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Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo para la captación de energía 1 Dpto. Matemática Aplicada II Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 Dpto. Matemática Aplicada II Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 Autor: Antonio Piedra Pérez Tutor: Emilio Freire Macías Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo para la captación de energía Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Eléctrica

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Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo para la

captación de energía

1

Dpto. Matemática Aplicada II

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

Dpto. Matemática Aplicada II

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

Autor: Antonio Piedra Pérez

Tutor: Emilio Freire Macías

Análisis y simulación de un sistema electromecánico

de tipo capacitivo para la captación de energía

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Eléctrica

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Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo para la

captación de energía

3

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Eléctrica

Análisis y simulación de un sistema

electromecánico de tipo capacitivo para la

captación de energía

Autor:

Antonio Piedra Pérez

Tutor:

Emilio Freire Macías

Profesor titular

Dpto. de Matemática Aplicada II

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

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Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo para la

captación de energía

5

Proyecto Fin de Carrera: Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo

para la captación de energía

Autor: Antonio Piedra Pérez

Tutor: Emilio Freire Macías

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes

miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2018

El Secretario del Tribunal

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captación de energía

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RESUMEN

Según algunas estimaciones de crecimiento demográfico, en el año

2050 se prevé que la población mundial alcance los 9700 millones de

habitantes. Esto supondrá un incremento notable en la demanda energética

global. Ante este escenario, la energía será un factor crucial para ser capaces

de mantener los niveles de progreso y crecimiento económico de hoy en día.

Actualmente la energía proveniente de combustibles fósiles supera el

80% del total de energía consumida. Estas fuentes de energía son finitas y

tienen un fuerte impacto medioambiental debido a los elevados niveles de

contaminación que conllevan. Por todo ello, y unido a un incremento en la

concienciación social respecto al cambio climático, el desarrollo de tecnologías

para el aprovechamiento de fuentes de energía renovables se prevé que

continúe con una amplia expansión en el futuro próximo.

Para contribuir al desarrollo de un modelo sostenible, durante las últimas

décadas se han realizado grandes avances en líneas de investigación que

tienen como objetivo el aprovechamiento de la energía ambiental a pequeña

escala. Estas líneas de investigación han tenido un punto de inflexión

determinante con el desarrollo de los MEMS (Micro Electro-Mechanical

Systems), dispositivos de pequeñas dimensiones compuestos por elementos

activos y pasivos capaces de realizar diferentes funciones como captación de

señales, procesamiento de datos y actuación sobre el entorno.

Este proyecto contempla algunas de las diferentes posibilidades de

recolección de energía ambiental proveniente de fuentes mecánicas de

vibración a partir de dispositivos MEMS y concretamente está centrado en la

recolección mediante dispositivos electroestáticos y su posterior transducción a

energía eléctrica. Se profundiza en el desarrollo de estos modelos y en el

conocimiento de las partes que dan lugar al sistema objeto de estudio.

Una vez realizado el estudio del sistema, se procede a un análisis más

detallado sobre algunas de las diferentes aplicaciones para las que puede ser

diseñado en función de los requerimientos específicos.

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ÍNDICE

Resumen ................................................................................................ 7

1. INTRODUCCIÓN ......................................................................... 17

1.1. Contexto................................................................................ 17

1.2. Sistemas de recolección ....................................................... 19

1.3. Transductores electroestáticos .............................................. 22

1.4. Principio de funcionamiento .................................................. 22

1.5. Condensadores electrolíticos ................................................ 25

2. SISTEMA ELECTROESTÁTICO ................................................. 29

2.1. Esquema de recolección ....................................................... 29

2.2. Modelado del circuito ............................................................ 30

2.3. Ecuaciones de estado ........................................................... 31

2.4. Adimensionalización de las ecuaciones de estado ................ 32

2.5. Valores admisibles de variables y parámetros ...................... 34

3. ESTUDIO DEL SISTEMA ............................................................ 35

3.1. Caso 1: Sistema sin excitación .............................................. 35

3.1.1. Equilibrio del sistema ............................................................ 36

3.1.2. Linealización del sistema ...................................................... 38

3.1.3. Estabilidad del sistema ......................................................... 40

3.1.4. Análisis físico de la estabilidad. Fenómeno de pull-in............ 41

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3.1.5. Análisis de los polos del sistema en función de los parámetros.

48

3.2. Caso 2: Estudio del sistema ente una excitación de tensión . 50

3.3. Caso 3: Estudio del sistema ente una excitación mecánica .. 56

3.4. Acondicionamiento de la señal de salida ............................... 60

3.4.1. Acondicionamiento pasivo..................................................... 61

3.4.2. Acondicionamiento activo...................................................... 62

4. CONCLUSIONES ........................................................................ 67

5. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................ 71

6. ANEXO ........................................................................................ 73

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Principios de funcionamiento de convertidores electromecánicos

........................................................................................................................ 20

Tabla 2. Ventajas e inconvenientes de diferentes tipos de convertidores

........................................................................................................................ 21

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Densidad energética de diferentes fuentes ambientales ........ 18

Figura 2. Principio de funcionamiento de un condensador .................... 23

Figura 3. Esquema de un ciclo de carga fija ......................................... 24

Figura 4. Esquema de un ciclo de tensión fija ....................................... 25

Figura 5. Placa electrolítica fabricada por (a) orientación dipolar y (b)

inyección de carga .......................................................................................... 26

Figura 6. Ejemplos de SPD de diferentes placas electrolíticas ............. 27

Figura 7. Principio de funcionamiento de un condensador electrolítico . 27

Figura 8. Movimiento de cargas en un condensador electrolítico .......... 28

Figura 9. (a) Placa electrolítica, (b) parámetros y (c) circuito equivalente

........................................................................................................................ 28

Figura 10. Modelo de un recolector de vibraciones ............................... 29

Figura 11. Modelado del transductor electromecánico de tipo capacitivo

........................................................................................................................ 30

Figura 12. Puntos de equilibrio del sistema en el plano .... 37

Figura 13. Puntos de equilibrio del sistema en el plano ............ 38

Figura 14. Equilibrio de fuerzas para ........................................ 46

Figura 15. Equilibrio de fuerzas para ........................................... 46

Figura 16. Equilibrio de fuerzas para ........................................ 47

Figura 17. Respuesta del sistema en función de la ubicación de sus

polos ............................................................................................................... 48

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Figura 18. Respuesta del sistema en función del parámetro para

........................................................................................................................ 49

Figura 19. Respuesta del sistema en función del parámetro para

............................................................................................................ 50

Figura 20. Modelado de las ecuaciones del circuito en Simulink .......... 51

Figura 21. Respuesta de la posición ante una entrada de tensión de

valor .................................................................................................. 52

Figura 22. Respuesta de la velocidad ante una entrada de tensión

de valor ............................................................................................. 53

Figura 23. Modelo mejorado de las ecuaciones del circuito en Simulink 53

Figura 24. Conmutador ......................................................................... 54

Figura 25. Operador lógico de posición ................................................ 54

Figura 26. Operador lógico de aceleración ........................................... 54

Figura 27. Respuesta de la carga ante una entrada de tensión

variable ...................................................................................................... 55

Figura 28. Respuesta de la posición ante una entrada de tensión

variable ...................................................................................................... 55

Figura 29. Respuesta de la velocidad ante una entrada de tensión

variable ...................................................................................................... 56

Figura 30. Modelo del circuito sometido a una excitación mecánica

externa .................................................................................................... 57

Figura 31. Modelado del sistema de ecuaciones (80) en Simulink ........ 58

Figura 32. Señales de salida y ante una excitación mecánica

senoidal ................................................................................................... 59

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Figura 33. Señales de salida y ante una excitación de onda

cuadrada ................................................................................................. 59

Figura 34. Esquema de procesamiento de la señal eléctrica ................ 61

Figura 35. Esquema de circuito de acondicionamiento pasivo simple ... 61

Figura 36. Curva de potencia normalizada en función de la tensión de

salida ....................................................................................................... 62

Figura 37. Esquema de un circuito de acondicionamiento activo tipo

flyback............................................................................................................. 63

Figura 38. Tensión de salida del acondicionador .................................. 64

Figura 39. Tensiones y corrientes durante el proceso de conversión.... 64

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captación de energía

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1. INTRODUCCIÓN

En este bloque se exponen las motivaciones del proyecto, se presentan

distintos tipos de transductores electromecánicos focalizando en el estudio de

los convertidores electroestáticos y exponiendo el principio de funcionamiento

en el que se basa.

