Metodología de sintonización de transductores basados en vibración para la mejora de la eficiencia energética en sistemas energy harvesting

Resumen

Este trabajo de investigación se centra en los procesos de diseño de los módulos de alimentación basados en tecnologías electromecánicas que utilicen la vibración como fuente de energía. Cualquier proceso de diseño debe estar orientado a reducir las pérdidas de energía de los componentes que forman el módulo de alimentación, mejorando la eficiencia de la transferencia energética entre dichos componentes. Los transductores electromecánicos son el primer elemento que componen un módulo de alimentación, y por ello cualquier mejora en su eficiencia tiene un impacto mayor en el balance energético total. El diseño del transductor se basa en la sintonización de su frecuencia natural de vibración, ya que proporciona una máxima tensión eléctrica si se le somete a una deformación cuya amplitud varíe a dicha frecuencia. Los trabajos realizados hasta el momento en el campo de diseño de transductores electromecánicos parten del hecho de que la fuente de esa deformación es una vibración mecánica constante, es decir, el espectro frecuencial de la aceleración del desplazamiento mecánico debido a esa vibración no varía a lo largo del tiempo. En base a esa premisa, el método tradicional de sintonización propone ajustar la frecuencia natural del transductor electromecánico a la frecuencia de la señal de aceleración con amplitud máxima, considerando que la energía mecánica a dicha frecuencia será también máxima. No obstante, muchas de las aplicaciones en las que la tecnología electromecánica puede ser la idónea para alimentar electrónica de bajo consumo presentan ciclos temporales en los que la aceleración no es constante en el tiempo, por lo que la premisa anterior es replanteada mediante este trabajo de investigación. Se propone una mejora de la metodología de sintonización de transductores electromecánicos actual que optimice la eficiencia energética, ya que se parte de la hipótesis de que una señal de vibración no constante en el tiempo puede proporcionar una mayor energía eléctrica si la frecuencia de sintonización se escoge en base a un análisis espectrograma de dicha señal. Este tipo de análisis no pierde la información temporal, al contrario que le sucede a la metodología actual, lo que permite tener un conocimiento cualitativo de la energía mecánica disponible en este tipo de señales. La presente tesis es en esencia un exhaustivo trabajo de experimentación encaminado a demostrar la hipótesis planteada. Se parte de 5 señales de aceleración obtenidas en escenarios reales, las cuales son analizadas utilizando tanto el método actual como el propuesto en este trabajo. Cada método propone dos frecuencias de sintonización diferentes (FrFFT y FrSP respectivamente) para cada señal, por lo que se sintonizan 10 transductores piezoeléctricos y se obtiene la energía generada por cada uno de ellos. El método de sintonización de transductores propuesto en esta tesis demuestra la hipótesis de que es posible aumentar la energía obtenida de una fuente de vibración no constante si a ésta se le aplica un análisis de espectrograma para la selección de la frecuencia natural del transductor.