy harvesting problems. In this work, semi-passive techniques are experimentally investigated in aeroelastic control and piezoaeroelastic energy harvesting cases. An electromechanically coupled aeroelastic typical section is used in the experiments. Two techniques are investigated, the synchronized switching damping on short and the synchronized switching damping on inductor. An autonomous switching circuit (that does not requires external source of energy) is presented resulting in a self-powered flutter controller. The performance of the two semi-passive techniques is discussed for the linear case, flutter control, as well as limit cycle oscillations control. The linear flutter speed is increased by 8.8% and 11.5% when the SSDS and SSDI techniques are used, respectively. In the case of energy harvesting from linear and nonlinear aeroelastic oscillations, the performance of switching techniques is investigated and compared to the case of simple load resistance in the electrical domain. The power output is increased by 101% for the SSDS case and 227% for SSDI case.

O estudo das vibrações é importante para prevenir danos em equipamentos ou mesmo evitar catástrofes de grande natureza. Nesse sentido, aproveitar a energia que seria dissipada na vibração e contribuir no controle do sistema representa um grande avanço tecnológico. O termo Energy Harvesting (Colheita de Energia) está relacionado ao contexto do aproveitamento energético, utilizando sistema de conversão para transformação da energia em eletricidade. Através de um dispositivo com viga engastada e massa inercial na extremidade, é possível realizar o estudo de vibração e coleta de energia, ao se considerar uma estrutura piezelétrica acoplada na viga e conectada a um circuito elétrico com resistor. Estruturas inteligentes que atuam na conversão de energia mecânica em elétrica, ou vice-versa, são fundamentais para esse estudo, o que motiva a inclusão dos sensores piezelétricos no projeto de dispositivos estudados e sujeitos a vibrações. Por outro lado, otimizar parâmetros de projeto é fundamental para aumentar a amplitude de vibração e tornar o processo com maior desempenho, tendo em vista maior captação de energia. Ainda, parâmetros otimizados podem estar sujeitos a incertezas do projeto e variações, devido a flutuações ambientais, como temperatura, pressão, propriedades dos materiais, geometria, etc. Por isso, técnicas robustas que tornem os projetos menos sensíveis a variações são interessantes para serem abordadas. Embora métodos de projetos robustos sejam eficientes, poucas pesquisas têm sido feitas na área da dinâmica de vibrações e alguns processos podem demandar tempo computacional dependendo do estudo ou projeto. Este trabalho tem como propósito abordar um método específico de projeto robusto focado em uma metodologia com matrizes chamadas ortogonais. Além disso, o método determinístico via algoritmo de Programação Sequencial Quadrático (SQP) é utilizado. O trabalho consiste numa abordagem para coleta de energia em um modelo de viga engastada, otimizando parâmetros e inserindo incertezas no sistema para análise de robustez e verificação de comprimentos adequados de vigas para os dispositivos. Os resultados mostram um aumento da energia coletada, analisando funções de resposta em frequências para saída de potência, diante de uma entrada de deslocamento no engaste do dispositivo, projetado via otimização determinística, além de aumento de robustez de acordo com certos critérios considerando circuito elétrico com resistência corretamente selecionada. / The study of vibrations is important to prevent damage to equipment or even prevent major catastrophes. In this sense harvesting the energy that would otherwise be dissipated in vibration and contributing to the control of the system represents a great technological advance. The term Energy Harvesting is related to the context of energy use, using a conversion system to transform energy into electricity. Through a device with clamped beam and inertial mass at the end, it is possible to study the vibration and energy harvesting, considering a piezoelectric structure coupled to the beam and connected to a resistance electric circuit. Smart structures that act in the conversion of mechanical energy to electrical energy, or vice versa, are fundamental for this study, which motivates the inclusion of piezoelectric sensors in the design of studied devices and subject to vibrations. On the other hand, optimizing design parameters is fundamental to increase the amplitude of vibration and increase process performance, in view of greater power uptake. Furthermore, optimized parameters may be subject to design uncertainties and variations due to environmental fluctuations such as temperature, pressure, material properties, geometry, etc. Therefore, robust techniques that make designs less sensitive to variations are interesting to be addressed. Although robust design methods are efficient, few researches have been done in the area of vibration dynamics and some processes may require computational time depending on the study or project. This work aims to address a specific method of robust design focused on a methodology with matrices called orthogonal. In addition, the deterministic method using Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm is used. The work consists of an approach to harvest energy in a clamped beam model, optimizing parameters and inserting uncertainties in the system for robustness analysis and verification of adequate beam lengths for the devices. The results show an increase in the harvested energy, analyzing frequency response functions for power output, in the face of a displacement input in the device clamp, designed through deterministic optimization,besides increasing robustness according to certain criteria considering electric circuit with correctly selected resistance.

