Foi desenvolvido um sistema para coleta de energia vibracional utilizando o dispositivo comercial Q220-A4-503YB da Piezo Systems que operou como uma viga engastada. Para uma melhor compreensão deste dispositivo, do seu uso e modelagem no sistema de EH, os seus parâmetros foram levantados experimentalmente utilizando os modelos simplificado e não simplificado com fonte de tensão, apresentado por Hehn; Manoli (2015), e o modelo simplificado com fonte de corrente. Os parâmetros foram utilizados e os resultados comparados com o modelo analítico e com simulações no software Simulink do Matlab e os resultados foram satisfatórios, uma vez que a potência experimental do circuito resistivo ficou em 85% do valor máximo teórico.
Para melhor aproveitamento da energia vibracional disponibilizadas para dispositivos piezoelétricos é fundamental descarregar e recarregar o capacitor intrínseco do dispositivo a cada inversão da polaridade da corrente mais rapidamente, aumentando o tempo de transferência de potência para a carga. Técnicas síncronas para realizar este processo foram estudadas, equacionadas e experimentalmente comprovadas de acordo com sua eficiência. Dentre elas, SSH e SSHI foram testadas experimentalmente na frequência de excitação de 68 Ì6, dentro da faixa compreendida entre as frequências ressonante e anti-ressonante, e com aceleração de 5 8/q; na base. Nesta condição a máxima potência teórica é de 1,3 89, o valor da carga acoplada para o casamento de impedância é de 10 40 e o dispositivo piezoelétrico utilizado possui uma densidade energética de 61,3˚9/.8;. O circuito de coleta de energia utilizando apenas o retificador em ponte de onda completa com carga de 10 40, apresentou eficiência de 57% em relação à máxima potência teórica com casamento de impedância. A eficiência do SSH, em relação à máxima potência teórica presente no dispositivo piezoelétrico, foi de 80%, também com o casamento de impedância. Já a eficiência do SSHI foi de 66%, abaixo do SSH. Esse circuito, SSHI, apresenta um indutor com a função de realizar a inversão da tensão piezoelétrica no momento em que a corrente piezoelétrica inverte de polaridade. Porém, se o indutor possuir um fator de qualidade baixo, menor que 20 conforme os autores Lefeuvre et al. (2005), o circuito pode ter seu funcionamento comprometido. Foi isto que ocorreu, o indutor comercial utilizado apresentou um fator de qualidade ·K = 0,61. O circuito SSHI é também mais complexo e deve apresentar um controle na inversão. Assim, o SSH foi o que apresentou melhor eficiência na transferência de energia para a carga.
Deve-se ressalvar que não foram considerados os gastos de energia nos componentes de acionamento e de processamento.
Os circuitos de otimização síncrona obtêm o seu máximo em um ponto, apenas na situação de casamento de impedância com a carga. Porém, conforme a demanda varia dinamicamente fazendo com que o sistema saía da região de casamento de impedância, a potência diminui drasticamente. Para resolver esta questão foi desenvolvido um conversor DC/DC do tipo rebaixador, buck, com a função MPPT de buscar o ponto de máxima potência refazendo o casamento de impedância para qualquer carga acoplada. O circuito MPPT desenvolvido manteve a potência no seu máximo na saída controlando a impedância vista pela fonte mesmo variando os valores das cargas. O MPPT foi utilizado tanto com o circuito retificador quanto com o SSH mantendo o sistema na máxima extração de potência.
A associação de dois dispositivos foi montada experimentalmente juntamente com os circuitos SSH e conversor DC-DC. A potência dobrou de 1,1 89 para 2,21 89 e com o MPPT, manteve-se constante para valores de cargas menores que o casamento de impedância.
Desta forma, foram propostos, testados e validados circuitos para um sistema de coleta e gerenciamento de energia vibracional tendo como fonte dispositivos piezoelétricos.
5.1 Trabalhos Futuros
• Melhorar o algoritmo do circuito conversor DC-DC para MPPT para ser mais robusto e abranger um maior alcance de casamento de impedância;
• Desenvolver um circuito embutido em um chip com arquitetura proposta; • Aplicar em um microcontrolador de baixo consumo com comunicação sem fio
6 Bibliografias
AJITSARIA, J.; CHOE, S. Y.; SHEN, D.; KIM, D. J. Modeling and analysis of a bimorph piezoelectric cantilever beam for voltage generation. Smart Materials and Structures, v. 16, n. 2, p. 447–453, 2007.
