Estudio de un sistema de transformación de energía de vibración en energía eléctrica

Avello Escribano, Óscar (2016). Estudio de un sistema de transformación de energía de vibración en energía eléctrica. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Estudio de un sistema de transformación de energía de vibración en energía eléctrica
Author/s:
  • Avello Escribano, Óscar
Contributor/s:
  • Muñoz Sanz, José Luis
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: September 2016
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Mecánica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En este trabajo se estudia una nueva forma de generar energía eléctrica utilizando la energía presente en las vibraciones de la materia. Éstas constituyen una gran fuente de energía que a menudo se tiende a desaprovechar, pero que sin embargo con la tecnología de hoy en día pueden transformarse en una fuente alternativa de energía limpia. El proceso de transformación de energía mecánica en energía eléctrica tiene lugar en un condensador tipo plano de capacidad variable. Suponiendo que las vibraciones provocasen el desplazamiento de las placas del condensador en cuestión, su capacidad se vería modificada puesto que ésta depende, entre otras cosas, de la distancia que existe entre las placas del condensador. Como la carga no varía, la variación de capacidad provoca una variación de la diferencia de potencial que hay entre las placas del condensador: en otras palabras, la energía del condensador varía. Con el fin de estudiar más en detalle la respuesta del circuito frente a las oscilaciones de la capacidad del condensador C1, se utiliza el programa de simulación de circuitos eléctricos PSpice. Gracias a este programa se ha podido verificar en primer lugar que la elección del diodo es importante para una correcta respuesta del circuito. Hay ciertos diodos que trabajan mejor en un rango determinado de frecuencias que otros. Puesto que se trabaja con vibraciones, la frecuencia a la cual oscila el circuito juega un rol fundamental y por tanto la elección de los diodos también. A continuación, se ha analizado la influencia del resto de parámetros del circuito en la respuesta final, y más en particular, en la tensión del condensador C2 puesto que ahí se almacena la energía generada. Los parámetros que pueden afectar a la respuesta final y que se han analizado son los siguientes: - Capacidad del condensador de almacenamiento C2 - Orden de magnitud de la capacidad del condensador variable C1 (puesto que no es constante) - Amplitud de la variación de la capacidad del condensador C1 - Tensión de la fuente de alimentación V0 - Frecuencia de oscilación del circuito Del mismo modo, se han realizado los mismos análisis en el caso de que se añada una resistencia de carga en paralelo con el condensador de almacenamiento C2 y que fuese consumiendo parte de la energía generada. De igual manera se alcanza un régimen estacionario aunque en el caso en el que hay una carga la tensión final en el condensador C2 es menor que en el caso en lo que no hay carga. Cuanto mayor sea el valor de la resistencia, mayor será la tensión final. Además, ahora todos los parámetros del circuito pasan a tener una influencia directa sobre la tensión del condensador de almacenamiento C2 y por tanto un correcto dimensionamiento del circuito se hace más importante según el dispositivo que se quiera alimentar. También se ha podido demostrar con las simulaciones que la energía que se almacena en el condensador C2 proviene en efecto del condensador variable C1 y no de la fuente de alimentación como se podría llegar a pensar. Para ello, se ha sustituido dicha fuente de tensión por un condensador C3 inicialmente cargado. Los resultados indican que el condensador C3 no se descarga mientras el condensador C2 se va cargando, demostrando que realmente se está generando energía eléctrica y no es simplemente un trasvase de carga de un condensador a otro. Sin embargo, también se ha de destacar que la capacidad del condensador C3 influye en la tensión final obtenida en el condensador de almacenamiento. Aunque cuanto mayor sea su capacidad, más se parecerá el resultado al obtenido en el caso ‘ideal’ en el que se disponía de una fuente de alimentación. Por último, se ha conseguido verificar que este sistema permite generar fácilmente potencias del orden del microvatio por lo menos. Tras haber analizado de forma analítica y mediante simulaciones la respuesta del circuito, se ha construido un prototipo de condensador variable con el que poder verificar de forma algo más empírica los resultados obtenidos. Su confección se ha realizado de manera a obtener grandes variaciones de capacidad que permitan obtener mejores resultados. Sin embargo, el condensador se ha construido con materiales de baja calidad y que se pueden encontrar en el día a día (gomaespuma, celo, placas de madera y cinta adhesiva de aluminio) por lo que los resultados obtenidos están lejos de lo que se podría obtener con un sistema optimizado. Para probar el condensador se ha construido el circuito teórico escogiendo de forma adecuada los componentes para poder obtener resultados medianamente satisfactorios. Con la ayuda de un osciloscopio, se ha conseguido medir la tensión en el condensador de almacenamiento C2 tras un cierto número de repeticiones. Las mediciones obtenidas se han comparado con los resultados obtenidos gracias a las simulaciones en PSpice y se ha observado que eran coherentes. Con la ayuda de un osciloscopio, se ha conseguido medir la tensión en el condensador de almacenamiento C2 tras un cierto número de repeticiones. Las mediciones obtenidas se han comparado con los resultados obtenidos gracias a las simulaciones en PSpice y se ha observado que eran coherentes. Además, se ha conseguido generar potencias cercanas a los 2 microvatios. Teniendo en cuenta lo rudimentario que es el condensador construido, se puede considerar como satisfactorio el resultado. Se puede deducir fácilmente que con la tecnología de hoy en día se podría construir un sistema que generase potencias de cientos de microvatios que podrían alimentar una gran cantidad de dispositivos inalámbricos por ejemplo. Por tanto, se ha conseguido demostrar con este trabajo que se puede transformar la energía de las vibraciones en energía eléctrica utilizando este circuito. Con una correcta optimización y dimensionamiento del sistema se podría generar la suficiente potencia como para alimentar indefinidamente muchos dispositivos que utilizan baterías que se descargan al cabo de un tiempo.

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Item ID: 43131
DC Identifier: http://oa.upm.es/43131/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:43131
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 23 Sep 2016 07:18
Last Modified: 11 Oct 2016 15:32
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