Piezoelectric Energy Harvesting Devices (PEHDs) for the Development of Selfpowered Structural Health Monitoring Systems

Abstract

La idea fundamental que guía el trabajo presentado en esta tesis es la recolección de energía de las vibraciones estructurales para el desarrollo de sensores autónomos aplicados a la monitorización continua de estructuras civiles. La demanda energética de los sistema de monitorización se ha resuelto típicamente mediante la instalación de sensores conectados a la red eléctrica, lo cual supone un coste medioambiental y económico adicional difícil de mantener a largo plazo. Además, la ubicación remota de muchas estructuras hace inviable la conexión al suministro eléctrico. La novedad de esta propuesta es el autoabastecimiento de los sensores empleando un sistema de captación de energía totalmente limpio que utiliza las vibraciones de las estructuras para generarla. Esta generación de energía se lleva a cabo mediante el mecanismo de conversión de energía piezoeléctrica. A lo largo de los últimos años, se han presentado en la literatura diversos diseños para los dispositivos de recoleccion, siendo la viga cantilever con una/dos capas de material piezoeléctrico (configuraciones unimorfa/bimorfa) la más analizada. Opcionalmente, se coloca una masa en el extremo libre para modificar la frecuencia de resonancia hasta un valor deseado (habitualmente la propia frecuencia natural de la estructura huésped) y/o amplificar el efecto piezoeléctrico. Esta tesis aborda el estudio de dispositivos piezoeléctricos de captación de energía con un doble enfoque. Por un lado, se plantea la modelización numérica de vigas compuestas como las que constituyen estos dispositivos. Para ello, se ha desarrollado y validado una nueva formulación basada en el método Proper Generalized Decomposition para resolver el problema de vibración forzada en vigas laminadas bidimensionales con capas piezoeléctricas. Se considera una descripción espacio-frecuencia del problema dinámico y la separación de variables del dominio espacial. El resultado es una solución 2D en el dominio de la frecuencia con una complejidad computacional 1D. Por otro lado, más orientado a la práctica, se analiza la viabilidad de un sistema piezoeléctrico de captación de energía basado en vibraciones aplicado en un puente de una autovía sito en Palma del Río, Córdoba (Spain). Para evaluar la potencia disponible a partir de vibraciones reales se plantea una nueva formulacion semi-analítica basada en las vibraciones inducidas por el tráfico. Se han considerado dos situaciones diferentes de las que se extraen conclusiones sobre la evaluación de la potencia generada: i) registros de vibraciones con el puente abierto al tráfico regular, ii) vibraciones ambientales con el puente cerrado al tráfico.

The underlying idea that guides the work presented in this dissertation is the vibration-based energy harvesting as an enabler for the successful development of self-powered sensors applied to long-term monitoring of civil structures. The energy requirement of the monitoring system has typically been solved by the installation of grid-connected sensors, which is a solution with a fixed additional economic and environmental cost difficult to maintain in the long term. In addition, the remote location of many structures makes mains power supply unfeasible. The novelty of this proposal is the self-supply of the sensors applying a totally clean energy collection system that uses the vibrations of the structures to generate energy. This vibration-based energy harvesting system makes use of devices in which the piezoelectric energy conversion mechanism takes place. The performance of piezoelectric energy harvesters is strongly dependent on the excitation source, represented by the vibration of the host structure. Numerous variants of these devices have been proposed in the literature but the most widely tested consists of a small cantilever beam with one/two layers of piezoelectric material (unimorph/bimorph configurations) and optionally a mass attached to the free end to move the resonance frequency towards some desired point (tuning) and/or amplify the conversion effect. The study of piezoelectric energy harvesting devices has been approached in this thesis with a twofold focus. On the one hand, the numerical modelling of composite beams such as those that constitute piezoelectric energy harvesting devices is addressed. A new formulation based on the Proper Generalized Decomposition method to solve the forced vibration problem in bi-dimensional laminated beams with piezoelectric layers is developed and validated. A harmonic space-frequency description of the dynamic problem is considered and a variable separation in the spatial domain is introduced. The result is a 2D solution in frequency domain with 1D computational complexity. On the other hand, more geared to practice, the feasibility of a piezoelectric vibration-based energy harvesting system for a real highway bridge is studied. A new semi-analytic formulation based on the measured traffic-induced vibration has been used to evaluate the available power from real vibrations of a bowstring highway bridge located in Palma del R´ıo, C´ordoba (Spain). Two different situations have been considered from which conclusions on the assessment of harvested power are drawn: i) operational vibration records with the bridge open to regular traffic, ii) ambient vibrations with the bridge closed to traffic.