A conversão de vibração em energia elétrica tem sido investigada por diversos grupos de pesquisa na última década. A principal motivação é a prospecção de fontes alternativas de energia elétrica para sistemas eletroeletrônicos remotamente operados e com fontes limitadas de energia. Diferentes mecanismos de transdução são investigados na literatura para a coleta de energia, entretanto, o piezelétrico tem se destacado devido à densidade de energia que proporciona e também facilidade de uso. Uma alternativa promissora que começa a ser estudada por alguns grupos de pesquisas é a conversão de energia de oscilações aeroelásticas em energia elétrica. Apesar da natureza destrutiva da maioria dos fenômenos aeroelásticos, eles apresentam um grande potencial para o estudo de novos mecanismos e sistemas para coleta de energia. A conversão piezelétrica de energia a partir de oscilações aeroelásticas lineares tem sido investigada. Entretanto, a geração piezoaeroelástica de energia pode se tornar mais atrativa e prática se realizada a partir sistemas aeroelásticos não lineares. A conversão se daria a partir de oscilações persistentes e com amplitude limitada (oscilações em ciclo limite – LCO) ocorrendo em um amplo intervalo de velocidades de escoamento. Define-se o objetivo deste projeto como a investigação numérica da conversão piezelétrica de energia a partir de oscilações aeroelásticas não lineares. Um modelo por elementos finitos para placa plana com piezocerâmicas é desenvolvido, respeitando-se as hipóteses de uma placa de von Kàrmàn. O carregamento aerodinâmico não estacionário é determinado a partir do método de malha de dipolos e uma aproximação do domínio do tempo obtida a partir da formulação apresentada por Roger. Os resultados eletroaeroelásticos são apresentados para asas com diferentes razões de aspecto investigadas em uma ampla faixa de velocidades e considerando-se diversos valores de resistores no domínio elétrico. / The converting of vibration into usable electrical energy has been investigated by several researches groups in the last decade. The main motivation is the possibility of obtaining alternatives electrical energy sources to power electronic system remotely operated and with limited energy sources. Different transduction mechanism has been presented in the energy harvesting literature. However the piezoelectric has been gained more attention because not only of its power density but also its ease of use. A promissory alternative that is becoming studied is the converting of aeroelastic oscillation into electrical energy. Despite of the destructive nature of unstable aeroelastic phenomena (such as, flutter), they present a great potential to the study of innovative mechanism to harvest energy. Although the piezoelectric energy conversion using linear aeroelastic has been investigated in the literature, the use of non linear aeroelastic system can be more practical and attractive. The non linear aeorelastic harvesting occurs by persistent oscillation and with limited amplitudes (Limited Cycle Oscillation – LCO) and can be performed by considerable velocity interval greater than the linear flutter speed. The objective of this work is to investigate the energy harvesting by non linear aeroelastic oscillation. A finite element model of a thin plate (with piezoceramics) is developed), using the non linear hypothesis of von Karman. The unstable aerodynamic loading is obtained by a doublet-lattice method (DLM) and with its time domain conversion using the Roger approximation. The eletroaeroelastic results are presented for several wings with different aspect ratios, and with different resistance values in the electrical domain. The eletroaeroelastic results of the generator wing are investigated for several airspeed greater than its linear flutter speed.