1.1. Contexto

Desde tiempos remotos, las diferentes civilizaciones han sabido

aprovechar, además de su propio esfuerzo físico, los recursos energéticos del

entorno y adaptarlos a las necesidades concretas de cada población. Así se ha

ido evolucionando y perfeccionando los diferentes avances tecnológicos para

conseguir aumentar su eficiencia. Por citar algunos de ellos, los egipcios ya

utilizaban la energía eólica para desplazar sus barcos de vela por el Nilo en el

4500 a.C. del mismo modo que se aprovecharon los recursos hídricos en los

molinos o mareomotrices en otras aplicaciones. A partir del siglo XVII comenzó

a generalizarse el uso de combustibles fósiles como el carbón o el petróleo, y el

inicio de la Revolución Industrial durante el siglo XVIII supuso un desarrollo

tecnológico cualitativo que se tradujo en una transformación definitiva de la

sociedad, fijando los pilares básicos de la economía moderna.

Desde esta época se ha vivido un crecimiento exponencial en cuanto a

desarrollo industrial y demanda energética. Sin embargo, tras varias décadas

de crecimiento acelerado, diferentes crisis energéticas interrumpieron esta

trayectoria. En la década de los 80 el crecimiento del consumo se paralizó,

fluctuando en los años siguientes. Esta situación fue provocada por el

agotamiento paulatino de diferentes fuentes de energía fósiles no renovables.

Las reservas de petróleo se estima que no duren más de 40 años con la

demanda actual, las de gas natural no mucho tiempo más, y las de carbón

alrededor de un siglo más.

Ante este escenario, unido a la creciente preocupación por el cambio

climático causado en gran medida por el incremento de la demanda de

combustible y el uso de energías no renovables, el uso de energías limpias va

calando cada vez más en la sociedad. Esto ha despertado un mayor interés por

el desarrollo de tecnologías capaces de aprovechar diferentes energías de

nuestro entorno como pueden ser las vibraciones mecánicas producidas por los

coches o las personas al caminar o moverse, los gradientes de temperatura, la

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captación de energía

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energía solar o la proveniente de reacciones químicas. Cada una de estas

fuentes está caracterizada por una densidad energética, de la que

posteriormente podrá obtenerse energía eléctrica tras un adecuado proceso de

conversión con una determinada eficiencia. Como se puede observar en la

figura 1, la energía solar es la que mayor densidad energética posee, pero sin

embargo no disponemos de ella en zonas de oscuridad, al igual que no

tendremos amplitud térmica en otras situaciones. Por ello, la fuente de la que

podamos obtener una mayor cantidad de energía dependerá de nuestro

entorno concreto.

Figura 1. Densidad energética de diferentes fuentes ambientales

Estas investigaciones se han visto incentivadas por la creciente

tendencia a obtener y almacenar la mayor información posible de nuestro

entorno, ya sea del ambiente, industrias, equipos, edificios, etc. y ser capaces

de interactuar de alguna manera. Para ello se requiere la implementación de

sistemas de control basados en microcontroladores y sensores como los que

se utilizan actualmente en móviles entre otras aplicaciones. Sin embargo

actualmente existen algunas limitaciones que frenan el desarrollo de ciertas

tecnologías. Una de estas limitaciones está relacionada con la vida útil de

algunos sensores de transmisión inalámbricos. Muchos de estos MEMS

requieren una pequeña fuente de energía para su funcionamiento que puede

ser proporcionada por algunas de las fuentes energéticas ambientales citadas,

en lugar de otras alternativas como el uso de baterías con una capacidad finita.

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captación de energía

19

El aprovechamiento de estos recursos proporciona una infinidad de

aplicaciones prácticas derivadas de la capacidad de abastecerse de manera

autónoma durante años sin necesidad de una fuente externa ni de la

intervención humana, disminuyendo de este modo su tamaño y peso,

aumentando su versatilidad y alargando su vida útil.

Dentro del citado contexto se profundiza en el estudio de los diferentes

sistemas susceptibles de ser utilizados como recolectores de energía

ambiental, centrándose en un modelo concreto que será objeto de estudio.

1.2. Sistemas de recolección

El concepto de recolección de energía proveniente de fuentes

mecánicas de vibración (Vibration Energy Harvesters o VEH) comenzó a tener

una notable relevancia en la década de 2000 con el crecimiento de los MEMS.

El proceso de conversión de energía mecánica de vibración a eléctrica

se compone de dos pasos. En primer lugar la energía vibratoria es convertida a

un movimiento relativo entre dos elementos a través de un sistema masa-

muelle, que posteriormente se convierte en energía eléctrica gracias a un

convertidor electromecánico. El espectro de frecuencias ambientales

susceptibles de uso es generalmente bastante bajo, de manera que con la

introducción de un sistema masa muelle podemos ser capaces de generar el

fenómeno de resonancia, amplificando el movimiento relativo de los dos

elementos y su poder de conversión.

La mayor parte de los dispositivos capaces de realizar la conversión de

energía mecánica en eléctrica se basan en fundamentos piezoeléctricos,

magnetoestáticos o electroestáticos. Cada uno de ellos tiene un principio de

funcionamiento y unas ventajas e inconvenientes en función de la aplicación

requerida.

Los dispositivos piezoeléctricos permiten generar una diferencia de

potencial con carga en su superficie cuando se someten a una tensión

mecánica.

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captación de energía

20

El principio de funcionamiento de los dispositivos magnetoestáticos se

basa en la Ley de Lenz. Con el movimiento relativo entre una bobina y un imán

se genera una fuerza electromotriz.

Los dispositivos electroestáticos se basan en el movimiento relativo

entre dos placas de un condensador para generar una corriente.

Tabla 1. Principios de funcionamiento de convertidores electromecánicos

Las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos podemos resumirlas

en la siguiente tabla

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captación de energía

21

Tabla 2. Ventajas e inconvenientes de diferentes tipos de convertidores

Piezoeléctricos Electromagnéticos Electroestáticos

VE

NT

AJA

S

- Altas tensiones de salida

- Altas capacidades

- No es necesario controlar

ningún hueco

- Altas corrientes de salida

- Robustos con vida útil

elevada

- Altas tensiones de salida

- Posibilidad de construir

sistemas de bajo coste

- Facilidad para ajustar el

acoplamiento, así como

altos valores de

acoplamiento alcanzables

INC

ON

VE

NIE

NT

ES

- Material costoso

- Acoplamiento vinculado a

las propiedades del

material

- Bajas tensiones de salida

- Difícil desarrollar MEMS

- Baja eficiencia con bajas

frecuencias y pequeño

tamaño

- Material puede ser costoso

- En general las

capacitancias son bajas y

pueden tener un fuerte

impacto las capacitancias

parásitas

- Necesidad de control

micrométrico en MEMS

para evitar el “pull-in”

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captación de energía

22

1.3. Transductores electroestáticos

Los recolectores de energía electroestáticos están basados en el

principio de funcionamiento de un condensador de placas paralelas móviles. La

energía mecánica ambiental disponible es utilizada para variar el espacio entre

las placas que forman el condensador. Este movimiento provoca un cambio en

su capacidad que es aprovechada para general una fuerza electromotriz. Las

placas del condensador pueden estar separadas por aire o por un material

dieléctrico.

