Desarrollo y modelación de un sistema de conversión de energía a partir de vibraciones para un rango amplio de frecuencias

Abstract

Energy harvesting es el proceso por el cual se cosecha energía desde fuentes externas, para alimentar dispositivos autónomos e inalámbricos. En particular se enfatiza la energía a partir de vibraciones. Los piezoeléctricos son dispositivos claves para convertir energía mecánica en energía eléctrica. Éstos han recibido la mayor atención en la literatura, debido a su gran densidad de potencia. El objetivo principal de este trabajo es diseñar un sistema que utilice vigas piezoeléctricas unidas por resortes para convertir energía mecánica en eléctrica, y que sea capaz de operar en un rango amplio de frecuencias. Se desarrolló un modelo analítico del sistema, el cual consiste en múltiples vigas piezoeléctricas con masas en la punta, unidas por resortes. El modelo realizado se basa en la teoría de Euler-Bernoulli para vigas, donde además se incluye el efecto piezoeléctrico del material. En primer lugar se estudia la parte mecánica y los modos de vibración, posteriormente se estudian el acoplamiento electromecánico del sistema y finalmente el voltaje y potencia que este sistema puede entregar. Posteriormente, se desarrolló un montaje experimental que permitiese validar el modelo analítico. El experimento consiste en tres vigas piezoeléctricas unidas por resortes, las que son excitadas con un movimiento sinusoidal mediante un agitador electrodinámico. Se registra el voltaje generado por el sistema, el que es comparado posteriormente con las predicciones analíticas. Los resultados experimentales son cercanos a lo predicho por el modelo analítico, validando así el modelo propuesto. El modelo analítico muestra que se puede convertir más energía al conectar las vigas por resortes. Sin embargo, esto no se ve reflejado en los resultados experimentales, debido a pérdidas de energía asociadas a los resortes, las que inicialmente no son consideradas en el análisis. Sin embargo, para reducir estas pérdidas se puede mejorar el montaje experimental, lo cual queda propuesto para un trabajo futuro.