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Diseño e implementación de un convertidor electromagnético de péndulo para el

aprovechamiento de energía undimotriz. Robbin Lau Pereda

Trabajo Final de Grado de Mecánica. Departamento de Mecánica de Fluidos. Escuela Politécnica Superior de Ingeniería de Vilanova i la Geltrú, EPSEVG.

RESUMEN. Este proyecto recoge los pasos establecidos para realizar el diseño y la realización de un captador de energía electromagnética capaz de generar energía a partir de movimientos de baja frecuencia presentes en el medio marino. Está constituido por una placa con ocho imanes que gira alrededor de un eje vertical debido al movimiento de las olas. Debajo de los imanes, en la parte inferior de otra placa que se mantiene fija, se ha instalado un mismo número de bobinas. El proyecto recoge los conocimientos teóricos para entender este fenómeno y el proceso que se ha seguido para realizar el diseño de un captador y las experimentaciones que se han realizado para la optimización de dicho diseño. Se realizó un primer estudio experimental donde se introdujo el prototipo en el interior de un tanque de agua y mediante una bomba programable se simuló el movimiento de una boya situada en la costa de Vilanova y la Geltrú en condiciones normales del mar, sobre la que se piensa podría ir colocado el captador para alimentar algún sensor inalámbrico situado en la misma boya. Durante esta primera parte de la experimentación se obtuvieron resultados directos de las secciones de las bobinas en el osciloscopio y se observó qué conexión entre bobinas presentaba la mayor eficacia. Una vez establecida la conexión entre bobinas, los contrapesos idóneos para favorecer el movimiento, y las corrientes más optimas para el captador, se observo que el captador presentaba un buen movimiento para generar energía. Seguidamente, se procedió a realizar la segunda parte experimental donde se realizo un tipo de puente rectificador. Este circuito alimentaba en forma de corriente continua un supercapacitador durante una hora. De este modo se pudo observar la energía producida por el sistema de captación durante este periodo de tiempo. Realizadas las experimentaciones para el captador se procedió a realizar un análisis de los resultados y observar de qué manera puede abastecer este captador, de diseño propio, a un sensor inalámbrico.

1. INTRODUCCIÓN. El proyecto tiene como objetivo fundamental la realización y experimentación en agua de un prototipo de colector de energía a partir del oleaje marino. El captador constará de un péndulo constituido por un disco de imanes que serán los encargados de excitar a una serie de bobinas dispuestas en el interior de la boya, cuando éste se mueva por acción del oleaje. Desde SARTI-UPC, se plantea una línea de trabajo, para desarrollar harvesters, que alimenten sensores del observatorio submarino (OBSEA), lo más libres de mantenimiento posible y que proporcionen la máxima autonomía de funcionamiento sin necesidad de baterías ni fuentes de alimentación externas, debido a las dificultades técnicas que las inmersiones en esta ubicación requieren. En el ámbito de este Trabajo Final de Grado se realiza el estudio y diseño de un captador electromagnético de aprovechamiento de la energía mecánica de los movimientos oscilatorios lentos presentes en el medio marino para la generación de energía eléctrica con el objetivo de alimentar sensores de baja potencia.

2. MODELADO. El diseño del prototipo del captador se puede ver en la Figura 1, y sus diferentes componentes en la Tabla 1. El captador está formado por un eje vertical, en el cual están posicionados los demás elementos, tales como el disco de imanes, placa de bobinas, arandelas y los rodamientos.

Figura 1: Conjunto del captador.

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Nº Nomenclatura Material 1 Disco de Imanes PVC 2 Placa de Bobinas Polietileno 3 Molde Bobinas ABS 4 Bobinas Cobre (Cu) 5 Imanes Neodimio (NdFeB) 6 Eje Central Acero Zincado 7 Arandelas Acero Inoxidable 8 Rodamientos Acero

Tabla 1: Despiece del captador.

El captador logra transformar las oscilaciones producidas por las olas en un movimiento giratorio, que permite que el disco de imanes logre girar alrededor del eje, teniendo una placa con 6 bobinas, en su parte inferior. Este movimiento de los imanes produce una variación del flujo magnético, haciendo que induzca una intensidad a las bobinas debido al efecto inductivo. Las características de las bobinas se muestran en la Tabla 2.