Los dispositivos electroestáticos son estructuras pasivas que requieren

de un ciclo energético para la conversión de energía mecánica en eléctrica y

pueden clasificarse en dos tipos:

Convertidores con condensadores de película. Son aquellos que

se basan en un ciclo de carga y descarga del condensador,

necesitando una fuente de alimentación activa externa para

polarizar el condensador en una parte del ciclo de conversión.

Convertidores con condensadores electrolíticos. Son dispositivos

que poseen una placa de material dieléctrico con polarización

permanente que es introducida entre ambas placas del

condensador. Con esto se consigue crear una diferencia de

potencial entre las placas, permitiendo así prescindir de la fuente

externa de alimentación y convirtiendo a estos dispositivos en

autónomos.

1.4. Principio de funcionamiento

En este epígrafe se presentan de manera detallada los principios físicos

de los convertidores electroestáticos y de las ecuaciones que lo gobiernan.

Existe una amplia diversidad de formas y diseños para la realización de

condensadores. Su capacitancia y fuerza electromotriz final tendrán una

importante vinculación con sus formas y tamaños.

A continuación estudiaremos el modelo simplificado de un condensador

y su funcionamiento.

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captación de energía

23

Figura 2. Principio de funcionamiento de un condensador

Un condensador es un dispositivo formado por dos conductores

cercanos aislados entre sí denominados placas o armaduras en situación de

influencia total, es decir, que las líneas de campo eléctrico que salen de una

van a parar a la otra. Al conectarlas a una fuente de alimentación y establecer

una diferencia de potencial entre las placas se genera una corriente que hace

circular electrones de una placa a la otra hasta estabilizar la carga en un valor

que depende de la capacidad del condensador. Al finalizar este proceso,

ambas placas poseen la misma cantidad de carga aunque con signos

opuestos. Este elemento permite almacenar así energía y cederla en el

momento oportuno. La carga almacenada en las placas es proporcional a la

diferencia de potencial entre ambas, siendo la constante de proporcionalidad

conocida como capacidad del condensador

(1)

Donde la capacidad depende de la geometría del condensador de forma

(2)

Siendo la permitividad del material situado entre las placas, su

superficie y la distancia entre placas.

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Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo para la

captación de energía

24

Al aumentar la diferencia de potencial entre sus terminales, el

condensador almacena carga eléctrica debido al campo eléctrico que se crea

entre ellas. Esta energía viene dada por

(3)

La fuerza electromotriz puede calcularse como diferencia de un

potencial. De este modo, derivando la energía potencial electroestática

respecto a la distancia entre las placas y manteniendo el potencial o la carga

constante, la fuerza electroestática resultante puede escribirse como

(4)

Donde es la energía electroestática almacenada en el

condensador, la carga acumulada, la tensión entre placas y la

distancia entre placas.

Para la transducción de energía mecánica en eléctrica a continuación se

desarrollan los ciclos de conversión más utilizados: el ciclo de carga fija y el

ciclo de tensión fija.

Ciclo de carga fija

Figura 3. Esquema de un ciclo de carga fija

Es el más sencillo de implementar en dispositivos. Suponemos que se

inicia el ciclo en el punto de máxima capacitancia o hueco mínimo (figura 3a).

En esta posición las placas del condensador son cargadas mediante alguna

fuente de polarización a una tensión dada . Posteriormente se abre el

circuito y la estructura es desplazada mediante energía mecánica hasta la

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Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo para la

captación de energía

25

posición (c) donde la capacidad es mínima. En este punto se produce la

descarga del condensador a una tensión (d).

De esta manera, la energía total convertida en cada ciclo viene dada por:

(5)

Ciclo de tensión fija

Figura 4. Esquema de un ciclo de tensión fija

El ciclo comienza en el punto de máxima capacidad o mínima distancia

entre placas (Figura 4a). El condensador es polarizado mediante una fuente

externa a una tensión fija que se mantiene constante durante toda la

conversión. Posteriormente se varía la posición de las placas mecánicamente

modificando así su capacitancia hasta llegar al límite . Al mantener la

tensión fija variamos la carga, generando así una corriente que es almacenada.

La energía total convertida en cada ciclo viene dada por:

(6)

1.5. Condensadores electrolíticos

Como se explicó en el apartado anterior, los convertidores

electroestáticos más útiles desde el punto de vista de aplicaciones autónomas

en MEMS son aquellos que están compuestos por condensadores

electrolíticos. Por este motivo se dedica este apartado a profundizar en las

características y principios de funcionamiento de este tipo de condensadores.

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captación de energía

26

Estos condensadores eliminan la necesidad de una fuente de

alimentación externa al sustituirla por una placa electrolítica que es colocada

entre ambos electrodos del condensador permitiendo realizar el ciclo de

conversión en energía eléctrica. Estas placas están compuestas por materiales

dieléctricos que poseen una polarización eléctrica quasi-permanente. Son

dipolos electroestáticos que pueden mantener la carga durante años.

La polarización eléctrica puede ser obtenida de manera controlada

mediante dos procedimientos: orientación dipolar o inyección de carga. El

proceso de fabricación en el primer caso consiste en calentar la placa

dieléctrica hasta su punto de fusión y someterla a un campo eléctrico que es

mantenido hasta su enfriamiento. Esto permite orientar el dieléctrico en la

dirección del campo eléctrico al que es sometido. El segundo caso, más

extendido por la facilidad de estandarización del proceso, consiste en la

proyección de iones sobre una superficie del dieléctrico, consiguiendo transferir

una carga a la superficie de la placa.

Figura 5. Placa electrolítica fabricada por (a) orientación dipolar y (b) inyección

de carga

Según el método y las condiciones de fabricación elegidas, la placa

electrolítica tendrá unas características y comportamiento diferentes. Por

ejemplo variará la posición de las cargas o su estabilidad. La estabilidad de la

fuente de alimentación es un factor clave para el correcto funcionamiento y la

optimización del ciclo de conversión de energía mecánica en eléctrica en los

dispositivos de recolección electromecánicos. Consecuentemente, es

importante seleccionar placas electrolíticas con un comportamiento estable.

Éstas con el paso del tiempo pueden perder propiedades y se pueden producir

fenómenos de movimiento de cargas en el interior del dieléctrico disminuyendo

así su efectividad. Por todo ello, un parámetro determinante es el SPD (Surface

Potencial Decay) que muestra la capacidad que tiene el dieléctrico de mantener

la tensión con el paso del tiempo, el cual será uno de los factores a tener en

cuenta al estimar la vida útil del dispositivo.

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captación de energía

27

Figura 6. Ejemplos de SPD de diferentes placas electrolíticas

Este valor se verá influenciado a su vez por otros factores como las

condiciones ambientales de humedad y temperatura, así como de la tensión

inicial a la que es cargado. Estudios muestran que altas temperaturas o grado

de humedad perjudican a la estabilidad, al igual que resulta más fácil conseguir

valores altos de estabilidad para menores tensiones de carga de la placa.

A continuación se procede a explicar brevemente el principio de

funcionamiento para posteriormente implementarlo en nuestro modelo. En la

siguiente figura se muestra un esquema de la influencia de la placa electrolítica

sobre el condensador.

Figura 7. Principio de funcionamiento de un condensador electrolítico

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captación de energía

28

Como puede observarse, la capacidad total de un convertidor

electroestático con condensador electrolítico se corresponde con dos

capacidades en serie y puede calcularse como

(7)

La placa electrolítica induce una carga en los electrodos del

condensador de forma que la carga en la placa electrolítica, es igual a la

suma de y , las cargas en ambos electrodos del condensador tal como se

muestra en la figura 7. Si ahora se produce una variación en la distancia entre

los electrodos, variando la geometría del condensador y por tanto su

capacidad, la influencia de la placa electrolítica sobre los electrodos también

variará, provocando una reorganización de cargas. Esto produce una

circulación de corriente a través de la carga R como se muestra en la figura 8,

transformando así parte de la energía mecánica en eléctrica.

