Sistemas electromecánicos piezoeléctricos para la recolección ecológica de energía

Abstract

In the last few years, environmental mentality has changed in the society. The increased energy demand; and climate change challenges have favored a significant rise in research for energy harvesting. The goal of these researches is to harvest environmental energy that usually is lost. Consequently, the energy harvesting from environmental sources is projected as one of the fastest growing technologies of this century. This project focuses on energy harvesting from mechanical vibration sources. It delves into the mechanical energy harvesting and the blocks that form those systems. The electromechanic piezoelectric transducers are used to develop the mechanical energy harvesting devices that allow the conversion from mechanical energy to electrical energy. The lack of theoretical models predicting the electrical behavior of these transducers has raised the need to study these systems empirically by developing prototypes. An experimental setup that allows comparison between different prototypes for a set of low frequency mechanical stimulus has been performed in this work in order to characterize the transducers. Besides, the different stages that form the whole energy harvesting system have also been studied and implemented. These stages allow improving the efficiency to power other devices from the electrical energy generated by the transducer. A commercial device has been evaluated in order to study its potential use in energy harvesting systems. As proof of concept, an autonomous system that harvests mechanical energy and powered a radio frequency transmitter has been developed.

En los últimos años la mentalidad de la sociedad ha cambiado respecto al medio ambiente. El incremento de la demanda energética unido al cambio climático ha propiciado un notable incremento de líneas de investigación que tienen como objetivo aprovechar la energía ambiental a pequeña escala. En este sentido, la recolección de energía proveniente de fuentes ambientales se prevé como una de las tecnologías con mayor expansión en los próximos años. De las posibles energías que existen en nuestro entorno, este proyecto se centra en la recolección de energía procedente de fuentes mecánicas de vibración. Se profundiza en el entendimiento de los sistemas de recolección de energía mecánica y en los distintos bloques que necesariamente han de formar parte del sistema. La recolección de energía se realiza a partir de dispositivos piezoeléctricos de transducción electromecánica encargados de realizar la conversión de energía mecánica a energía eléctrica. La falta de modelos teóricos que permitan predecir el comportamiento eléctrico de estos transductores bajo condiciones reales de uso ha planteado la necesidad de estudiar estos sistemas de forma empírica mediante el desarrollo de prototipos. Con el objetivo de identificar las prestaciones de los distintos transductores, se diseña un montaje experimental que permite realizar una comparativa entre distintos sistemas para un conjunto de estímulos mecánicos de baja frecuencia. Una vez caracterizados los transductores, se estudian e implementan algunas etapas acondicionadoras que permiten alimentar una carga de manera óptima y eficiente a partir de la energía generada por el transductor. Se opta por una solución comercial que es caracterizada en profundidad con el objetivo de evaluar su potencial en sistemas de recolección de energía. Uno de los objetivos de la recolección de energía ambiental consiste en alimentar dispositivos electrónicos de bajo consumo. Por ello, en este proyecto, como prueba de concepto, se implementa una aplicación práctica que usa la energía mecánica recolectada para alimentar de forma autónoma un transmisor de radio frecuencia perteneciente a una red de sensores inalámbricos. Se demuestra que la energía que recibe el transmisor de la fuente mecánica vibrante es suficiente como para enviar la temperatura ambiental a un receptor o dispositivo final.

En els últims anys la mentalitat de la societat ha canviat respecte al medi ambient. L'increment de la demanda energètica unit al canvi climàtic ha propiciat un notable increment de línies de recerca que tenen com a objectiu aprofitar l'energia ambiental a petita escala. En aquest sentit, la recol·lecció d'energia provinent de fonts ambientals es preveu com una de les tecnologies amb major expansió en els propers anys. De les possibles energies que existeixen en el nostre entorn, aquest projecte se centra en la recol·lecció d'energia procedent de fonts mecàniques de vibració. S'aprofundeix en l'enteniment dels sistemes de recol·lecció d'energia mecànica i en els diferents blocs que necessàriament han de formar part del sistema. La recol·lecció d'energia es realitza a partir de dispositius piezoelèctrics de transducció electromecànica encarregats de realitzar la conversió d'energia mecànica a energia elèctrica. La falta de models teòrics que permetin predir el comportament elèctric d'aquests transductors sota condicions reals d'ús ha plantejat la necessitat d'estudiar aquests sistemes de forma empírica mitjançant el desenvolupament de prototips. Amb l'objectiu d'identificar les prestacions dels diferents transductors, es dissenya un muntatge experimental que permet realitzar una comparativa entre diferents sistemes per a un conjunt d'estímuls mecànics de baixa freqüència. Una vegada caracteritzats els transductors, s'estudien i implementen algunes etapes d’acondicionament que permeten alimentar una càrrega de manera òptima i eficient a partir de l'energia generada pel transductor. S'opta per una solució comercial que és caracteritzada en profunditat amb l'objectiu d'avaluar el seu potencial en sistemes de recol·lecció d'energia. Un dels objectius de la recol·lecció d'energia ambiental consisteix a alimentar dispositius electrònics de baix consum. Per això, en aquest projecte, com a prova de concepte, s'implementa una aplicació pràctica que usa l'energia mecànica recol·lectada per alimentar de forma autònoma un transmissor de ràdio freqüència pertanyent a una xarxa de sensors sense fils. Es demostra que l'energia que rep el transmissor de la font mecànica de vibració és suficient com per enviar la temperatura ambiental a un receptor o dispositiu final.