Símbolo Descripción Valor [unidades] ri Radio interior 6 mm ro Radio exterior 28 mm t Espesor de bobina 6 mm N Nº de vueltas 250 vueltas

Wd Diámetro de hilo 0,5 mm ρ Resistividad 0’0171 Ω·mm2/m

Lw Longitud del cable 13 m LMT Longitud de giro medio 17 mm VT Volumen de bobina 3525 mm3

Acable Área de cable 0’196 mm2 Abobina Área de bobina 66 mm2 f Factor de relleno 0’74

Rbobina Resistencia de 1 bobina 1’13 Ω Rtotal Resistencia total 6’78 Ω Ibobina Intensidad de la bobina 52’7 mA Vbobina Voltaje de la bobina 357 mV

Tabla 2: Parámetros calculados de la bobina.

El captador cuenta con 8 imanes de neodimio de 30 mm de diámetro y 10 mm de alto (Figura 2), esto condiciona el diámetro interno del disco de imanes, tal como se observa en la Figura 3.

Figura 2: Dimensiones de un imán. El disco de imanes, cuenta con 8 agujeros donde irán los imanes como anteriormente se ha mencionado, y también cuenta con un agujero central donde ira colocado el rodamiento, que viene condicionado por un diámetro de 19 mm. El disco es de plástico con un arco central que se realizo para poder tener una desviación en el centro de

masa, y que pueda ayudar como contrapeso a la hora de las oscilaciones, como se observa en la Figura 3.

Figura 3: Disco de plástico con los imanes en su interior.

En la placa de bobinas (Figura 4) se observan 8 ranuras en su perímetro, éstas servirán como anclaje para poder posicionar el mecanismo en la boya donde se pretende instalar el mecanismo. También se observa un agujero central por donde pasará el eje central, y 8 agujeros por donde en un primer momento se pensaba anclar las bobinas, aunque al final se optó por pegarlas.

Figura 4: Placa de Polietileno para las bobinas. Para la realización de las bobinas se decidió hacer un molde ya que en el momento de hacer las bobinas de forma manual, sin ningún molde, se observó que quedaban de forma diferente cada bobina, y que al querer hacer la bobina con más espiras y más vueltas, se producía una cierta deformación si se aplicaba una fuerza de tensión mayor o menor; eso dificultaba la tarea de realizar las bobinas. Se optó por un cable de cobre de 0’5 mm de diámetro. En la Figura 5 se puede observar el molde de las bobinas con la bobina en proceso de montaje.

Figura 5: Proceso del bobinado.

El eje central es un elemento importante del mecanismo, ya que es el que va a soportar todo el movimiento, siendo el elemento principal del conjunto, tal como se puede observar en la siguiente imagen (Figura 6).

Figura 6: Imagen de perfil del mecanismo montado.

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En la Figura 7, se observa como el mecanismo esta posicionado ya dentro de la boya contenedora. Los contrapesos utilizados (Fig. 7) para optimizar el movimiento han sido los siguientes:

§ 1 peso pequeño de plomo, forma de arco, 28 g.

§ 1 peso grande de plomo, forma de disco, 69 g.

§ 1 peso mediano de plomo, forma de arco, 40 g.

§ 1 peso mediano de plomo, forma de arco, 44 g.

Figura 7: Boya montada para la realización de pruebas.

2.1 ESTUDIO ESTRUCTURAL:

Se realizó un estudio estructural del mecanismo oscilatorio, que está constituido por el disco de imanes con los imanes instalados, el rodamiento, el eje central y los contrapesos. El estudio estructural se llevó a cabo mediante el programa SolidWorks Simulation 2014. Se procedió a realizar un mallado tetraédrico 3D, de 5 mm de tamaño, excepto en el rodamiento, ya que debido a su complejidad requirió un mallado más fino, de 1’5 mm. Por otro lado en la Figura 8, se puede observar de color verde, las restricciones fijas que se aplican para el estudio.

Figura 8: Restricciones de movimiento. Una vez establecidas las restricciones fijas, se colocan las cargas que afectan al mecanismo, en este caso son:

• Carga roja: equivalente al contrapeso de 44 g., con una carga distribuida de 304’8 N·mm2.

• Carga Verde: equivalente a los contrapesos de 69 y 40 g., con una carga distribuida de 755 N·mm2.

• Carga negra: equivalente al contrapeso de 28 g., con una carga distribuida de 194 N·mm2.

Las cargas rosada y amarilla son equivalentes al esfuerzo máximo que puede soportar el rodamiento, que es 590 N en cada contacto el disco y el eje.

