Dr. Xabier Eguiluz

Este trabajo de investigación se enmarca dentro del campo de los sistemas electrónicos de bajo consumo que utilizan tecnologías Energy Harvesting como fuente de alimentación. De entre todas las fuentes energéticas ambientales disponibles, se ha optado por la basada en vibración como una de las más versátiles y con mayor proyección hoy en día en este campo, ya que se basa en la velocidad de desplazamiento de una masa y en su energía cinética asociada. En particular, ha sido la tecnología piezoeléctrica la utilizada como transductor en este caso de estudio, debido a las mejores prestaciones que actualmente ofrece frente a sus tecnologías hermanas, la electromagnética y la electrostática.

Durante el proceso de diseño de un módulo de alimentación basado en este tipo de fuentes energéticas, y que normalmente debe atender a requisitos de muy bajo consumo, la eficiencia de cualquiera de las partes que forman dicho módulo cuenta. Los transductores siempre son el primero de los componentes, y por ello cualquier mejora en su eficiencia tiene un impacto mayor en el balance global. Este trabajo trata de mejorar la cantidad de energía que un transductor piezoeléctrico es capaz de dar ante la misma excitación mecánica, y lo hace pensando en mejorar los procesos de diseño de los módulos de alimentación, en los que es preferible basarse en el análisis previo de la señal de excitación en lugar de en largos y costosos procesos de experimentación.

Un transductor piezoeléctrico es de partida un componente comercial al que prácticamente solo se le puede modificar su frecuencia natural de resonancia. Dicho transductor proporciona una máxima tensión eléctrica si se le somete a una deformación cuya amplitud varíe a dicha frecuencia. Los trabajos realizados hasta el momento en el campo de diseño de transductores piezoeléctricos parten del hecho de que la fuente de esa deformación es una vibración mecánica constante, es decir, el espectro frecuencial de la aceleración del desplazamiento mecánico debido a esa vibración no varía a lo largo del tiempo. En base a esa premisa, el método tradicional de sintonización propone ajustar la frecuencia natural del transductor a la frecuencia de la señal de aceleración con amplitud máxima, considerando que la energía mecánica a dicha frecuencia será también máxima.

No obstante, muchas de las aplicaciones, en las que la tecnología piezoeléctrica puede ser la idónea para alimentar electrónica de bajo consumo, presentan ciclos temporales en los que la aceleración no es constante en el tiempo, por lo que la premisa anterior es replanteada mediante este trabajo de investigación. Se propone una mejora de la metodología de sintonización de transductores piezoeléctricos que optimice su eficiencia energética. Se parte de la hipótesis de que una señal de vibración no constante en el tiempo puede proporcionar una mayor energía eléctrica si la frecuencia de sintonización se escoge en base a un análisis del espectrograma de dicha señal. Este tipo de análisis no pierde la información temporal, al contrario que le sucede a la metodología actual, lo que permite tener un conocimiento cualitativo de la energía mecánica disponible en este tipo de señales.

La presente tesis es en esencia un exhaustivo trabajo de experimentación encaminado a demostrar la hipótesis planteada. Se parte de 5 señales de aceleración obtenidas en escenarios reales, las cuales son analizadas utilizando tanto el método actual como el propuesto en este trabajo. Cada método propone dos frecuencias de sintonización diferentes (FrFFT y FrSP respectivamente) para cada señal, por lo que se sintonizan 10 transductores piezoeléctricos y se obtiene la energía generada por cada uno de ellos.

El método de sintonización de transductores propuesto en esta tesis demuestra la hipótesis de que es posible aumentar la energía obtenida de una fuente de vibración no constante si a ésta se le aplica un análisis del espectrograma para la selección de la frecuencia natural del transductor.