Extração de energia piezoelétrica de um cilindro em vórtice

Jul 08, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6924 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Um novo conceito de utilização da energia cinética das correntes oceânicas/vento por meio de ressonância interna é proposto para atender à crescente demanda global de energia, gerando energia limpa e sustentável. Neste trabalho, um pêndulo de gravidade rotativa não linear é empregado para excitar autoparametricamente o cilindro montado elasticamente para uma ampla faixa de velocidades de fluxo. Este conceito é adotado para aumentar a amplitude de oscilação do cilindro devido à vibração induzida por vórtice (VIV) na região dessincronizada para captação de energia. Nesse sentido, é proposto um dispositivo de coleta de energia baseado em VIV que consiste em um cilindro com um pêndulo acoplado e a energia é coletada com transdutores piezoelétricos montados na parte inferior. O cilindro sofre VIV quando é submetido ao fluxo de fluido e isso excita o sistema acoplado fluido-multicorpo cilindro-pêndulo autoparametricamente. Na região dessincronizada, quando a frequência do vórtice se torna duas vezes a frequência natural do pêndulo, ocorre uma ressonância interna. Isso ajuda a alcançar uma maior amplitude de oscilação do cilindro, o que não acontece de outra forma. Este estudo é focado no sistema cilindro-pêndulo de dois graus de liberdade (2-DoF), onde o cilindro é livre para exibir vibrações induzidas por vórtices de fluxo cruzado submetidas ao fluido. O objetivo deste trabalho é investigar numericamente o efeito de um pêndulo de gravidade rotativa não linear (NRGP) nas características VIV e na eficiência piezoelétrica do sistema. O modelo numérico é baseado no modelo wake-oscillator acoplado à equação constitutiva piezoelétrica. A influência da razão de frequência, razão de massa, razão de amortecimento de torção e razão do diâmetro do cilindro para o comprimento do pêndulo do dispositivo NRGP nas características de resposta devido ao VIV também é investigada. Uma análise comparativa detalhada em termos de tensão elétrica e eficiência é realizada numericamente para vazões com uma ampla gama de velocidades reduzidas para o cilindro com e sem NRGP. Um estudo abrangente sobre as implicações da ressonância interna entre o pêndulo e um cilindro submetido a VIV na tensão elétrica gerada também é relatado.

As vibrações induzidas por vórtices (VIV) são um dos fenômenos hidrodinâmicos mais comuns com implicações práticas que podem ser observadas quando as estruturas são submetidas ao escoamento de fluidos. O VIV foi estudado detalhadamente por vários investigadores, como Roshko1, Griffin e Ramberg2, Bearman3; em artigos de revisão de Williamson e Govardhan4, Sarpkaya5 e em livros de Belvins6, Sumer e Fredsøe7. Nas últimas décadas, muitos pesquisadores se concentraram em diferentes métodos para aproveitar a energia hidrocinética utilizando o movimento induzido por vórtices de estruturas e convertê-la em energia elétrica8,9. O VIV dos componentes estruturais pode ser convertido em energia elétrica usando geradores eletrostáticos10, eletromagnéticos11 e piezoelétricos12, que podem ser usados ​​para alimentar sistemas microeletromecânicos ou para carregar baterias em locais remotos. Essas fontes geradoras de energia em pequena escala são úteis para alimentar equipamentos eletrônicos próximos e dispositivos autoalimentados13. Deve-se notar que, em um problema VIV real, os sistemas eletromecânicos estão sujeitos aos efeitos do ruído ambiente, ou seja, flutuações no fluxo de entrada ou imperfeições geométricas do sistema e podem influenciar significativamente o comportamento dinâmico. Portanto, para uma coleta eficiente de energia, os efeitos de diferentes ruídos estocásticos também estão sendo investigados por vários pesquisadores14,15.

Nos últimos anos, existem inúmeras contribuições com foco em formas eficientes de extrair energia do VIV usando transdutores piezoelétricos. Esses transdutores têm uma capacidade única de converter energia de tensão em energia elétrica. A maneira mais comum e fácil de extrair energia é anexando o material piezoelétrico à estrutura montada flexível/elasticamente. Truitt16 desenvolveu um coletor de energia baseado no vento, fixando um material piezoelétrico de fluoreto de polivinilideno (PVDF) em uma membrana semelhante a uma bandeira e obteve uma potência máxima de 1,5 mW. Song et al.17 propuseram um novo conceito de coleta de energia utilizando VIV e vibrações induzidas por esteira (WIV) de dois cilindros em tandem conectados por membranas piezoelétricas como cantilevers e registraram uma potência máxima de 21 \(\mu\)W. Wang e Ko18 coletaram energia de um filme piezoelétrico fixado sobre o canal de fluxo de fluido. Investigações numéricas foram conduzidas por Mehmood et al.19 usando equações governantes eletromecânicas que acoplam a oscilação de um cilindro montado elasticamente e fixado com material piezoelétrico. Eles observaram que há um impacto significativo na largura e amplitude de sincronização devido à resistência de carga. Franzini e Bunzel20 realizaram investigações numéricas sobre a potência de cilindros montados em colheitadeiras piezoelétricas submetidas a VIV. Em seu estudo, foram estudadas duas configurações diferentes pertencentes ao VIV unidirecional (fluxo cruzado) e bidirecional (fluxo cruzado e em linha). Em ambas as configurações, a potência e a eficiência foram maiores quando a frequência do desprendimento de vórtices estava próxima da frequência estrutural, ou seja, na região de lock-in. Foi relatada uma saída de potência máxima de 2,6 mW e 11 mW para o VIV unidirecional e bidirecional, respectivamente. Investigações experimentais foram conduzidas por Arionfard e Nishi21 para um cilindro articulado submetido a VIV para o número de Reynolds (Re) variando de 2880 a 22300 e relatou uma potência máxima de 60 mW. Em um estudo experimental posterior, Nishi et al.22 propuseram uma maneira eficiente de extrair energia colocando um cilindro secundário entre o gerador e o cilindro primário exposto ao VIV, o que aumentou a tensão elétrica (tensão) até 9 V. Em uma investigação numérica , Soti et al.23 relataram que anexar o cilindro a um ímã pode fornecer uma potência adimensional máxima coletada de até 0,13 em \(Re = 150\). A coleta de energia também foi investigada em um cilindro circular vibratório de fluxo cruzado com uma mola de massa secundária montada sobre ele formando um sistema de dois graus de liberdade (2-DoF) em Lu et al.24 Duas regiões "lock-in" foram observadas neste sistema correspondendo às ressonâncias de primeira e segunda ordem do sistema. Análises teóricas foram realizadas nos trabalhos de Hu et al.25,26 em um sistema 2-DoF para avaliar as capacidades de coleta de energia de galope, bem como aeroelástica concorrente e excitação de base. Esses estudos foram realizados a partir de uma perspectiva aeroelástica lidando com altas razões de massa. No entanto, os efeitos induzidos pelo fluxo tornam-se mais difíceis de analisar para baixas razões de massa, normalmente observadas em ambientes marinhos e hidrodinâmicos. Uma discussão detalhada sobre os desenvolvimentos recentes de vários dispositivos para coleta de energia piezoelétrica pode ser encontrada em artigos de revisão de Elahi et al.27.