Modelización novedosa de dispositivos inteligentes de recolección energética
El propósito de la recolección energética es recuperar energía del entorno para alimentar dispositivos eléctricos sin utilizar suministro exterior. La idea principal tras los dispositivos inteligentes que se estudiaron en el marco del proyecto FSI-HARVEST (Numerical modelling of smart energy harvesting devices driven by flow-induced vibrations), financiado por la Unión Europea, radicaba en darle la vuelta a la meta tradicional de evitar una interacción potencialmente perjudicial entre estructuras y fluidos circundantes, y en su lugar aprovechar la energía fluidodinámica disponible. De esta manera, las fluctuaciones potencialmente dañinas se aprovecharían para proporcionar un suministro independiente a pequeños dispositivos eléctricos. Entre las aplicaciones posibles cabe destacar los sistemas microelectromecánicos, los sensores remotos de monitorización, o incluso los dispositivos médicos in vivo que dependen menos de los acumuladores locales y también precisan menos mantenimiento. Esta tecnología de conversión energética conjuga la interacción de una estructura con su fluido circundante, la carga acumulada en el material y un circuito eléctrico de control. Con el propósito de llegar a comprender las propiedades observables de estos dispositivos del futuro, y para poder aumentar su robustez y rendimiento, en el marco del proyecto FSI-HARVEST se desarrollaron modelos matemáticos de su sistema físico complejo y se investigaron técnicas numéricas concretas que permitiesen un análisis computacional sistemático y fiable. Se empleó el método de residuos ponderados para solucionar las ecuaciones diferenciales. Las soluciones aproximadas se obtuvieron mediante una variante del método de elementos finitos en el espacio y un método discontinuo de Galerkin para desarrollar la solución en el tiempo. Este modelo matemático altamente no lineal se soluciona por el método Newton-Raphson aplicado a todos los campos físicos implicados. Mediante análisis computacional se complementó esta labor y se validaron los modelo matemáticos. Se desarrolló un modelo en el dominio de la frecuencia único que proporciona un análisis holístico del circuito electromecánico y permite predecir, con una sola computación, los estados operativos óptimos de un montaje de recolección dado, con relación a la potencia generada. En general, el equipo del proyecto estudió configuraciones diferentes para comprobar los mecanismos de la excitación estructural y su interacción con el fluido circundante. Gracias a esta investigación numérica del sistema en su totalidad, las herramientas proporcionadas por el proyecto FSI-HARVEST permiten optimizar el diseño de estos recolectores energéticos inteligentes, basándose para ello en la potencia suministrada bajo condiciones exteriores variables.
Palabras clave
Recolección energética, herramientas computacionales, piezoeléctrico, energías renovables, FSI-HARVEST