APC INTERNATIONAL. Piezoelectric Ceramics: Principles and Applications. Second Edi ed. American Piezo Ceramics, Inc., 2011.
ARNAU, A. Piezoelectric Transducers and Applications. 2015.
BANDYOPADHYAY, S.; CHANDRAKASAN, A. P. Platform architecture for solar, thermal, and vibration energy combining with MPPT and single inductor. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 47, n. 9, p. 2199–2215, 2012.
CALIÒ, R.; RONGALA, U.; CAMBONI, D.; et al. Piezoelectric Energy Harvesting Solutions. Disponível em: <http://www.mdpi.com/1424-8220/14/3/4755/>. .
CARREON-BAUTISTA, S.; HUANG, L.; SANCHEZ-SINENCIO, E. An Autonomous Energy Harvesting Power Management Unit with Digital Regulation for IoT Applications. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 51, n. 6, p. 1457–1474, 2016.
CHEW, Z. J.; ZHU, M. Microwatt power consumption maximum power point tracking circuit using an analogue differentiator for piezoelectric energy harvesting. Journal of Physics: Conference Series, v. 660, n. 1, 2015.
CHEW, Z. J.; ZHU, M. Adaptive Maximum Power Point Finding Using Direct VOC/2 Tracking Method with Microwatt Power Consumption for Energy Harvesting. IEEE Transactions on Power Electronics, v. 8993, n. c, p. 1–1, 2017. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/document/8110681/>. .
CURIE, J.; CURIE, P. Développement, par pression, de l’électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées. Comptes rendus, v. 91, p. 294–295, 1880.
D’HULST, R.; STERKEN, T.; PUERS, R.; DECONINCK, G.; DRIESEN, J. Power processing circuits for piezoelectric vibration-based energy harvesters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 57, n. 12, p. 4170–4177, 2010.
DO, X.; HAN, S.; LEE, S. Optimization of Piezoelectric Energy Harvesting Systems by Using a MPPT Method. , p. 309–312, 2014.
DU, S.; SESHIA, A. A. An Inductorless Bias-Flip Rectifier for Piezoelectric Energy Harvesting. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 52, n. 10, p. 2746–2757, 2017.
ELVIN, N.; ERTURK, A. Advances in Energy Harvesting Methods. 2015. ERICKSON, R. W.; DRAGAN, M. Fundamentals of Power Electronics. 2004. ERTURK, A.; INMAN, D. J. An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations. Smart Materials and Structures, v. 18, n. 2, p. 025009, 2009. Disponível em: <http://stacks.iop.org/0964- 1726/18/i=2/a=025009?key=crossref.cda51e54de24aaa048d7a3018d369082>. .
FERRARI, M.; FERRARI, V.; GUIZZETTI, M.; MARIOLI, D.; TARONI, A. Piezoelectric multifrequency energy converter for power harvesting in autonomous
microsystems. , v. 142, p. 329–335, 2008.
GAUTSCHI, G. Piezoelectric Sensorics: Force Strain Pressure Acceleration and Acoustic Emission Sensors Materials and Amplifiers. Emerald Group Publishing Limited, 2013.
GUAN, M. J.; LIAO, W. H. Characteristics of Energy Storage Devices in Piezoelectric Energy Harvesting Systems. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, v. 19, n. 6, p. 671–680, 2007.
GUAN, M. J.; LIAO, W. H. Characteristics of Energy Storage Devices in Piezoelectric
Energy Harvesting Systems. , 2008. Disponível em:
<http://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/1045389X07078969>. Acesso em: 15/1/2018. GUYOMAR, D.; BADEL, A.; LEFEUVRE, E.; RICHARD, C. Toward energy harvesting using active materials and conversion improvement by nonlinear processing. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, v. 52, n. 4, p. 584– 594, 2005.
HANKEL, W. G. Über die aktinound piezoelektrischen eigenschaften des bergkrystalles und ihre beziehung zu den thermoelektrischen. Leipzig Abhandlungen 12, p. 459–547, 1881.