Figura 9: Cargas de los contrapesos y en el rodamiento.

Habiendo hecho el mallado, definido las restricciones y las cargas que actúan en el mecanismo, se realizó la simulación y se obtuvieron los resultados de tensión (Figura 10), desplazamiento (Figura11) y deformaciones unitarias (Figura 12).

Figura 10: Estado Tensional del mecanismo estudiado.

Figura 11: Rango de desplazamiento del mecanismo.

Figura 12: Deformación unitaria del mecanismo estudiado.

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Una vez obtenidos los resultados de la simulación por elementos finitos en el programa SolidWorks Simulation 2014, se puede concluir que el eje central y el rodamiento resisten satisfactoriamente a las máximas cargas que puede generar el rodamiento. Pero se observa que la pieza que sufre más tensión, desplazamiento y deformación es la del disco de imanes. Esto es debido a que está hecha de un material plástico, y es normal que al estar sometido a carga presente deformaciones, no obstante, la deformación observada es de muy pequeña y totalmente admisible.

3. EXPERIMENTACIÓN. Se optó por la realización de la experimentación en un tanque de agua donde el oleaje sería simulado mediante una bomba de agua programable. Las condiciones marinas en el que el captador debería de trabajar vienen determinadas mediante, en el caso de realizar la puesta en marcha de la boya en la costa de Vilanova y La Geltrú, los datos históricos correspondientes al modelo SIMAR, de Puerto Del Estado [1]. El conjunto de datos de los puntos SIMAR provienen del modelado numérico de alta resolución de la atmosfera, nivel del mar y oleaje que cubre todo el litoral español. Se tomaron los datos históricos correspondientes al punto SIMAR (2105134) con se puede observar en la Figura 11.

Figura 11: Localización del punto de situación de la boya.

En la experimentación se realizaron dos tipos de pruebas. El objetivo del primer tipo de pruebas fue la determinación del diámetro de hilo de cobre más satisfactorio para las bobinas y los contrapesos idóneos para obtener el mayor número de oscilaciones del captador. El segundo tipo de pruebas fueron para determinar qué frecuencia de oleaje en el tanque de agua era la más favorecedora para el movimiento del mecanismo. Y por último se realizó un circuito de puentes de rectificadores de tal manera que se pudiera alimentar un supercapacitador con corriente continua, y calcular cuanta energía podía cargar durante una hora de experimentación. 3.1 SELECCIÓN DE DIÁMETRO DE HILO DE

COBRE Se realizaron pruebas con dos diámetros de hilo diferentes (1 mm y 0’5 mm). La Figura 14 corresponde a la bobina hecha con el diámetro de hilo de 1 mm, con 12 vueltas y 6

espiras, y la Figura 15 corresponde a la bobina hecha del hilo del diámetro de 0’5 mm, con 22 vueltas y 10 espiras.

Figura 14: Hilo de 1 mm.

Figura 15: Hilo de 0’5 mm. En la Figura 16 se puede observar la gran diferencia que hay entre las dos amplitudes de salida de las diferentes bobinas, donde la bobina de diámetro de 1mm es la de color magenta y la de diámetro de 0’5 es de color amarillo. A pesar de que el volumen de cobre es muy similar, la variación es muy significativa tan solo con variar el diámetro del cobre.

Figura 16: Estudio de la respuesta de 2 bobinas con diferente diámetro de hilo.

Se obtiene que el grosor del cobre de 0’5 mm, es mucho más favorable para obtener una amplitud más alta con el mismo volumen de cobre, y es mucho más fácil de realizar el bobinado, por ello se opta por elegir este diámetro de hilo de cobre para la realización de las bobinas.

3.2 SELECCIÓN DE CONTRAPESOS. En las siguientes figuras (Figura 17, 18 y 19) se puede observar la distribución y forma de los contrapesos seleccionados para las pruebas 1, 2 y 3 respectivamente.

Figura 17: Prueba 1.

Figura 18: Prueba 2.

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Figura 19: Prueba 3.

En la Tabla 3 se pueden observar la tabla de resultados de la experimentación realizada para encontrar los contrapesos más satisfactorios para el movimiento del mecanismo.

Nº Prueba

Parámetros Constantes

Parámetros Modificados

1 Contrapesos,

153 g.

Contrapeso opuesto, 28 g.

2 Forma de contrapeso.

Contrapesos a los laterales de la placa.

