Análisis paramétrico de un cosechador aeroelástico de energía: Aspectos estructurales

Abstract

En la última década, la cosecha de energía a partir de fuentes ambientales ha sido un tópicoimportante en el área de la investigación. La motivación viene dada por la posibilidad de alimentar a dispositivos de baja potencia a partir de energía disponible en la naturaleza. En el campo aeronáutico, resulta factible la construcción de alas multifuncionales que integran, dentro de su propia estructura, un sistema de cosecha y almacenaje de energía. Las vibraciones debido aperturbaciones de naturaleza aerodinámica y oscilaciones de ciclo límite de carácter aeroelástico, constituyen la fuente principal de energía del cosechador. En este trabajo,el modelo estructural del cosechador consiste en una viga en voladizo sometida a una excitación de base, cuyas superficies superior e inferior están cubiertas por transductores piezoeléctricos. Seexplora la influencia en la respuesta eléctrica y mecánica de:i) las funciones de aproximación propuestas para aproximar el desplazamiento transversal de la viga; ii) dos tipos de piezoeléctricos y iii) la resistencia eléctrica. Como parte de los resultados, se presenta, para una configuración particular del modelo, la evolución del voltaje, el desplazamiento del extremo libre de la viga y la energía disipada.

Energy harvesting from ambient sources has been subject of continuous interest during the last decade. The possibility of supplying electricity to low-power devices using ambient energy represents the main motivation. In the aeronautical-engineering field, new technologies enable the construction multifunctional wings, which integrate energy-harvesting subsystems to their structure. Mechanical vibrations of the structure, due to wind gusts or limit-cycle oscillations caused by aeroelastic instabilities like flutter, are the main source of input energy. In this work, the harvester is modeled as a beam whose upper and lower surfaces are covered by piezoelectric plates. To study the mechanical and the electrical response of the model we consider: i) two types of piezoelectric transducers, ii) several functions that can be used to approximate the transversal displacement of the beam, and iii) the electrical resistance. For a particular model configuration, results for the voltage evolution, the dissipated energy, and the displacement at the free end of the beam, are presented.