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Obtenga más información sobre la recolección de energía por vibración como fuente de energía para sistemas electrónicos.

Cada tecnología de recolección de energía tiene sus ventajas y desventajas, y la recolección de energía por vibración energética no es una excepción.

Una de las ventajas es que las vibraciones están en casi todas partes: en un automóvil, en un tren, en un avión, en una bicicleta, en una lavadora, en el rotor de un generador eólico, en un puente, en esquís, en funiculares, en un volcán, etc.

Por supuesto, estas vibraciones difieren entre sí por la distribución de frecuencia y por la magnitud. Pero los recolectores de energía adecuados pueden diseñarse para acoplarse con diferentes fuentes.

Un buen acoplamiento es fundamental porque aumenta la cantidad de energía transferida desde el medio ambiente al transductor. Esto significa que la impedancia mecánica del sistema debe coincidir con la de la fuente.

En este artículo, hablaremos sobre los conceptos básicos de la recolección de energía por vibración y veremos diferentes tipos de recolectores de energía.

Los fundamentos de la conversión de vibración a electricidad

Comencemos con algo que todos conocen, la dinamo, que es un ejemplo de un generador electromagnético. En una dinamo, un imán se mueve dentro de una bobina para producir electricidad según lo establecido por la ley de Faraday y Lenz:

$$ epsilon = frac {d omega} {dt} $$

donde $$ epsilon $$ es la fuerza electromotriz y $$ frac {d omega} {dt} $$ representa el cambio del flujo magnético con respecto al tiempo.

Pero, ¿podemos considerar una dinamo como un recolector de energía?

¡Depende! Es un recolector de energía si usamos la dinamo para convertir la energía eólica, pero es un simple convertidor (o ladrón de energía) cuando lo acoplamos con la rueda de una bicicleta.

Estas líneas deberían ayudar a comprender que un recolector de energía vibratoria se basa en el movimiento relativo de dos partes: la fuente de energía y el transductor.

El modelo básico de una cosechadora de energía vibratoria

La siguiente figura muestra un modelo muy básico de un recolector de energía por vibración.

Para ser válido en este modelo, la masa de la fuente de vibración debe ser de un orden de magnitud mayor que la masa del recolector de energía; El impacto del último en la dinámica del primero no puede ser descuidado.

En este modelo, el movimiento de la fuente se transfiere a una masa en movimiento, es decir, la masa del recolector de energía. Una parte de la energía se disipa (por fricción, etc.) y se produce algo de calor. Una parte de la energía de entrada se almacena debido a las propiedades elásticas de las partes mecánicas (aquí representadas por el resorte) y se libera cuando se invierte la dirección del movimiento. La energía restante se convierte en electricidad.

Es trivial comprender que la eficiencia siempre es inferior a 1.

De la ecuación que describe la dinámica del sistema, sabemos que el voltaje de salida del generador es proporcional a la velocidad del desplazamiento. También sabemos que el voltaje de salida es AC.

Cosechadoras de energía piezoeléctrica

Los recolectores de energía piezoeléctrica utilizan un cristal piezoeléctrico para producir electricidad. En un cristal piezoeléctrico en equilibrio, las cargas se distribuyen homogéneamente en su volumen. Cuando se aplica una fuerza externa y se induce tensión en la estructura, esta distribución cambia y las cargas comienzan a moverse en un esfuerzo por restablecer el equilibrio.

Se pueden inducir diferentes tipos de estrés:

• Flexión
• Torsión
• Compresión
• Expansión
• Una combinación de estos

Cada vez que cambia la distribución de cargas, se puede medir una fuerza electromotriz y una corriente puede fluir hacia una carga.

En la siguiente imagen se muestra una forma muy común de inducir la flexión en un piezoeléctrico. Una excitación vertical induce una flexión en el haz piezoeléctrico debido a la inercia de la masa.

Cosechadoras de energía electromagnética

Las cosechadoras de energía electromagnética son similares a las cosechadoras piezoeléctricas en el sentido de que todavía se usa una masa para oponerse a la excitación, pero el material piezoeléctrico se reemplaza por un imán y una bobina.

En general, el imán es de soporte mecánico (libre de moverse) con el cuerpo móvil (o fuente de energía) mientras la bobina está fijada a la estructura del generador: lo importante es tener un movimiento relativo entre los dos, como se muestra en el siguiente foto.

En lugar de usar partes móviles, la bobina se puede enrollar directamente sobre un material magnetoestrictivo. Este material es magnético y tiene una propiedad en la que su campo magnético cambia cuando se deforma. Esto luego cambia el flujo magnético del material.