Figura 8. Movimiento de cargas en un condensador electrolítico

El modelo equivalente del condensador electrolítico es simple y se

puede esquematizar en una fuente de tensión , que viene dada por el

potencial de la superficie de la placa electrolítica, en serie con un condensador

de capacidad variable. Hay estudios que corroboran que los resultados

experimentales se corresponden con los obtenidos por este modelo.

Figura 9. (a) Placa electrolítica, (b) parámetros y (c) circuito equivalente

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captación de energía

29

2. SISTEMA ELECTROESTÁTICO

En este bloque se presenta un modelo de un transductor electroestático.

A partir del modelo, se obtienen las ecuaciones que lo gobiernan, las cuales

permitirán posteriormente realizar un análisis de su funcionamiento.

2.1. Esquema de recolección

En este apartado se estudiará de manera detallada un modelo

simplificado de transductor electromecánico capacitivo. Para llevar a cabo este

proceso, el primer paso es captar la vibración mecánica del ambiente y

transformarla en un movimiento oscilatorio relativo entre dos elementos. Esto

puede ser modelado mediante un sistema masa-muelle-amortiguador unido a

un marco fijo o de referencia tal como se muestra en la siguiente figura.

Figura 10. Modelo de un recolector de vibraciones

El movimiento relativo entre la masa y el marco permitirá recolectar la

energía mecánica de vibración para su posterior transformación en energía

eléctrica.

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captación de energía

30

2.2. Modelado del circuito

La figura 11 muestra un esquema simplificado del modelo de circuito que

será objeto de estudio en este proyecto.

Figura 11. Modelado del transductor electromecánico de tipo capacitivo

El modelo anterior está compuesto por una parte mecánica y otra

eléctrica. El circuito está formado por una batería conectada a un

condensador de placas paralelas que hará la función de transductor de

energía. La placa inferior permanecerá fija, mientras que la placa superior tiene

permitido el movimiento en dirección perpendicular al eje de la placa.

Denotaremos por la diferencia de potencial entre placas y por la resistencia

eléctrica asociada a la fuente de tensión para incluir en el modelo las pérdidas

del circuito eléctrico. Por otro lado, modelamos también la parte mecánica tal

como hemos mostrado en el apartado anterior. La placa superior del

condensador de masa , va unida a un muelle de constante elástica y a un

amortiguador con constante de amortiguamiento . Denotamos por al

movimiento de la placa superior respecto a una referencia y a la

distancia entre placas. Se estudia el modelo en el plano horizontal en ausencia

de efecto gravitatorio.

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captación de energía

31

2.3. Ecuaciones de estado

Tras el estudio del principio de funcionamiento de un transductor

electroestático se procede a obtener las ecuaciones por las que se rige nuestro

modelo.

La primera de ellas está asociada al movimiento mecánico y vendrá

definida por el equilibrio de fuerzas del sistema.

(8)

La segunda ecuación viene definida por la segunda ley de Kirchhoff en el

circuito formado por la batería, la resistencia y el condensador.

(9)

La fuerza eléctrica de un condensador podemos obtenerla a partir de su

potencial como

(10)

Partiendo de la capacidad del condensador y de la tensión entre las

placas, la energía almacenada viene dada por

(11)

Donde la capacidad del condensador podemos obtenerla conociendo la

permitividad del medio , el área de las placas y la distancia entre ellas.

(12)

Siendo la carga eléctrica. Reescribiendo la ecuación de la energía

almacenada tenemos

(13)

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captación de energía

32

En consecuencia la será

(14)

Reescribiendo la corriente como variación temporal de la carga

(15)

Finalmente quedan las ecuaciones de estado de nuestro modelo

(16)

(17)

2.4. Adimensionalización de las ecuaciones de estado

A continuación se procede a realizar el adimensionalizado de las

ecuaciones de estado con el objetivo de minimizar el número de parámetros y

facilitar su estudio posterior.

Usaremos como variable temporal adimensional y y como nuevas

variables adimensionales de forma que

(18)

(19)

(20)

de modo que las variables temporales de y quedan como

(21)

(22)

(23)

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captación de energía

33

Aplicando los cambios, las ecuaciones de estado quedan

(24)

(25)

reordenando términos

(26)

(27)

Tomando ahora , , y como

(28)

(29)

(30)

(31)

La ecuación (26) queda

(32)

De manera análoga definimos los parámetros adimensionales y

como

(33)

(34)

Permitiendo reescribir la ecuación (27) como

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captación de energía

34

(35)

De esta manera quedan adimensionalizadas las ecuaciones que

gobiernan nuestro modelo, quedando nuestro sistema definido por los

parámetros , y

(36)

(37)

2.5. Valores admisibles de variables y parámetros

En este punto, se hace un inciso para estudiar los posibles valores que

pueden tomar los parámetros de nuestro sistema adimensionalizado, dado que

posteriormente será de utilidad. Partimos de la base de que físicamente las

siguientes magnitudes son estrictamente positivas: , , , , , , . A partir

de estos datos y de las ecuaciones (28), (29), (30), (31) y (33) se deduce que

, , , y son igualmente estrictamente positivas. Adicionalmente, dado

que puede tomar cualquier valor, es un parámetro libre al igual que la

variable de estado . Respecto a la variable de estado , aunque

matemáticamente no estaría limitada, sí que lo está físicamente, dado que

significaría que es la distancia entre placas, es decir, el contacto

limitaría físicamente un valor mayor de . Por lo tanto, acotamos el valor de

en el intervalo .

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captación de energía

35

3. ESTUDIO DEL SISTEMA

En este apartado se profundiza en el estudio del sistema y se

particulariza para tres escenarios concretos. En el primer caso se trata el

sistema como aislado, es decir, en ausencia de excitación externa. En segundo

lugar se estudia la respuesta del sistema ante diferentes entradas de tensión y

por último se estudia la respuesta ante una excitación mecánica externa.

Finalmente se hace un análisis del acondicionamiento que es necesario llevar a

cabo a la salida de los transductores electroestáticos para permitir alimentar a

otros dispositivos como emisores o sensores.

3.1. Caso 1: Sistema sin excitación

En este caso se focaliza en el estudio de las ecuaciones que forman

nuestro sistema diferencial con el objetivo de obtener información cualitativa del

comportamiento de las respuestas.

Para comenzar pasamos a presentar las ecuaciones de estado

obtenidas como un sistema de ecuaciones diferenciales de la forma

(38)

Al tratarse de un sistema de segundo orden autónomo, se procede a la

transformación en un sistema de ecuaciones de primer orden para facilitar el

tratamiento de las ecuaciones. Para ello se realiza el siguiente cambio de

variables

(39)

Quedando ahora un sistema de tres ecuaciones diferenciales de primer

orden

(40)

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captación de energía

36

Donde

(41)

(42)

(43)

Se trata de un sistema de ecuaciones no lineal, puesto que encontramos

el término en la segunda ecuación y el término en la tercera.

A continuación se procede a estudiar el equilibrio y la estabilidad del

sistema en función de los parámetros. Esto permite conocer los límites de

funcionamiento estable, así como deducir cómo serán las respuestas del

sistema ante diferentes entradas. Para ello procederemos a la linealización de

nuestro sistema en torno a dichos puntos de equilibrio.

