Desarrollo de dispositivos recolectores de energía de fuentes vibratorias

Abstract

El creciente interés a nivel mundial en el aprovechamiento de las fuentes alternativas de energías limpias y renovables ha impulsado intensamente los avances tecnológicos que permiten la conversión de energía ambiental vibratoria en energía eléctrica. Esta técnica conocida como “recolección de energía” (Energy harvesting) consiste en convertir energía mecánica en eléctrica con el objetivo de alimentar dispositivos electrónicos de baja potencia tales como sensores. En este marco, en la presente tesis se presenta el desarrollo de un dispositivo recolector piezoeléctrico de energía rotante para la alimentación de sensores inalámbricos aplicados a aerogeneradores. Con el objetivo de simular el comportamiento electromecánico del dispositivo, se desarrolla una herramienta computacional basada en una formulación unidimensional de elementos finitos válida para sistemas estructurales con múltiples vinculaciones contemplando los efectos inducidos por el movimiento de rotación, el acoplamiento electromecánico y múltiples láminas de material piezoeléctrico. El enfoque numérico es formulado por medio de un elemento finito geométricamente no lineal con seis grados de libertad mecánicos y un grado de libertad eléctrico por nodo. El novedoso dispositivo que se obtiene como producto final consiste en un diseño estructural compuesto por múltiples vigas vinculadas entre sí, masas puntuales ubicadas en los extremos libres y una lámina de MFC (Macro Fiber Composite) adherida a una de las vigas. Como aspecto fundamental del dispositivo se destaca la capacidad de generar energía en condición resonante y no resonante en un rango de baja frecuencia de operación; este comportamiento se debe a la gran flexibilidad otorgada por las múltiples vigas y masas puntuales. Entre los distintos aspectos analizados se encuentra la influencia de la fuerza centrífuga, la resistencia eléctrica de carga, la ubicación y cantidad de los materiales piezoeléctricos y su conexión eléctrica (serie y paralelo). Como principal aplicación de los recolectores de energía desarrollados en este trabajo se encuentra su utilización para el sensado estructural de aerogeneradores, donde el dispositivo está sujeto a aceleraciones de 1g y velocidades de rotación de 0.5 a 3 Hz (30 – 180 rpm). Los resultados obtenidos a partir de la formulación numérica son comparados exitosamente con los resultados numéricos de Abaqus y los experimentales de laboratorio. Finalmente, se determina que el diseño propuesto proporciona suficiente potencia eléctrica para energizar un sensor y un sistema transmisor inalámbrico de datos.

The growing global interest in the use of alternative sources of clean and renewable energies has allowed the development of many technologies of energy harvesting in ambient vibration. The energy harvesting technique based on piezoelectric effect is a mechanism to convert mechanical into electrical energy to power electronic devices such as sensors. In this context, this thesis presents a novel piezoelectric energy harvester that scavenging energy from rotating environment, allowing the feeding of wireless sensors. In order to modeling the electromechanical behavior of the device, a one-dimensional finite element formulation is developed. This approach presents the ability to predict the dynamical behavior of tridimensional (3D) rotational energy harvesting devices, considering complex geometric configurations, geometrically nonlinear effects induced by the centrifugal forces and the electromechanical coupling. The beam model is formulated by means of a geometrically nonlinear finite element (FE) with six mechanical degrees of freedom per node and one electrical degree of freedom interpolated using standard linear shape functions. The proposed harvester consists in two multiple beams linked by a rigid beam. The multiple beams have attached masses at the free ends and a Macro Fiber Composite piezoelectric sheet bonded on one of the beams. As a fundamental aspect, the piezoelectric energy harvester operates in resonance and non-resonance condition in a very low frequency range. This behavior is due to the large flexibility given by the multiple beams and masses. The harvesting performance is analyzed by several electric resistances (Re), three hub distances (R), several rotation speed () ranging from 0 to 3 Hz, several positions of the piezoelectric material (“MFC Lateral” and “MFC Central”) and two electric connections (series and parallel) between the MFC patches. The main application of the proposed energy harvester is for the structural sensing of wind turbines, where the prototype is subjected to accelerations of 1g and rotation speeds from 0.5 to 3 Hz (30 – 180 rpm). The numerical model is successfully validated with Shell 3D models in Abaqus and also with experimental results. Finally, it is concluded that the proposed design provides sufficient electric power to energize a sensor and a wireless data transmitter system.