A exploração de fenômenos aeroelásticos dinâmicos visando à conversão de energia do escoamento em eletricidade tem recebido crescente atenção nos últimos anos. As aplicações se estendem desde estruturas aeroespaciais até a alimentação de sistemas eletrônicos sem fio e diferentes mecanismos de transdução têm sido utilizados. O uso de um aerofólio é uma abordagem conveniente e escalável para criar instabilidades e oscilações persistentes para coleta aeroelástica de energia. Este trabalho tem por objetivo avaliar configurações alternativas de aerofólio para a coleta de energia do escoamento. As análises abrangem as versões lineares e não lineares de geradores aeroelásticos de energia baseados em aerofólio com dois (2GDL) e com três graus de liberdade (3GDL) que utilizam transdução piezelétrica e eletromagnética separadamente e também simultaneamente. Em todos os casos o acoplamento eletroaeroelástico é adicionado ao grau de liberdade de flexão do aerofólio e um circuito elétrico externo utilizado para cada tipo de mecanismo de transdução. As equações adimensionais que governam o sistema eletroaeroelástico são apresentadas para cada caso e uma carga resistiva é considerada no domínio elétrico para a previsão da potência gerada. Inicialmente, as previsões do modelo piezoaeroelástico linear com 2GDL são verificadas a partir de resultados experimentais obtidos em ensaios em túnel de vento na condição de flutter. Posteriormente, no primeiro estudo de caso, o comportamento eletroaeroelástico da seção típica com 2GDL é investigado, na velocidade de flutter, variando-se parâmetros aeroelásticos e eletromecânicos. No segundo estudo de caso, uma não linearidade do tipo freeplay é adicionada ao grau de liberdade de rotação da seção típica de 2GDL. Neste caso, a seção típica é estudada na velocidade mais baixa na qual o sistema apresenta oscilações em ciclo limite para diversas configurações de parâmetros aeroelásticos e eletromecânicos. As oscilações não lineares em ciclo limite podem ser obtidas abaixo da velocidade linear de flutter. Finalmente, o comportamento eletroaeroelástico de uma seção típica linear com 3GDL é estudado segundo a variação de diferentes parâmetros. Em todos os estudos de caso, a potência gerada e a amplitude dos GDLs mecânicos são investigadas. Com o estudo, é possível localizar regiões ótimas de parâmetros adimensionais as quais propiciam um aumento da potência elétrica de saída com velocidades de escoamento aceitáveis. Uma vez escalável, é possível redimensionalizar o modelo e manufaturá-lo. / The exploration of dynamic aeroelastic phenomena for converting wind energy into low-power electricity has received growing attention in the last years. Applications extend from aerospace structures to wireless electronic systems. The use of an airfoil is a convenient approach to create instabilities and persistent oscillations for flow energy harvesting. In this work, the goal is to establish alternative configurations of the airfoil for flow energy harvesting. The analysis presented here covers linear and nonlinear versions of aeroelastic energy generators based on an airfoil with two degrees of freedom and three degrees of freedom using piezoelectric and electromagnetic transduction separately and simultaneously. Both forms of coupling are added to the plunge degree of freedom in the presence of a separate electrical load for each type of transduction. The governing coupled dimensionless electroaeroelastic equations are given with a resistive load in each electrical domain to predict system behavior. First, the model predictions are compared with experimental data obtained in wind tunnel tests under flutter condition validating the model for the case of two degrees of freedom and piezoelectric coupling. After, in the first case study the typical section with two and three degrees of freedom is studied at the linear flutter speed for several aeroelastic and electromechanical parameters configurations. In the second case of study a freeplay non-linearity is added to the rotational degree of freedom of the two degree of freedom typical section. In this case, the typical section is studied at the lowest flow speed at which the system presents limit cycle oscillations for different aeroelastic and electromechanical system parameters. The non-linear limit cycle oscillations may be obtained below the linear flutter speed. In both cases, the power generation is analyzed as well as the maximum displacements of the mechanical degrees of freedom. With this study, it is possible to locate the favorable dimensionless parameter regions that give maximum electrical power output as well as reasonable airflow speeds. In this scalable problem, the results can be used for design and fabrication of optimal airfoil-based flow energy harvesters.

Este trabalho de pesquisa propõe um Método de Gerenciamento de Energia para Nós de Redes de Sensores sem Fio denominado MGERSF. Diante deste contexto, concebeu-se o MGERSF, como uma possível solução para algumas dificuldades existentes e inerentes ao gerenciamento de energia em redes de sensores sem fio. Durante o desenvolvimento desta pesquisa, verificou-se que a aplicação do MGERSF não se tratava apenas de um conjunto de boas práticas, mas sim de um método definido e caracterizado em sete passos por um conjunto de aplicações de conceitos técnicos e/ou científicos. A verificação da aplicação do método proposto foi realizada por meio de um estudo de caso. Ela envolveu a implementação, sem completeza, de três experimentos que possibilitaram a aquisição de dados de alguns sensores. Neles, aplicou-se, paulatinamente, o método MGERSF. Os resultados obtidos, a partir da realização destes experimentos, se mostraram satisfatórios.