Disseny i caracterització d’un col·lector d’energia giratori amb piezoelèctrics d’excitació per vibració a l’observatori OBSEA

Abstract

L’OBSEA, observatori marí de la UPC, situat a una distància de 4 km de la costa de Vilanova i la Geltrú i a una profunditat de 20 m, porta a terme diferents projectes relacionats amb l’estudi de la flora i la fauna del mar Mediterrani, en ell podem trobar diferents aparells electrònics alimentats a través de la xarxa elèctrica, mitjançant un cable mixt de fibra òptica i energia que el connecta a l’estació de terra. Aquest sistema ha estat òptim durant el últims projectes, portats a terme en l’OBSEA, al no requerir la col·locació de diferents sensors a diversos punts, fet que dificultaria la instal·lació del cablejat. En els darrers anys, ha crescut l’interès vers el potencial energètic que tenen les onades marines per a obtenir energia elèctrica, obrint nombroses investigacions en aquest camp, tant a nivell macroenergètic com a microenergètic, totes aquestes investigacions tenen un fons comú que és aprofitar l’energia mecànica del va i ve de les onades per extreure potències màximes productives. Però tot i existir materials i eines per a la transformació d’energia mecànica en baixa potència, la principal limitació dels últims estudis ha estat no poder arribar als objectius marcats com a necessaris per a la viabilitat dels dissenys, doncs per alimentar un sensor qualsevol cal una potència mínima de 50 μW en estat latent i 10 mW en estat actiu . Amb la fi de solucionar aquesta problemàtica, en aquest projecte final de grau és dissenyarà un pèndul, basat en el cilindre Bristol [1], capaç d’allotjar en ell diferents pues per a crear un seguit d’impactes sobre l’extrem d’un piezoelèctric, i generar d’aquesta manera energia elèctrica. L’idea és que amb aquest disseny i els posteriors estudis fets sobre un prototip es pugui alimentar els diferents sensors inalàmbrics que es volen instal·lar en el fons marí de la costa de Vilanova i la Geltrú, al voltant del OBSEA. Reduint d’aquesta manera el cablejat elèctric, l’ús de bateries, i el costos de manteniment que suposaria. L’estudi s’ha fet amb un simulador d’oscil·lacions –taula vibratòria-, que s’ha graduat segons l’amplitud i la freqüència d’ona extretes després de fer diverses simulacions amb ORCAFLEX, programari d’anàlisi del comportament dinàmic de sistemes marins. S’ha comprovat com es comporta el pèndul quan aquest està sotmès a freqüències de 300 mHz i amplituds variables entre 50 mV i 450 mV. Tenint en compte que els sensors que es volen alimentar requeriran d’un consum mitjà de 50 μW en estat latent, i de 10 mW durant un temps d’1 ms, els resultats obtinguts es poden considerar prou bons, doncs ens han permès extreure amb un únic piezoelèctric potències màximes properes a 140,072 μW, (considerant el moviment d’un sistema amb un únic piezoelèctric).Aquesta primera part només té en compte els resultats extrets d’un únic piezoelèctric, però cal dir que el treball conclou amb un estudi on es fa participar un total de sis piezoelèctrics, amb l’objectiu de comprovar el tipus de connexió òptima i la potència que pot generar. Aquest darrer estudi es considera un precedent per recerques que s’ha de realitzar amb posterioritat, fent ús d’un primer prototipus del que seria el sistema d’Energy Harvesting, i que queda fora de l’abast del present projecte.