3 Contrapesos en la parte central de la placa.

Nº

Prueba Tipo de

Respuesta

1

Oscilaciones laterales largas que aumentan de forma progresiva.

Golpes fuertes en las oscilaciones pronunciadas.

2

Oscilaciones lentas pero variables, aumentan gradualmente.

Golpes poco frecuentes pero ligeramente fuertes.

3

Oscilaciones laterales largas que aumentan de forma progresiva.

Golpes fuertes en las oscilaciones pronunciadas.

Tabla 3: Resultados de la prueba de contrapesos.

El efecto de inercia al colocar los contrapesos en medio de la placa y en dirección opuesta, se valora positivamente ya que nos favorece las oscilaciones laterales y un movimiento constante. 3.3 PRUEBAS DE PULSO DE CORRIENTE. Las pruebas para obtener la corriente más favorable para el captador, se realizan en un depósito de agua de 2m de largo x 50 cm de ancho, que se encuentra en el Centro Tecnológico SARTI, con una bomba de recirculación Tunze, y se toman las medidas con un osciloscopio.

Figura 20: Captador dispuesto para las pruebas en el tanque

de agua.

En la Tabla 4 se pueden observar los resultados para diferentes configuraciones de periodo de pulso de corriente, manteniendo la misma potencia de la bomba, las medidas de los impactos totales, duración de las oscilaciones y los espacios muertos se tomaron entre las medidas de 25 y 30 segundos para los diferentes pulsos.

Pulso [s] Impactos Totales

Duración Oscilación [ms]

Espacios Muertos

0’5 10 100 – 300 Largos 1 18 100 – 300 Largos

1’5 23 100 – 200 Mínimos 2 18 200 Largos y Pocos

2’5 21 100 – 200 Largos 3 15 300 Largos

3’5 14 300 – 500 Largos

Tabla 4: Tabla resumen de las pruebas de corriente.

Resultados NO OK, posiblemente debido a la frecuencia propia del depósito, crea turbulencias y el movimiento no es armónico. T > 2s Resultados NO OK. El captador no tiene un movimiento armónico. Por rebote en el extremo que crea movimientos contrapuestos. En la Figura 21 se puede observar los picos de voltaje obtenido para la conexión en serie de las 6 bobinas.

Figura 21: Resultados del estudio.

Los resultados obtenidos en la experimentación son valores picos de 338 mV, con una amplitud media de 4,9 mV. Para poder saber cuanta energía era capaz de almacenar el supercapacitador, se procedió a hacer la experimentación durante una hora. Se utilizó un puente rectificador para poder cargar el supercapacitador en corriente continua. En la Figura 22, se puede observar el esquema del circuito que se utilizó en la experimentación.

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Figura 22: Esquema eléctrico experimentación con supercapacitador.

[Modificada de [2]]

Se realizaron tres pruebas de carga del supercapacitador durante una hora cada una. Los resultados son los que se observan en la tabla 5.

RESULTADOS DE CARGA

1 2 3 Tensión inicial, Vi [mV] 1 0’3 0’7 Tensión final, Vf [mV] 88 87 88 Tiempo de descarga [s] 30 29’5 30

Tabla 5: Resultados de las pruebas de carga del

supercapacitador.

Una vez tenemos estos datos, se procede a realizar los cálculos para hallar los parámetros que se muestran en la Tabla 6.

ΔV [mV] C [F] ΔE [mJ] Tiempo

[S] (50 Ω) Potencia

[µW]

87 1 3’8 30 126’15

Tabla 6: Resultados de la experimentación con el supercapacitador.

4. ENVÍO DE DATOS DE UN SENSOR. Los cálculos se realizaron a partir de los datos que se obtuvieron en la experimentación del captador, con la finalidad de extraer la cantidad de paquetes de datos que el sensor es capaz de enviar a lo largo de un día siendo alimentado por este captador. El envío de un paquete de 125 bytes requiere un tiempo de 4 ms. Los parámetros del sensor inalámbrico que se tuvieron en cuenta en el momento de hacer los cálculos son: una resistencia interna de 50 Ω, el tiempo que tarda 1 byte en ser enviado que es de 32 µs, la potencia de envío para 1 byte que es de 1 W, y que el captador es capaz de generar 3’8 mJ durante una hora, como se observó en el estudio experimental. El captador no es capaz de enviar el número de emisiones esperadas a lo largo de un día (24 emisiones al día), ya que para que esto sea posible, debería de haber una producción por encima de los 4 mJ por hora, pero el captador

solamente es capaz de producir 3’8 mJ de media en una hora, por ello es que para que se logre llegar al número estimado de envíos, se requiere conectar una batería externa con la cual se podría completar esas emisiones restantes, si no que también podría utilizarse para alimentar el sensor en estado latente.

