Modelado y simulación computacional de un transductor piezoeléctrico con materiales celulares para generación de energía eléctrica

Abstract

Este proyecto presenta una propuesta para el modelado y simulación computacional de un transductor piezoeléctrico que utiliza materiales poliméricos porosos en una arquitectura de lengüeta en voladizo, para generación de energía eléctrica. Primero se realizó una revisión del estado del arte sobre el material, la arquitectura y la modelación de ambos. Luego, se planteó una metodología con un acercamiento gradual al problema, partiendo de un estudio estacionario (S), seguido de un estudio de frecuencias naturales (EF) y, finalmente, tres estudios dependientes del tiempo (TD) sobre dos modelos de generador: piezoeléctrico continuo (PEGc) y piezoelectreto poroso (PEGp). Para los estudios TD, se diseñó una función de carga dinámica y armónica, para hacer barridos paramétricos de su magnitud y frecuencia, así como una función de desplazamiento prescrito armónico, con un barrido de su amplitud. El estudio S reveló cargas admisibles y comportamiento en flexión, mientras que el estudio EF determinó las frecuencias para los barridos paramétricos de los estudios TD, donde se determinó la respuesta electromecánica y el rendimiento eléctrico de los transductores. Se encontró que el estudio TD, con desplazamiento prescrito, es un buen abordaje para este tipo de arquitectura y que el PEGp puede ser modelado según la metodología propuesta.

This project presents a proposal for the computational modelling and simulation of a piezoelectric transducer using porous polymeric materials, in a cantilever reed architecture, for generation of electric energy. First, a revision of the state of the art was conducted regarding the material, the architecture and their modelling. Then, a methodology with a gradual approach to the problem was laid out, starting with a stationary study (S), followed by an eigenfrequency study (EF) and, finally, three time-dependent studies (TD) on two generator models: continuous piezoelectric (PEGc) and porous piezoelectret (PEGp). For the TD studies, a dynamic and harmonic load function was designed to perform parametric sweeps of its magnitude and frequency, as well as a harmonic prescribed displacement function for an amplitude sweep. The S study revealed admissible loads and flexural behaviour, while the ED study determined frequencies for the parametric sweeps in TD studies, where the electromechanical response and electric performance of transducers were determined. It was found that the TD study using prescribed displacement is a good approach for this sort of architecture and that the PEGp can be modelled according to the methods proposed.