Cosechadoras de energía electrostática

Otra forma importante de convertir la energía cinética en electricidad está representada por la recolección de energía electrostática. Este tipo de generador generalmente usa vibraciones mecánicas para cambiar la distancia entre las placas de un condensador o su superficie.

Uno de los problemas con esta tecnología es que el condensador tiene que estar precargado o no se puede producir electricidad. Una forma de resolver este problema es usar un material dieléctrico con una distribución espacial particular de cargas para crear un voltaje entre las placas del condensador, incluso sin el uso de un voltaje de polarización externo: estos son los electrets.

Definiendo el concepto de linealidad

Para comprender las propiedades dinámicas de un recolector de energía, es importante centrar la atención en la cantidad U (x), es decir, la energía potencial relacionada con el desplazamiento x.

La forma matemática de esta función es consecuencia de la geometría y de la dinámica de la cosechadora de vibraciones.

Linealidad y Resonancia

Como ya hemos discutido, uno de los modelos más comunes de un recolector de energía es la llamada configuración en voladizo. En el caso de flexión pequeña, la energía potencial crece con el cuadrado de la flexión y la fuerza de reacción de la viga es proporcional a la flexión.

Esto se puede describir bien cuando se considera el péndulo de Galileo: la flexión está representada por el desplazamiento de la masa desde la posición vertical. La acción de la gravedad es la fuerza restauradora que actúa sobre la masa del péndulo m.

$$ F = -mg sin sin frac {x} {t} $$

dónde sol es la aceleración de la gravedad X es el desplazamiento y l La longitud del péndulo.

Para movimientos pequeños desde la posición vertical (es decir, flexión pequeña) la siguiente aproximación es válida.

$$ sin sin frac {x} {t} cong frac {x} {t} rightarrow F = – mg frac {x} {t} = – kx $$

Esto significa que la fuerza es linealmente proporcional al desplazamiento y la función potencial del sistema se puede escribir como $$ U (x) = frac {1} {2} kx ^ {2} $$ (potencial armónico).

Un sistema como este se llama oscilador lineal y exhibe una frecuencia de resonancia. Cuando se aplica una fuerza externa periódica a la frecuencia de resonancia al sistema, su respuesta a la excitación es un desplazamiento de amplitud máxima (y, por lo tanto, la conversión de energía se maximiza).

La respuesta de frecuencia de una cosechadora de energía vibratoria

La respuesta de frecuencia describe cómo un sistema reacciona a una señal armónica a diferentes frecuencias y generalmente se representa con un gráfico. Las frecuencias se colocan en el eje horizontal mientras que la amplitud de la respuesta en el vertical. Generalmente, la amplitud de respuesta puede representarse en escala logarítmica.

Tal diagrama es la herramienta básica para el diseño, análisis y comprensión de sistemas dinámicos. Se puede obtener fácilmente aplicando una vibración sinusoidal a la cosechadora (por medio de un agitador) y midiendo su voltaje o potencia de salida. Esta operación debe repetirse para un conjunto de frecuencias para cubrir una banda de frecuencia completa y mantener constante la amplitud de la excitación. El número de puntos en el eje de frecuencia debe ser suficiente para obtener una gráfica detallada.

Un sistema lineal es muy fácil de investigar porque su respuesta será fuerte a la frecuencia de resonancia, mientras que la respuesta será mucho más pequeña a medida que se aleje de ella. Una vez que se ha encontrado la frecuencia de resonancia y la amplitud relativa, se puede evaluar el ancho de banda del sistema buscando los puntos donde la respuesta decae de 3 dB (70.7% de la amplitud o 50% de la potencia).

Conociendo la frecuencia de resonancia y el ancho de banda, es posible obtener el factor Q (factor de calidad) del sistema: cuanto menores son las pérdidas, menor es el ancho de banda.

Para un sistema lineal, la respuesta de frecuencia está bien representada por una curva gaussiana como se muestra a continuación.

"Potencia de salida en función de la frecuencia de vibración". Parcela utilizada por cortesía de Comsol.

Para los sistemas no lineales no es posible definir una respuesta de frecuencia porque el principio de superposición no es válido: generalmente, para estos sistemas, se proporciona una descripción estadística.

La recolección de energía por vibración es un método importante de recolección de energía, especialmente a medida que los sistemas de sensores conectados se vuelven más populares. Si está buscando alimentar un sistema en el que será difícil llevar a cabo el mantenimiento pero que se coloca en un lugar lleno de energía cinética, ¡la recolección de energía por vibración puede ser una opción!

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¿Le gustaría aprender más sobre los diferentes tipos de recolectores de energía? ¿Le sería útil aprender más sobre casos de uso para diferentes formas de recolección de energía? ¡Comparte tus pensamientos en los comentarios a continuación!