3.1.1. Equilibrio del sistema

Los puntos de equilibrio del sistema vendrán dados por las

condiciones

(44)

Resolviendo obtenemos los puntos de equilibrio definidos por

(45)

(46)

Sustituyendo la ecuación (45) en (46) queda

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captación de energía

37

(47)

A continuación se representan los puntos de equilibrio en el plano

y en el plano

Figura 12. Puntos de equilibrio del sistema en el plano

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captación de energía

38

Figura 13. Puntos de equilibrio del sistema en el plano

Como se ha visto anteriormente, los valores físicamente admisibles de la

variable se encuentran en el intervalo , por lo tanto, parte de los

valores de esta gráfica no serán alcanzables físicamente.

Igualmente se puede observar en la figura 12 que para cada valor de

sólo existe un valor de tensión admisible en el equilibrio, pero sin embargo para

ciertos valores de tensión existen distintos valores de carga de equilibrio

admisibles. Más adelante se demostrará que sólo uno de estos equilibrios es

estable.

3.1.2. Linealización del sistema

Al tratarse de un sistema no lineal se procede a su linealización para

examinar posteriormente la estabilidad en un entorno próximo a los puntos de

operación obtenidos en el apartado anterior.

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captación de energía

39

Consideramos el sistema (36), definido por

(48)

(49)

(50)

con puntos críticos en , , . Entonces realizando

una aproximación en serie de Taylor en torno a los puntos críticos, evaluando

las derivadas parciales en y despreciando los términos de orden

superior al lineal

(51)

(52)

(53)

Se puede reescribir como

=

(54)

Donde es la matriz jacobiana del sistema. Particularizando para

nuestro sistema y evaluando en los puntos de equilibrio obtenidos en el

apartado anterior queda

(55)

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captación de energía

40

De esta manera, el sistema (40) se encuentra próximo al sistema lineal

(56)

en las cercanías de los puntos de equilibrio . Como

consecuencia, el comportamiento y estabilidad de las trayectorias del sistema

36 cerca de los puntos críticos serán los mismos que en el sistema linealizado.

3.1.3. Estabilidad del sistema

Según el Teorema de Linealización de Liapunov y Poincaré se puede

afirmar que:

-Un punto crítico del sistema (40) es asintóticamente estable si todos los

autovalores de la matriz poseen parte real negativa.

-Un punto crítico del sistema (40) es inestable si la matriz posee algún

autovalor con parte real positiva

Por lo tanto, se procede a estudiar la estabilidad del sistema en función

de los autovalores de la matriz jacobiana.

Los autovalores son las raíces del polinomio característico de la matriz

definido por

(57)

Que operando queda

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captación de energía

41

(58)

Por el criterio de Ruth-Hurwitz se sabe que si definimos el polinomio

característico como

(59)

Una de las condiciones necesarias para que se cumpla el criterio de

estabilidad en torno a un punto de equilibrio es que todos los valores de los

coeficientes sean estrictamente positivos. Por lo tanto debe cumplirse

(60)

Como se vio en el apartado 2.4, el parámetro es estrictamente mayor

que 0, de manera que para garantizar la estabilidad debe cumplirse

(61)

Esto implica según las ecuaciones (45) y (47) que la región de

estabilidad para y se encuentra entre

(62)

(63)

Este mismo resultado ya podía intuirse en la figura 12. Físicamente, este

comportamiento se corresponde con el fenómeno conocido como “pull-in”.

3.1.4. Análisis físico de la estabilidad. Fenómeno de

pull-in

Se puede demostrar que a partir de una determinada tensión, la fuerza

electroestática de atracción entre las placas del condensador es mayor a la

fuerza que ejerce el muelle, creando una retroalimentación positiva en la que

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captación de energía

42

disminuye el hueco entre placas hasta el colapso dado por la unión de ambas

placas del condensador.

En una posición de equilibrio las únicas fuerzas que interactúan en el

sistema son la fuerza electroestática de atracción entre placas y la fuerza que

ejerce el muelle. La primera viene dada según la ecuación (14) por

(14)

Transformándola con ayuda de la ecuación (12) queda

(64)

Por otro lado, la fuerza que ejerce el muelle es

(65)

Luego podemos obtener la ecuación de la fuerza neta en el equilibrio

como

(66)

Designando cómo positiva la fuerza en el sentido positivo del eje , es

decir, disminuyendo la distancia entre placas.

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captación de energía

43

Figura 10. Fuerzas que actúan sobre la placa en el equilibrio

En el equilibrio la fuerza neta será nula. Se estudia ahora cómo afectaría

una pequeña perturbación en la distancia entre placas al estado de equilibrio.

Se denota esta perturbación por . La fuerza neta en esta situación

variará cómo

(67)

Si la variación de la fuerza es positiva, el punto de equilibrio será

inestable, ya que un pequeño aumento en la variable , o lo que es lo mismo,

una pequeña disminución de la distancia entre placas, provocaría que la fuerza

atractiva aumentase, retroalimentando de este modo el sistema hasta su

colapso. En cambio, si la variación de la fuerza fuese negativa, ésta haría que

el sistema volviese a una posición de equilibrio, por lo que nos encontraríamos

ante un punto de equilibrio estable. Particularizando, la variación de la fuerza

neta para pequeñas variaciones de la posición queda

(68)

Por lo tanto, para que el punto de equilibrio sea estable debe cumplirse

(69)

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captación de energía

44

Dado que la distancia de equilibrio entre placas disminuye al aumentar la

tensión, si se aumenta la tensión por encima de un cierto valor se perderá la

estabilidad del sistema. Esta es la tensión de “pull-in” . Justo en esta

situación la ecuación (69) pasa a ser

(70)

En este punto se sigue cumpliendo el equilibrio de fuerzas de la

ecuación (66), por lo tanto

(71)

A partir de las ecuaciones (70) y (71) se llega a que el fenómeno de

“pull-in” sucede para un valor de

(72)

Este resultado confirma el obtenido matemáticamente mediante el

estudio de la estabilidad del sistema a partir de los autovalores de la matriz

jacobiana, ya que si adimensionalizamos el resultado obtenido se tiene

(73)

que es el valor límite que ya se obtuvo mediante los autovalores en la

ecuación (63). Es decir, para valores superiores de el equilibrio no se

encontrará en la zona de estabilidad. El valor del voltaje crítico en bornes del

condensador puede obtenerse fácilmente a partir de las ecuaciones (71) y (72)

(74)

De igual manera es posible comprobar que se corresponde con el

resultado obtenido mediante el estudio de estabilidad por autovalores dado en

la ecuación (62). Si normalizamos el valor obtenido dividiendo por

nos queda

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captación de energía

45

(75)

que es el mismo límite de estabilidad que se obtuvo en el apartado

anterior.

También es posible comprobar este fenómeno de manera gráfica

examinando las dos componentes de la fuerza que permiten alcanzar el

equilibrio. Por comodidad se procede a normalizar las variables

(76)

(77)

Con estos cambios de variables, la condición de equilibrio (66) queda

como

(78)

A continuación se representan las dos componentes de la fuerza por

separado en tres situaciones diferentes: la primera para una tensión

normalizada inferior a la tensión de “pull-in”, la segunda para , es

decir, justo en el límite de estabilidad y por último con una tensión normalizada

de , superior a la tensión de “pull-in”.

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46

Figura 14. Equilibrio de fuerzas para

Figura 15. Equilibrio de fuerzas para

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captación de energía

47

Figura 16. Equilibrio de fuerzas para

Puede observarse en la primera gráfica que ambas curvas se cortan,

existiendo un equilibrio estable, mientras que en la tercera no se produce

intersección alguna, por lo que no existe estabilidad. En la segunda se puede

observar cómo en el límite la posición normalizada es , corroborando el

resultado anteriormente obtenido.

En sistemas MEMS resulta de vital importancia el conocimiento y control

de este comportamiento para evitar el colapso de los transductores y garantizar

su correcto funcionamiento, ya que además de encontrarse fuera del rango de

funcionamiento para el cuál es diseñado, el contacto entre los electrodos o

entre el electrodo y la placa electrolítica provoca un deterioro del dispositivo y la

descarga parcial de la placa electrolítica, disminuyendo de este modo su

estabilidad y acortando su vida útil.

