Ultra low-frequency energy harvester for SHM sensors in wind turbines
En este proyecto de tesis multidisciplinar, proponemos el diseño completo, la implementación y la caracterización experimental de una familia de dispositivos de captación de energía residual para alimentar nodos sensores autónomos que monitorizan la salud estructural de los aerogeneradores. Presenta...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2024 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad Pública de Navarra |
| Repositorio: | Academica-e. Repositorio Institucional de la Universidad Pública de Navarra |
| OAI Identifier: | oai:academica-e.unavarra.es:2454/52436 |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/2454/52436 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Captadores de energía residual Monitorización de salud estructural Torres eólicas Sensores autónomos Conversión de vibración en electricidad Ultra baja frecuencia Modelado e identificación de parámetros Elevadores-convertidores CACC de tensión ultra baja Energy harvesting Structural health monitoring Wind turbines Autonomous sensors Vibration to electrical energy conversion Ultra-low frequency Parameters modeling and identification Ultra-low voltage AC-DC boosters-converters |
| Sumario: | En este proyecto de tesis multidisciplinar, proponemos el diseño completo, la implementación y la caracterización experimental de una familia de dispositivos de captación de energía residual para alimentar nodos sensores autónomos que monitorizan la salud estructural de los aerogeneradores. Presentamos soluciones innovadoras para aprovechar la energía de las vibraciones inherentes a estas estructuras y convertirlas posteriormente en energía eléctrica utilizable. Para ello se utilizan elementos mecánicos que captan el movimiento vibratorio, componentes electromagnéticos para su transducción a energía eléctrica aprovechable así como circuitos electrónicos para el acondicionamiento de la señal. Las especificaciones propuestas incluyen la funcionalidad con excitaciones en cualquier dirección del plano horizontal, pequeñas aceleraciones por debajo de 0, 1 g y frecuencias muy bajas por debajo de 1Hz. Los dispositivos deben ser compactos para facilitar su manejo y colocación. Para predecir con exactitud el funcionamiento en condiciones de excitación arbitrarias, hemos desarrollado dos modelos matemáticos de interacción electromecánica. El primero es un modelo físico basado en ecuaciones diferenciales que describen el movimiento mecánico bajo las excitaciones previstas y la interacción elástica en términos de un modelo magnético dipolar. La amortiguación se supone viscosa y los parámetros básicos del modelo se ajustan empíricamente. El segundo enfoque de modelización se basa en datos y considera la interacción electromagnética entre imanes y bobinas en movimiento. La amortiguación se modela con mayor precisión distinguiendo entre amortiguación por fricción y electromagnética. Para evaluar los parámetros asociados junto con otros parámetros no físicos en juego, se presenta un procedimiento de identificación. Ha sido necesario diseñar e implementar un montaje experimental ad-hoc, descrito en la tesis, capaz de medir todas las magnitudes necesarias para una correcta identificación. Dadas las particularidades de los captadores de baja frecuencia propuestos, se necesitan soluciones específicas para convertir la energía eléctrica generada en corriente continua utilizable por los nodos sensores. Presentamos dos novedosos elevadores/convertidores AC-DC capaces de operar con tensiones de entrada muy bajas (decenas de milivoltios) y con cualquier polaridad. Se basan en osciladores clásicos modificados para adaptarse a la aplicación. Los harvesters descritos en esta tesis se han caracterizado a fondo experimentalmente en el laboratorio y uno de ellos se está probando sobre el terreno en la góndola de un aerogenerador. Un análisis comparativo de nuestros harvesters con respecto a los pocos que trabajan en condiciones similares, revela un comportamiento muy competitivo. Sin embargo, la potencia generada en la prueba de campo es demasiado baja para alcanzar el objetivo de alimentar un nodo sensor. |
|---|