HARB, A. Energy harvesting: State-of-the-art. Renewable Energy, v. 36, n. 10, p.
2641–2654, 2011. Elsevier Ltd. Disponível em:
<http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2010.06.014>. .
HAYT JR., W. H.; KEMMERLY, J. E.; DURBIN, S. M. Engineering Circuit Analysis. 2012.
HEHN, T.; MANOLI, Y. CMOS Circuits for Piezoelectric Energy Harvesters - Efficient Power Extraction, Interface Modeling and Loss Analysis. 2015.
HOFFMANN, D.; FOLKMER, B.; MANOLI, Y. Fabrication, characterization and modelling of electrostatic micro-generators. Journal of Micromechanics and Microengineering, v. 19, n. 9, p. 94001–11, 2009. Disponível em: <http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/19/9/094001/pdf>. Acesso em: 4/1/2018. HUANG, Y.; SHINOHARA, N.; MITANI, T. Impedance Matching in Wireless Power Transfer. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, v. 65, n. 2, p. 582– 590, 2017.
INMAN, D. J. Engineering Vibration. 4th editio ed. 2008.
JORDAN, T. L.; LANGLEY, N. NASA Piezoelectric Ceramics Characterization. Contract, p. 23, 2001.
KAWAI, N.; KUSHINO, Y.; KOIZUMI, H. MPPT controled piezoelectric energy harvesting circuit using synchronized switch harvesting on inductor. IECON 2015 - 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, p. 1121–1126, 2015.
KONG, L. B.; LI, T.; HNG, H. H.; et al. Waste Energy Harvesting. 2014.
KONG, N.; COCHRAN, T.; HA, D. S.; LIN, H. C.; INMAN, D. J. A self-powered power management circuit for energy harvested by a piezoelectric cantilever. Conference Proceedings - IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC, p. 2154–2160, 2010.
KONG, N.; HA, D. S. Low-power design of a self-powered piezoelectric energy harvesting system with maximum power point tracking. IEEE Transactions on Power Electronics, v. 27, n. 5, p. 2298–2308, 2012. Disponível em: <https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0-
84858068948&partnerID=40&md5=810053d5708d3b6c34229960a62e8056>. .
KONG, N.; HA, D. S.; ERTURK, A.; INMAN, D. J. Resistive Impedance Matching Circuit for Piezoelectric Energy Harvesting. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, v. 21, n. 13, p. 1293–1302, 2010. Disponível em: <http://jim.sagepub.com/cgi/doi/10.1177/1045389X09357971>. .
KUMAR, B.; KIM, S. W. Energy harvesting based on semiconducting piezoelectric ZnO nanostructures. Nano Energy, v. 1, n. 3, p. 342–355, 2012. Elsevier. Disponível em: <http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.02.001>. .
KUSHINO, Y.; KOIZUMI, H. Piezoelectric energy harvesting circuit using full-wave voltage doubler rectifier and switched inductor. 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE 2014, p. 2310–2315, 2014.
LEFEUVRE, E.; AUDIGIER, D.; RICHARD, C.; GUYOMAR, D. Buck-boost converter for sensorless power optimization of piezoelectric energy harvester. Ieee Transactions on Power Electronics, v. 22, n. 5, p. 2018–2025, 2007.
LEFEUVRE, E.; BADEL, A.; BENAYAD, A.; et al. A comparison between several approaches of piezoelectric energy harvesting. Journal de Physique IV France, v. 128, p. 177–186, 2005.
LEFEUVRE, E.; BADEL, A.; RICHARD, C.; GUYOMAR, D. High-performance piezoelectric vibration energy reclamation. Proc. SPIE, v. 5390, n. July, p. 379–387, 2004. Disponível em: <http://dx.doi.org/10.1117/12.532709>. .
LIEN, I. C.; SHU, Y. C. Array of piezoelectric energy harvesting by the equivalent impedance approach. Smart Mater. Struct, v. 21, 2012. Disponível em: <http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0964-1726/21/8/082001/pdf>. Acesso em: 1/6/2018. LIEN, I. C.; SHU, Y. C.; WU, W. J.; SHIU, S. M.; LIN, H. C. Revisit of series-SSHI with comparisons to other interfacing circuits in piezoelectric energy harvesting. Smart Materials and Structures, v. 19, n. 12, p. 125009, 2010.