Una opción económica y sencilla para evitar que se produzca este

fenómeno es introducir una capa de material dieléctrico del grosor adecuado

entre las placas del condensador, evitando de esta forma que las placas

puedan llegar a contactar. De cualquier forma, en la fase de diseño hay que

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captación de energía

48

tener presente que se debe evitar alcanzar en cualquier momento la tensión de

“pull-in”.

3.1.5. Análisis de los polos del sistema en función de

los parámetros.

Resulta de interés estudiar el tipo de respuesta que tendrá el sistema

según los parámetros en la región estable de funcionamiento. Para ello, se

realiza un estudio más pormenorizado de los autovalores del sistema

linealizado, los cuales se corresponden con los polos del mismo.

Como ya se vio en el apartado 3.1.3, un punto crítico del sistema (40) es

asintóticamente estable si todos los autovalores de la matriz poseen parte

real negativa. Además, dentro de la región estable, en función de la ubicación

de los polos la respuesta tendrá un comportamiento diferente. Concretamente

se puede demostrar que un sistema es sobreamortiguado si todos sus polos se

encuentran en el eje real. De manera análoga, el sistema será subamortuguado

si posee un par de polos complejos conjugados con parte real negativa tal

como se muestra en la figura 17.

Figura 17. Respuesta del sistema en función de la ubicación de sus polos

Matlab permite calcular los polos en función de los parámetros del

sistema en los puntos de equilibrio obtenidos en el apartado 3.1.1. De este

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captación de energía

49

modo es posible realizar una gráfica en la que se muestren las zonas de

comportamiento subamortiguado y sobreamortiguado al variar alguno de los

parámetros dentro de la región estable de funcionamiento.

En las figuras 18 y 19 se puede observar para qué valores de la

respuesta del sistema será subamortiguada, sobreamortiguada o críticamente

amortiguada (línea que separa ambas regiones) ante una pequeña

perturbación en el rango de comportamiento estable para y en

función de los puntos de equilibrio dados por .

Figura 18. Respuesta del sistema en función del parámetro para

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captación de energía

50

Figura 19. Respuesta del sistema en función del parámetro para

Como puede observarse, el amortiguamiento es fácilmente controlable

variando el parámetro , que a su vez depende directamente de , coeficiente

de amortiguamiento del sistema.

3.2. Caso 2: Estudio del sistema ente una excitación de

tensión

En este apartado se pretende profundizar en la respuesta del sistema

real ante una excitación externa. Concretamente se verá cómo reacciona ante

una variación en la tensión de entrada. La situación que se plantea en este

apartado, aunque se aleja del objetivo principal de este estudio, podría venir

motivada por la necesidad de diseñar un dispositivo cuyo objetivo fuese el

control de posición de una determinada parte móvil.

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captación de energía

51

En esta situación, de manera general no es posible trabajar con el

sistema linealizado anterior, puesto que no se puede garantizar que el

movimiento requerido se encuentre en las proximidades de algún punto

concreto de equilibrio. Por ello es necesario emplear el sistema completo de

ecuaciones, y dado que un sistema no lineal es difícilmente resoluble

analíticamente, se procede a realizar la integración directa con ayuda de

Matlab.

Para estudiar este caso se modifica el sistema de ecuaciones (40)

incluyendo una entrada de tensión que será la excitación externa

quedando el sistema

(79)

A continuación, en la figura 20 se presenta un esquema que refleja el

modelado del sistema de ecuaciones (79) con ayuda de la herramienta

Simulink de Matlab.

Figura 20. Modelado de las ecuaciones del circuito en Simulink

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captación de energía

52

Esta herramienta utiliza comandos de integración numérica de Matlab y

permite realizar simulaciones de sistemas no lineales. A partir de aquí es

posible obtener resultados de las diferentes variables del sistema en función de

una entrada de tensión . Por ejemplo, en las figura 21 y 22 podemos ver la

respuesta de la posición y velocidad de la placa respectivamente al aplicar a la

entrada de tensión un escalón de valor en .

Figura 21. Respuesta de la posición ante una entrada de tensión de valor

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captación de energía

53

Figura 22. Respuesta de la velocidad ante una entrada de tensión de valor

Sin embargo, este modelo presenta algunas limitaciones. No es capaz

de reflejar los límites físicos que algunas de las variables del sistema tienen tal

como se demostró en el apartado 2.5. Por este motivo, aunque la respuesta del

sistema es fiel a la realidad en los rangos de estabilidad mostrados en el

apartado 3.1.3, fuera de estos permite alcanzar ciertos valores a algunas

variables que quedan fuera de los rangos físicamente admisibles. A

continuación se muestra un esquema del sistema mejorado, en el que se

incluyen elementos que permiten modelar el fenómeno de “pull-in” que ya se

explicó en el apartado 3.1.4 y acotar las variables para un estudio más realista.

Figura 23. Modelo mejorado de las ecuaciones del circuito en Simulink

En este modelo se ha incluido entre otros, los siguientes elementos

nuevos que permiten una simulación más cercana al comportamiento real del

dispositivo

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captación de energía

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Figura 24. Conmutador

Figura 25. Operador lógico de posición

Figura 26. Operador lógico de aceleración

El conmutador se utiliza para poder simular los momentos siguientes al

“pull-in”. En condiciones normales la salida que emite es la aceleración del

sistema, mientras que si se da la condición de “pull-in” pasa a dar como salida

una aceleración nula para simular el comportamiento real tras la colisión entre

placas. El operador lógico de la figura 25 tiene dos objetivos en el esquema. El

primero como condición de disparo del conmutador en el momento en que se

alcanza el valor de que se corresponde con la colisión entre placas o

“pull-in”. Y el segundo objetivo es resetear el integrador de velocidad para que

la velocidad pase a valer 0 tras la colisión. Por último, el operador lógico de la

figura 26 se utiliza para permitir de nuevo el funcionamiento tras la descarga

del condensador, es decir, en el momento en que la fuerza del muelle sea

superior a la fuerza electroestática de atracción entre placas.

A continuación se presenta la respuesta de la simulación con las nuevas

modificaciones ante una entrada en tensión que supera los límites de

comportamiento estable del sistema. En las figuras 27, 28 y 29 puede

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captación de energía

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observarse la evolución de la carga , posición y velocidad

respectivamente

Figura 27. Respuesta de la carga ante una entrada de tensión variable

Figura 28. Respuesta de la posición ante una entrada de tensión variable

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captación de energía

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Figura 29. Respuesta de la velocidad ante una entrada de tensión variable

En ellas se puede comprobar que el modelo se asemeja al

funcionamiento real en caso de aplicar una tensión de entrada que exceda de

la zona de comportamiento estable, permitiendo observar el fenómeno del “pull-

in” al sobrepasar la tensión de entrada límite anteriormente calculada

.

3.3. Caso 3: Estudio del sistema ente una excitación

mecánica

De manera análoga al apartado anterior, en este se pretende profundizar

en el conocimiento de la respuesta real del sistema ante una excitación

mecánica mediante simulación. Sin embargo, en este caso la situación

planteada podría ser de una mayor utilidad: la obtención de energía eléctrica a

partir de un movimiento mecánico vibratorio.

Como sucedía en el apartado anterior, en este caso tampoco podemos

garantizar un movimiento en un entorno muy próximo a una determinada

posición de equilibrio, por lo que resulta inapropiado el uso del sistema

linealizado del apartado 3.1.2. Por este motivo se realiza la integración directa

de las ecuaciones con ayuda de Matlab para la simulación.

