Diseño y caracterización de un prototipo para cosecha de energía de baja potencia basado en el fenómeno piezoeléctrico

Abstract

En este trabajo se diseña y construye un prototipo de cosechador de energía experimental que tiene la capacidad de transformar las vibraciones mecánicas en energía eléctrica utilizable. Consiste en un disco piezoeléctrico con una masa puntual adicionada de forma tal de promover deformaciones elásticas cuando el disco es sometido a aceleraciones transversales a su superficie. La construcción del dispositivo permite que las vibraciones mecánicas exciten el desplazamiento transversal del disco y promuevan la aparición de cargas eléctricas en los electrodos. Estas últimas, conforman una corriente que fluye a través de una resistencia de carga, lo que implica una conversión de energía eléctrica en calor. A su vez, se busca describir y predecir el comportamiento dinámico de dicho prototipo, a partir de proponer un modelo matemático y realizar una búsqueda exhaustiva para encontrar los parámetros principales que lo conforman a través de diferentes ensayos experimentales satisfactorios con los resultados esperados. El modelo predice correctamente el desplazamiento de la frecuencia de resonancia, en respuesta a cambios en la masa y en la resistencia de carga. El prototipo con una masa de 52,5[g] es capaz de entregar una potencia máxima de 5[mW] cuando es excitado con una aceleración sinusoidal de 1 [m/s2] a 136[Hz].

In this work, a prototype experimental energy harvester is designed and built which has the ability to transform mechanical vibrations into usable electrical energy. It consists of a piezoelectric disc with a point mass added in a way that promotes elastic deformations when the surface of the disc is subjected to transverse accelerations. The construction of the device allows mechanical vibrations to prompt the transverse displacement of the disc and promote the appearance of electrical charges on the electrodes. The latter make up a current that flows through a load resistance, which implies a conversion of electrical energy into heat. At the same time, it is seeked to describe and predict the dynamic behavior of the prototype by proposing a mathematical model and carrying out an exhaustive search to find out the main parameters that make it up through different satisfactory experimental tests with the expected results. The model predicts correctly the resonant frequency shift in answer to changes in mass and load resistance. The prototype with a mass of 52,5[g] is capable of delivering a maximum power of 5[mW] when it is prompted by a sinusoidal acceleration of 1 [m/s2] at 136[Hz].