LIN, H. C.; WU, P. H.; LIEN, I. C.; SHU, Y. C. Analysis of an array of piezoelectric energy harvesters connected in series. Smart Mater. Struct, v. 22, p. 94026–11, 2013. Disponível em: <http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0964-1726/22/9/094026/pdf>. Acesso em: 1/6/2018.
LINEAR TECHNOLOGY. LTC3588-2. 2010.
LIPPMAN, G. Principe de la conservation de l’électricité, ou second principe de la théorie des phènomènes électriques. J. Phys. Theor. Appl., v. 10, p. 381–394, 1881.
LIU, J.-Q.; FANG, H.-B.; XU, Z.-Y.; et al. A MEMS-based piezoelectric power generator array for vibration energy harvesting. Microelectronics Journal, v. 39, p. 802–806, 2008. Disponível em: <https://ac.els-cdn.com/S0026269207003965/1-s2.0- S0026269207003965-main.pdf?_tid=e391f355-4b05-468e-8888-
6683bf3efb37&acdnat=1527886384_b5a748468ce793abfe2e262b48a5c42b>. Acesso em: 1/6/2018.
LU, S.; BOUSSAID, F. Efficient Parallel-SSHI Interface Circuit for Piezoelectric Energy Harvesting. , , n. June 2013, p. 1–4, 2013b.
LU, S.; BOUSSAID, F. A Self-Controlled Piezoelectric Energy Harvesting Interface Circuit. , v. 3, n. ii, p. 71–74, 2013a.
LU, S.; BOUSSAID, F. An inductorless self-controlled rectifier for piezoelectric energy harvesting. Sensors (Switzerland), v. 15, n. 11, p. 29192–29208, 2015b.
LU, S.; BOUSSAID, F. A highly efficient P-SSHI rectifier for piezoelectric energy harvesting. IEEE Transactions on Power Electronics, v. 30, n. 10, p. 5364–5369, 2015a.
LY, R.; RGUITI, M.; D’ASTORG, S.; et al. Modeling and characterization of piezoelectric cantilever bending sensor for energy harvesting. Sensors and Actuators, A: Physical, v. 168, n. 1, p. 95–100, 2011.
MIRZA, X.; ALI, A.; REYES, T.; ZEA, J. Harvesting Energy using Piezoelectric Materials for a Pacemaker. , 2013.
MURATA. DMF4B5R5G105M3DTA0 - Datasheet. 2011.
NADER, G. Desenvolvimento de técnicas de caracterização de transdutores piezelétricos. 2002.
OTTMAN, G. K.; HOFMANN, H. F.; BHATT, A. C.; LESIEUTRE, G. A. Adaptive Piezoelectric Energy Harvesting Circuit for Wireless Remote Power Supply. IEEE Transactions on Power Electronics, v. 17, n. 5, p. 669–676, 2002.
OTTMAN, G. K.; HOFMANN, H. F.; LESIEUTRE, G. A. Optimized piezoelectric energy harvesting circuit using step-down converter in discontinuous conduction mode. IEEE Transactions on Power Electronics, v. 18, n. 2, p. 696–703, 2003.
PEREIRA, J. A. a Multifrequency Piezoelectric Structure for Vibration. , , n. Cobem, p. 1377–1384, 2013.
PRIYA, S.; INMAN, D. J. Energy harvesting Technologies. 2009.
RAMADASS, Y. K. Energy Processing Circuits for Low-Power Applications. Mit, 2009.
RAMADASS, Y. K.; CHANDRAKASAN, A. P. An efficient piezoelectric energy harvesting interface circuit using a bias-flip rectifier and shared inductor. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 45, n. 1, p. 189–204, 2010.
RENAUD, M.; KARAKAYA, K.; STERKEN, T.; et al. Fabrication, modelling and characterization of MEMS piezoelectric vibration harvesters. Sensors and Actuators, A: Physical, v. 145–146, n. 1–2, p. 380–386, 2008.
RENAUD, M.; STERKEN, T.; SCHMITZ, A.; et al. Piezoelectric harvesters and MEMS technology: Fabrication, modeling and measurements. TRANSDUCERS and EUROSENSORS ’07 - 4th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, p. 891–894, 2007.