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captación de energía

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En este caso, al esquema objeto de estudio le incorporamos una fuerza

externa que será la excitación mecánica como se muestra en la siguiente figura

Figura 30. Modelo del circuito sometido a una excitación mecánica externa

Modificando el sistema de ecuaciones (40) de forma que incorpore la

nueva excitación externa nos queda el sistema

(80)

Dado que el sistema a analizar es muy similar al (40), para realizar las

simulaciones sólo es necesario hacer una pequeña modificación en el

diagrama de bloques de la figura 23 como se muestra en la siguiente figura,

donde se ha introducido únicamente una fuente adicional en el sumatorio de

integración que se corresponde con la excitación mecánica externa

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Figura 31. Modelado del sistema de ecuaciones (80) en Simulink

Este nuevo modelo permite simular diferentes tipos de señales

vibratorias como entrada según sea la fuente que origina la vibración. Dado

que existe una gran diversidad de vibraciones mecánicas ambientales de las

que puede nutrirse el convertidor, en este apartado se muestran algunos

ejemplos de aquellas de las que puede obtenerse un mayor rendimiento:

vibraciones con una frecuencia y amplitud constantes como las que puede

generar la maquinaria industrial. El conocimiento de este tipo de entradas

permite un diseño más preciso del dispositivo para conseguir unos mayores

niveles de resonancia dada una frecuencia concreta y maximizar así la

potencia obtenida .

A continuación se muestran las diferentes salidas de las variables y

ante una señal de entrada senoidal y otra cuadrada periódica

obtenidas por simulación en Simulink.

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Figura 32. Señales de salida y ante una excitación mecánica senoidal

Figura 33. Señales de salida y ante una excitación de onda cuadrada

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captación de energía

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3.4. Acondicionamiento de la señal de salida

Como se indicó en el apartado 1.2, los convertidores electroestáticos se

caracterizan por tener unas tensiones de salida elevadas que pueden superar

el centenar de voltios, así como unas corrientes bajas del orden de . Por este

motivo no es posible conectar directamente la salida a ningún dispositivo y es

necesario un circuito acondicionador para ajustar la tensión de salida del

transductor electroestático.

Dado que las potencias que son capaces de generar estos dispositivos

MEMS de recolección de energía son generalmente bajas, el circuito

acondicionador debe ser lo más sencillo posible para evitar en la medida de lo

posible pérdidas en esta fase.

En el caso de condensadores no electrolíticos en los que es necesaria

una fuente externa para polarizar el condensador, en la etapa acondicionadora

suele utilizarse un ciclo de carga constante, ya que es más sencillo de

implementar y tiene un menor consumo energético que un ciclo de tensión fija.

Para alcanzar mayores potencias el condensador debe ser polarizado con una

tensión elevada, normalmente superior a . Dado que las tensiones de

alimentación para este tipo de dispositivos es habitualmente muy inferior ,

es necesario un circuito para elevar la tensión hasta la tensión de polarización.

Del mismo modo la salida del transductor puede ser del orden del centenar de

voltios, lo cual hace necesario un circuito que permita reducir la tensión hasta

un valor adecuado. Para limitar las pérdidas suele utilizarse una misma fuente

para alimentar el circuito y recolectar la carga al finalizar la conversión

mecánica en eléctrica y la transferencia de carga se realiza a través de un

mismo convertidor DC-DC. En la siguiente figura se muestra un esquema del

procesamiento de la señal.

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Figura 34. Esquema de procesamiento de la señal eléctrica

En el caso de los condensadores electrolíticos, éstos realizan la

conversión directamente sin necesidad de una fuente externa para polarizar el

condensador. Sin embargo, sigue siendo necesario acondicionar la salida del

transductor. Existen dos tipos de convertidores susceptibles de ser utilizados:

los convertidores pasivos y activos.

3.4.1. Acondicionamiento pasivo

Se trata del circuito mostrado en la siguiente figura, en el que tan sólo se

utiliza un puente de diodos y un condensador que hace la función de regulador

de la tensión de salida.

Figura 35. Esquema de circuito de acondicionamiento pasivo simple

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captación de energía

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Es la forma más simple de convertir los valores de salida del transductor

con elevadas tensiones y bajas corrientes a una fuente de tensión continua de

susceptible de ser utilizada por sensores u otros dispositivos. Además, al

tener muy pocos elementos, el consumo energético de la etapa

acondicionadora es bajo. Sin embargo es muy poco eficiente. En la siguiente

gráfica se muestra la potencia normalizada en función de la tensión del

condensador de regulación. Puede observarse que para una tensión pequeña

de salida el rendimiento decae de manera considerable, desviándose mucho de

la potencia óptima.

Figura 36. Curva de potencia normalizada en función de la tensión de salida

La tensión óptima del condensador de regulación en un convertidor

electroestático se encuentra cercana a la mitad de la tensión de salida del

convertidor electroestático en circuito abierto que suele ser de varios cientos de

voltios. Por lo tanto, para alimentar dispositivos a una tensión de sin reducir

drásticamente la eficiencia del convertidor se requiere un acondicionamiento

activo.

3.4.2. Acondicionamiento activo

Este circuito se presenta como evolución del anterior para mejorar el

rendimiento global del convertidor. Como se ha visto anteriormente, es

necesaria la implementación de un convertidor DC-DC para disminuir la

tensión. Los convertidores más frecuentemente utilizados son el buck, buck-

boost y flyback. Este último es el que presenta mayores ventajas y flexibilidad

de diseño y por ello se profundiza en su conocimiento.

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Figura 37. Esquema de un circuito de acondicionamiento activo tipo flyback

Para maximizar el rendimiento, como se ha visto en el apartado anterior,

es conveniente mantener la tensión de salida del condensador electroestático

en un entorno próximo al de máximo rendimiento. Para conseguirlo, este

acondicionador posee un condensador de regulación a la salida del puente de

diodos. Sin embargo, a diferencia del anterior, este circuito incorpora un

convertidor DC-DC que permite mantener a la salida del puente de diodos una

tensión elevada, mientras que en la bobina secundaria del trasformador

mantiene la tensión en un rango cercano a los , admisible para ser utilizada

por sensores u otros dispositivos. Para optimizar el proceso y trabajar con una

tensión primaria en un entorno cercano a la tensión óptima, se sincronizan los

interruptores y de la figura 37 de manera que cuando en el primario se

alcanza una tensión que supere en un a la tensión óptima de trabajo

el se cierra durante un tiempo , permitiendo el paso

de corriente que alimenta al circuito magnético. Posteriormente se cierra

permitiendo el paso de parte de la energía almacenada hacia el condensador

de regulación a través del transformador M. Este proceso permite mantener

la tensión primaria en un rango de de la tensión óptima de

funcionamiento en cada ciclo. En la siguiente gráfica se puede comprobar

cómo la evolución de la tensión a la salida del puente de diodos queda acotada

en valores próximos al de máximo rendimiento, optimizando así la potencia

extraída.

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captación de energía

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Figura 38. Tensión de salida del acondicionador

La evolución de las tensiones en ambos extremos del convertidor flyback

se muestran a continuación.

Figura 39. Tensiones y corrientes durante el proceso de conversión

Al incluir un condensador de regulación en el primario con una

capacidad elevada (del orden del centenar de nanofaradios) se contribuye

también a disminuir la influencia de las capacidades parásitas en el

condensador de recolección, que es uno de los inconvenientes que se

expusieron en el apartado 1.2 para este tipo de transductores, ya que pueden

reducir considerablemente su rendimiento.

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captación de energía

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Adicionalmente, este circuito de acondicionamiento permite la

implementación de múltiples transductores en paralelo con un solo

acondicionador que transforme la energía total suministrada por cada uno de

los dispositivos, reduciendo de este modo las pérdidas individuales que tendría

cada circuito por separado.

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4. CONCLUSIONES

Tras el estudio que se ha realizado de este tipo de convertidores

electromecánicos se procede a evaluar globalmente su interés como

mecanismo de recolección de energías renovables.