5. TRABAJOS FUTUROS. Con el objetivo de mejorar el número de revoluciones del imán en su recorrido por el interior del cuerpo del captador, queda pendiente el estudio de una mejor orientación de los imanes con respecto a las bobinas, y a ser posible con la incorporación de contrapesos variables, que se adecuen a la trayectoria que se este recorriendo en ese momento. Esto se podría llevar a cabo haciendo unos contrapesos colgantes que tengan un balanceo cada vez que oscila el disco de imanes. Una vez observado que según su posición puedan actuar sin presentar un impedimento importante al movimiento del imán, podrían aportar una generación de energía adicional considerable.

6. PRESUPUESTO. Para la realización del presupuesto que ha representado el presente trabajo, se tomaron en cuenta, como coste personal, las horas empleadas tanto teóricas como prácticas, las horas de uso de los instrumentos y las horas de experimentación. En coste de material se tomó en cuenta todo el material utilizado en la parte mecánica del proyecto, tanto como el coste para su fabricación. Y por último, se ha incluido el coste de la licencia del programa utilizado, SolidWorks y SolidWorks Simulation 2014. El coste estimado es de 5902’39 €.

PRESUPUESTO TOTAL COSTE DE PERSONAL 4 240 € COSTE DE MATERIAL 202’39 € COSTE DE LICENCIA 1 460 €

COSTE TOTAL 5902’39 €

Tabla 7: Presupuesto total del proyecto.

7. CONCLUSIONES. Las conclusiones a las que se han llegado son las siguientes: Habiendo analizado el estudio estructural, se puede concluir que el mecanismo soporta satisfactoriamente las cargas a las que estará sometido, sin ningún inconveniente. Aun así, se podría reforzar el disco de imanes, para que sea más resistente, pero al ser esta pieza la que contiene los imanes en su interior las posibilidades de otros materiales más resistentes se reducen. Por eso este material se considera que podría soportar las cargas sin llegar a presentar ningún problema en un futuro. Se concluyó que mientras el diámetro del hilo de cobre sea más delgado, es mucho más favorable para obtener un

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amplitud más alta con el mismo volumen de cobre, por ello se opto por usar el hilo de cobre más delgado (0,5 mm) para este estudio. Se concluyó que con un peso entre 130-170 gramos se obtenían los mejores resultados respecto a la amplitud de oscilación, por lo tanto se pudo establecer una relación experimental entre el peso y la fuerza de empuje que nos favorezca el movimiento del captador. El efecto de inercia al colocar los contrapesos en el centro de la placa (Fig. 19) y en dirección opuesta, se valora positivamente ya que nos favorece las oscilaciones laterales y un movimiento constante. Deducimos que los casos más favorables son los pulsos de 1’5 segundos y 2 segundos con potencia de bomba al 100%. En general se puede afirmar que para períodos mayores, a potencia de bomba mayor si que influye en los resultados negativamente. Los resultados obtenidos en la experimentación con valores picos de 338 mV adecuan a los calculados de forma teórica que preveían unos valores picos de 357 mV. El captador no es capaz de enviar el número de emisiones esperadas a lo largo de un día (24 emisiones al día), por ello es que se requiere conectar una batería externa con la cual no solo se podría completar esas emisiones restante, si no que también podría utilizarse para alimentar el sensor en estado latente.

8. AGRADECIMIENTOS. Una agradecimiento especial para Montserrat Carbonell por la ayuda y el interés recibido por parte de ella y al profesor Daniel Mihai del grupo de investigación SARTI por su colaboración, ayuda e interés en la realización de la experimentación.

REFERENCIAS.

[1] SIMAR PUERTOS DEL ESTADO. Datos históricos recogidos de los diferentes Puertos del Estado. [http://www.puertos.es/es-es/oceanografia/Paginas/portus.aspx

[2] Jane Jiménez, Quim. “Disseny i realització d'un

convertidor electromagnètic per a l'aprofitament d'energia del medi marí amb el fi d'alimentar sensors de baixa potencia” (UPC 2017).