ROMANI, A.; FILIPPI, M.; TARTAGNI, M. Micropower Design of a Fully Autonomous Energy Harvesting Circuit for Arrays of Piezoelectric Transducers. IEEE Transactions on Power Electronics, v. 29, n. 2, p. 729–739, 2014. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/document/6497696/>. Acesso em: 1/6/2018.
S P BEEBY; R N TORAH; M J TUDOR; et al. A micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting. J. Micromech. Microeng, v. 17, 2007. Disponível em: <http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/17/7/007/pdf>. Acesso em: 4/1/2018.
SHIM, M.; MEMBER, S.; KIM, J.; MEMBER, S. Self-Powered 30 µW to 10 mW Piezoelectric Energy Harvesting System With 9.09 ms/V Maximum Power Point Tracking Time. , v. 50, n. 10, p. 2367–2379, 2015.
SIMJEE, F.; CHOU, P. H. Everlast: Long-life, Supercapacitor-operated Wireless Sensor Node. ISLPED’06 Proceedings of the 2006 International Symposium on Low Power Electronics and Design, , n. November 2006, p. 197–202, 2006. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=4271835>. .
SODANO, H. A.; INMAN, D. J.; PARK, G. Comparison of Piezoelectric Energy Harvesting Devices for Recharging Batteries. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, v. 16, n. 10, p. 799–807, 2005a. Disponível em: <http://journals.sagepub.com/doi/10.1177/1045389X05056681>. .
SODANO, H. A.; INMAN, D. J.; PARK, G. Generation and Storage of Electricity from Power Harvesting Devices. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, v. 16,
n. 1, p. 67–75, 2005b. Disponível em:
<http://journals.sagepub.com/doi/10.1177/1045389X05047210>. .
VULLERS, R.; SCHAIJK, R.; VISSER, H.; PENDERS, J.; HOOF, C. Energy harvesting for autonomous wireless sensor networks. IEEE Solid-State Circuits Magazine, v. 2, n. 2, p. 29–38, 2010.
WILLIAMS, C. B.; YATES, R. B. Analysis of a micro-electric generator for microsystems. Sensors and Actuators A: Physical, v. 52, n. 1–3, p. 8–11, 1996. Disponível em: <http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/092442479680118X>. .
ZOUARI, M.; NAIFAR, S.; GOTZ, M.; DERBEL, N.; KANOUN, O. An optimized self-powered P-SSHI circuit for piezoelectric energy harvesting. 2017 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). Anais... . p.1–6, 2017. IEEE. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/document/7969755/>. Acesso em: 2/5/2018.
APÊNDICE A
Matrizes presentes na equações (10) e (11) estão representadas em (109) e (110)
⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡SSy ; Sx Sc Sz S+⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ = ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡syy± sy;± syx± 0 0 0 sy;± s yy± syx± 0 0 0 syx± s yx± sxx± 0 0 0 0 0 0 scc± 0 0 0 0 0 0 scc± 0 0 0 0 0 0 2(syy± − s y;± )⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ∗ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡TTy ; Tx Tc Tz T+⎦⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ + ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 00 00 ddxy xy 0 0 dxx 0 dyz 0 dyz 0 0 0 0 0 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ∗ 0 E E; Ex2 (109) 0 Dy D; Dx2 = 0 0 0 0 0 dyz 0 0 0 0 dyz 0 0 dxy dxy dxx 0 0 02 ∗ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡TTy ; Tx Tc Tz T+⎦⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ + 4 εyy≥ 0 0 0 εyy≥ 0 0 0 εxx≥ 5 ∗ 0 E E; Ex2 (110)
APÊNDICE B
A Figura 78 apresenta o fluxograma utilizado para o controle do circuito SSH e SSHI. No algoritmo, o microcontrolador, utiliza de interrupções que detectam borda de descida do sinal, ou seja, quando a tensão, !˝ ou !˛, estiverem menores que a tensão de referência, a saída do comparador está em nível lógico alto, e quando se tornam maiores, a saída do comparador é nivelo logico baixo.
APÊNDICE C
Na Figura 79 está presente o fluxograma utilizado para controlar o circuito conversor com MPPT.