Dentro de los tres sistemas de recolección de energías mecánicas de

vibración expuestos, el electroestático sea probablemente el que menos se ha

desarrollado por el momento, a mucha distancia de los dispositivos

piezoeléctricos. Sin embargo, como se ha expuesto anteriormente, estos

transductores poseen grandes ventajas como son la capacidad de alcanzar

altos valores de acoplamiento, la posibilidad de producir en serie grandes

cantidades a muy bajo coste con materiales económicos y que son capaces de

resistir altas temperaturas.

Pese a que sin duda también cuentan con numerosos inconvenientes

como las bajas capacidades del transductor, altas tensiones de salida y bajas

corrientes, se ha podido demostrar que con ciertas mejoras en el

acondicionamiento de la señal, estos dispositivos son capaces de satisfacer las

necesidades de pequeños receptores como sensores o emisores, de manera

que puedan proporcionarles la energía necesaria para funcionar de manera

autónoma en el entorno adecuado.

A continuación se repasan las limitaciones más evidentes de estos

dispositivos:

La reducción de tamaño. Como se explicó en la introducción,

uno de los objetivos principales de estos convertidores es

tener un tamaño reducido para poder formar parte de

dispositivos MEMS. Sin embargo, como se ha podido

comprobar, la potencia de salida será proporcional a la masa

móvil, por lo que tampoco es útil reducir el tamaño a cualquier

coste. Además, esta reducción se hace particularmente

complicada cuando se trata el diseño de dispositivos con una

frecuencia resonante inferior a . En consecuencia, es

difícil imaginar transductores con una superficie inferior a

que puedan proporcionar una potencia decente .

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Frecuencias de operación. Las vibraciones mecánicas

ambientales susceptibles de ser utilizadas por estos

dispositivos se caracterizan generalmente por tener una baja

frecuencia, inferior a . Además, el espectro de

frecuencias suele extenderse en un amplio rango. Esta

circunstancia hace que, por un lado sea difícil diseñar un

dispositivo con un alto rendimiento para todo el rango de

frecuencias, y por otro lado, al ser las frecuencias mecánicas

generalmente bajas, las vigas necesarias para la confección

del dispositivo deben ser largas y delgadas. Esto en

dispositivos MEMS dificulta su fabricación y aumenta su

fragilidad, más aún cuando deben someterse a un alto número

de ciclos.

Control del “pull-in”. Otra de las variables directamente

relacionadas con la potencia extraída del dispositivo es la

variación de la capacidad, la cual a su vez está estrechamente

relacionada con el hueco entre las placas. El control de la

distancia entre placas debe ser muy preciso y es necesario

minimizarlo para alcanzar altas capacidades sin que llegue a

producirse el “pull-in” y el consiguiente fallo eléctrico y

deterioro del dispositivo.

Estabilidad de las placas electrolíticas. En el caso de

condensadores electroestáticos, es fundamental mantener una

estabilidad de la placa electrolítica elevada que garantice el

correcto funcionamiento durante el mayor tiempo posible.

Como se explicó en el apartado 1.5. condiciones ambientales

como la humedad o temperatura pueden afectar

significativamente a su estabilidad. Además, el contacto entre

la placa electrolítica y el electrodo debe ser evitado, ya que

puede provocar la descarga parcial de la placa y

consecuentemente disminuir la estabilidad en un tiempo

inferior al estimado.

Propiedades mecánicas. Otro aspecto a tener en cuanta es el

elevado número de ciclos al que estos dispositivos deben ser

sometidos (más de billones de ciclos anuales para un

transductor que funcione a ). Esto puede provocar el

cambio de la frecuencia de resonancia debido a la fatiga y el

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captación de energía

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rendimiento puede resultar seriamente afectado. En

consecuencia, deben diseñarse dispositivos muy robustos

capaces de mantener la frecuencia de resonancia próxima a la

frecuencia de vibración durante toda su vida útil.

En la actualidad, como se adelantó en el apartado 3.3, el campo en el

que podrían tener un mayor crecimiento este tipo de transductores es en la

industria puesto que hay una gran cantidad de maquinaria que genera algún

tipo de vibración mecánica, y en muchos de los casos con una frecuencia fija,

lo que facilita el diseño y optimización del rendimiento al poder alcanzar altos

niveles de resonancia para una frecuencia determinada.

Con vistas al futuro, posiblemente los requerimientos energéticas de los

receptores disminuyan, permitiendo de este modo aumentar la utilidad y

eficacia de los transductores. En este escenario, y unido a la creciente

necesidad de conocimiento de nuestro entorno, puede esperarse que estos

sistemas conecten con ciertas necesidades industriales y al mismo tiempo se

encuentren nuevas aplicaciones de utilidad. Del mismo modo, será de gran

interés el desarrollo de dispositivos que permitan modificar la frecuencia de

resonancia del sistema para adaptarla a diferentes vibraciones o incluso para

permitir mantener la frecuencia de resonancia óptima cuando el dispositivo se

vea afectado por fatiga y disminuya sus prestaciones.

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Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo para la

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5. BIBLIOGRAFÍA

[1] S. Boisseau, G. Despesse and B. Ahmed Seddik, Electrostatic

Conversion for Vibration Energy Harvesting, Small-Scale Energy Harvesting,

Intech, 2012

[2] Stephen D. Senturia, Microsystem Design, Massachusetts Institute of

Technology, 2002

[3] K A Cook-Chennault, N Thambi and A M Sastry, Powering MEMS

portable devices, 2009

[4] Dhakar, Lokesh, Triboelectric Devices for Power Generation and Self-

Powered Sensing Applications, 2017

[5] Kenji Uchino and Takaaki Ishii, Energy Flow Analysis in Piezoelectric

Energy Harvesting Systems, 2010

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6. ANEXO

Códigos Matlab utilizados.

Figura 12. Gráfica puntos de equilibrio del sistema en el plano

q=[-2:0.01:2]; x=0.5*q.^2; plot(q,x) axis([-2.2 2.2, -0.2 2.2]) xlabel('q') % Etiqueta el eje horizontal ylabel('x') % Etiqueta el eje vertical

Figura 13. Gráfica puntos de equilibrio del sistema en el plano

q=[-2:0.01:2]; x=0.5*q.^2; V0=q.*(1-x); plot(q,V0) axis([-2.2 2.2, -2.2 2.2]) xlabel('q') % Etiqueta el eje horizontal ylabel('V0') % Etiqueta el eje vertical

Figuras 14, 15 y 16. Equilibrio de fuerzas “pull-in”

v=input('Parámetro v: '); g=[]; f=[]; for d=0:0.01:1 f=[f;4*v^2/(27*(1-d)^2)]; g=[g;d]; end plot(g(:),f(:),'r',g(:),g(:),'.g') axis([0 1, 0 1]) xlabel('Z') % Etiqueta el eje horizontal ylabel('Fuerza') % Etiqueta el eje vertical legend('F. electroestática','F. muelle') % Leyenda

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Análisis y simulación de un sistema electromecánico de tipo capacitivo para la

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Figuras 18 y 19. Análisis de la respuesta del sistema en función del

parámetro

q=linspace(-sqrt(2/3),sqrt(2/3),100); l=length(q); r=input('Parámetro r: '); b=-1; i=0; M=[]; for s=1:l b=-1; Fi=0.0001; while b<0 Jac=[0 1 0;-1 -2*Fi q(s);q(s)/r 0 0.5*q(s)^2/r-1/r]; b=min(imag(eig(Jac))); Fi=Fi+0.0001; end M=[M;q(s) Fi-0.0001]; end plot(M(:,2),M(:,1),linspace(-0.2,1.5,100),-sqrt(2/3),'r.',linspace(-0.2,1.5,100),sqrt(2/3),'r.') axis([0.9 1.5,-1.1 1.1]); xlabel(' ') % Etiqueta el eje horizontal ylabel(' ')