Diseño e implementación de recuperadores de energía en vehículos de transporte

Abstract

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.