Comparación y prueba de modelos para generación de electricidad por vigas piezoeléctricas, enfocado a pequeños dispositivos electrónicos

Abstract

Los materiales piezoeléctricos entregan la posibilidad de generar electricidad gracias a diferencias de voltaje que se generan al deformarlos. El principio anterior, mezclado con un agente externo que logre deformarlos periódicamente, o hacerlos vibrar, puede convertirse en una fuente de energía para múltiples dispositivos electrónicos, tomando significativa importancia en dispositivos de control que se encuentren en zonas remotas o de difícil acceso, en donde la mantención y cambio de batería se vuelva una opción inviable, o demasiado costosa. El objetivo de este trabajo es reproducir y comparar tres modelos existentes para vigas piezoeléctricas, el primero es un modelo de un grado de libertad y los siguientes dos, modelos continuos, uno de estos considera el acoplamiento electromecánico y el otro no. Los modelos predicen el voltaje, corriente y potencia producidos en función de la frecuencia que excita el sistema, y se busca determinar cuál de ellos representa más fidedignamente la realidad y bajo qué condiciones es adecuado utilizarlos. En los modelos continuos existen múltiples frecuencias naturales que se corresponden con los modos de vibración. Para un mismo nivel de aceleración en la base, el modo que genera mayor voltaje, corriente y potencia, es el primero, por ende si se busca energizar un dispositivo electrónico se debe buscar que el agente excitador de la viga la haga resonar al primer modo de vibración. Debido a esto es que en trabajo de estudia la energía generada gracias al primer modo. Como resultado del análisis de cada modelo se demuestra que, cada modelo tiene una resistencia óptima para la cual produce la mayor potencia posible. El objetivo final si se quiere implementar esta tecnología es determinar cuál es esa resistencia, de manera que el dispositivo que es objeto de la energía, tenga la mayor cantidad de esta disponible. Los tres modelos teóricos son comparados entre ellos y con datos experimentales, estos últimos obtenidos luego de testear una viga piezoeléctrica real. Para realizar la comparación se definen tres indicadores de error llamados "error de peak", "error de frecuencia" y "error de disipación". Estos miden las diferencias que existen entre las curvas teóricas de voltaje y la curva experimental, en particular comparan el voltaje máximo, frecuencia natural y ancho de las curvas. El modelo continuo acoplado es un modelo de física muy compleja que requiere una gran experticia para poder ser implementado, no obstante y considerando los tres tipos de errores, es el modelo que mejor se ajusta a la realidad.