Finite element modeling of energy harvesters: application to vibrational devices

Abstract

[ES] En este capítulo se presenta el conjunto de ecuaciones de gobierno para estudiar el comportamiento de los materiales activos, los cuales tienen una capacidad intrínseca para acoplar varias ramas de la Física y, en consecuencia, son comúnmente utilizados para la fabricación de cosechadoras. Una vez definidas las ecuaciones, se desarrolla una formulación numérica basada en el método de los elementos finitos para modelar estos materiales. En particular, en este capítulo se estudia la producción de energía a partir de las vibraciones mecánicas presentes en puentes ferroviarios de alta velocidad. Para ello, se hace un repaso de los parámetros básicos de estos puentes, sus vibraciones, frecuencias y las características dinámicas. A continuación, se simulan cosechadores en voladizo fabricados con materiales piezoeléctricos y piezomagnéticos bajo vibraciones mecánicas típicas y se destacan varias conclusiones.

[EN] This chapter presents the set of governing equations to study the behavior of active materials, which have an intrinsic ability for coupling several branches of Physics and, consequently, are commonly used for manufacturing harvesters. Once the equations are defined, a numerical formulation based on the finite element method is developed in order to model these materials. In particular, this chapter studies the energy production from mechanical vibrations present in high-speed railway bridges. For this purpose, a review of the basic parameters of these bridges, their vibrations, frequencies and the dynamic characteristics are highlighted. Then, cantilever harvesters made out of piezoelectric and piezomagnetic materials are simulated under typical mechanical vibrations and several conclusions are highlighted.