Piezoelectric Energy Harvesting Devices (PEHDs) for the Development of Selfpowered Structural Health Monitoring Systems

Resumen

La idea fundamental que guía el trabajo presentado en esta tesis es la recolección de energía de las vibraciones estructurales para el desarrollo de sensores autónomos aplicados a la monitorización continua de estructuras civiles. La demanda energética de los sistema de monitorización se ha resuelto típicamente mediante la instalación de sensores conectados a la red eléctrica, lo cual supone un coste medioambiental y económico adicional difícil de mantener a largo plazo. Además, la ubicación remota de muchas estructuras hace inviable la conexión al suministro eléctrico. La novedad de esta propuesta es el autoabastecimiento de los sensores empleando un sistema de captación de energía totalmente limpio que utiliza las vibraciones de las estructuras para generarla. Esta generación de energía se lleva a cabo mediante el mecanismo de conversión de energía piezoeléctrica. A lo largo de los últimos años, se han presentado en la literatura diversos diseños para los dispositivos de recoleccion, siendo la viga cantilever con una/dos capas de material piezoeléctrico (configuraciones unimorfa/bimorfa) la más analizada. Opcionalmente, se coloca una masa en el extremo libre para modificar la frecuencia de resonancia hasta un valor deseado (habitualmente la propia frecuencia natural de la estructura huésped) y/o amplificar el efecto piezoeléctrico. Esta tesis aborda el estudio de dispositivos piezoeléctricos de captación de energía con un doble enfoque. Por un lado, se plantea la modelización numérica de vigas compuestas como las que constituyen estos dispositivos. Para ello, se ha desarrollado y validado una nueva formulación basada en el método Proper Generalized Decomposition para resolver el problema de vibración forzada en vigas laminadas bidimensionales con capas piezoeléctricas. Se considera una descripción espacio-frecuencia del problema dinámico y la separación de variables del dominio espacial. El resultado es una solución 2D en el dominio de la frecuencia con una complejidad computacional 1D. Por otro lado, más orientado a la práctica, se analiza la viabilidad de un sistema piezoeléctrico de captación de energía basado en vibraciones aplicado en un puente de una autovía sito en Palma del Río, Córdoba (Spain). Para evaluar la potencia disponible a partir de vibraciones reales se plantea una nueva formulacion semi-analítica basada en las vibraciones inducidas por el tráfico. Se han considerado dos situaciones diferentes de las que se extraen conclusiones sobre la evaluación de la potencia generada: i) registros de vibraciones con el puente abierto al tráfico regular, ii) vibraciones ambientales con el puente cerrado al tráfico.