En un vehículo de transporte de pasajeros convencional, sólo un porcentaje
muy bajo del combustible, entre el 10 y el 16%, se utiliza para la marcha del mismo
mientras que el resto es energía disipada en los frenos, transmisión, motor,
accesorios, resistencia a la rodadura, arrastre aerodinámico y ralentí. De todas estas
pérdidas, la de mayor magnitud es la del motor (aproximadamente el 63%), la cual
en gran medida se pierde en forma de vibración.
El propósito de esta tesis, por lo tanto, se centra en el diseño y fabricación de
un dispositivo recuperador piezoeléctrico multimodal capaz de recuperar
parcialmente la energía que se pierde en la vibración del motor. Esta energía
vibratoria disponible está caracterizada por un gran número de ondas mecánicas de
diferente magnitud y frecuencia que se excitan para cada velocidad de giro del
motor. El diseño se basa en una viga piezoeléctrica compuesta y dos sistemas
dinámicos masa-resorte en sus extremos, cuya respuesta dinámica se calcula a
partir del desarrollo de un modelo analítico que contempla aspectos distintivos
como acoplamiento electromecánico, relaciones constitutivas no lineales, disipación
de energía, magnitud de la carga eléctrica, etc.
Mediante una apropiada reducción del modelo analítico se identifican los
parámetros no lineales correspondientes al modelo. Posteriormente, se fabrican y
ensayan cuatro dispositivos, evaluándose el voltaje y la potencia eléctrica dados por
el modelo sobre una resistencia de carga. Los resultados obtenidos son validados
por los experimentos.
En el proceso de optimización del dispositivo de mayor potencia se propone
una función objetivo que contempla las características de frecuencia y aceleración
variables de la excitación, obteniéndose un dispositivo final superior a los originales,
con valores de potencia eléctrica significativos. Finalmente, se realiza la
implementación en un escenario real sobre el vehículo, donde se realizan dos
recorridos urbanos diferentes para el sensado de temperatura a partir de la
alimentación del dispositivo recuperador optimizado. / In a conventional transport vehicle, only about 10 to 16% of the energy from
the fuel is used to move it down the road. The rest of the energy is lost in the brakes,
transmission, engine, accessories, rolling resistance, aerodynamic drag and idle
losses. Among all of these, the largest loss is the energy lost in the engine
(approximately 63%), which is mostly wasted as vibration.
The purpose of this thesis is the design and fabrication of a multimodal
piezoelectric energy harvesting device capable of recovering that lost energy. The
available vibratory energy is characterized by a large number of mechanical waves
of different magnitudes and frequencies which are excited for each speed of the
engine. The harvesting device is based on a composite piezoelectric beam with two
mass-spring systems at its ends. A one-dimensional analytical model is developed to
analyze the dynamic response. Among the distinctive aspects contemplated in the
model are: electromechanical coupling, nonlinear constitutive relations, energy
dissipation, magnitude of the electric load, etc.
By means of an appropriate reduction of the analytical model, the nonlinear
parameters corresponding to the model are identified. Subsequently, four devices
are fabricated and tested to evaluate the voltage and electrical power over an
electrical load, calculated with the analytical model. The results are then validated
by the experiments.
An optimization process is applied to the device of maximum mean energy by
means of the method of genetic algorithms. In order to take into account the
principal characteristics of the excitation (variable frequency and acceleration) a
proper objective function is proposed. The final device obtained is greatly improved
and obtaining a very improvement final device to the original. Significant values of
the electrical power are obtained. Finally, the implementation is carried out in a real
scenario on the vehicle with considering two different routes trajectories for
temperatures measure, from the feeding of using the optimized harvester device as
power supply.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.edu.ar/oai:repositorio.bc.uns.edu.ar:123456789/4517 |
| Date | 26 March 2019 |
| Creators | Gatti, Claudio David |
| Contributors | Machado, Sebastián Pablo, Febbo, Mariano |
| Publisher | Universidad Nacional del Sur |
| Source Sets | Universidad Nacional del Sur |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
| Rights | 2 |
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