Análisis de fuentes de vibración ambiental para su aprovechamiento en la microrrecolección de energía

Abstract

El presente trabajo trata de la caracterización de la energía y de la potencia, tanto mecánicas como eléctricas, en el ámbito de la microrrecolección de energía, y del análisis de las fuentes de vibraciones ambientales que se pueden emplear en dicho problema de recolección de energía. La caracterización de energía se va a hacer primero para el problema mecánico desacoplado, es decir, resolviendo la ecuación de movimiento del problema mecánico. En el transcurso de la caracterización de energía mecánica se siguen varias etapas con el fin de entender mejor el problema. Así, se estudia el mecanismo de cálculo de energía para una señal armónica, para varias señales, y se realiza de forma analítica y con un procedimiento en el que se parte del conocimiento de las aceleraciones de la base, lo que posibilita el estudio de resultados experimentales. Una vez que se tiene claro el mecanismo de recolección de energía mecánica y cómo afectan los distintos parámetros del problema, se estudia el problema electromecánico acoplado, con lo que se añade la parte eléctrica al problema. Se resuelve el sistema de ecuaciones del problema acoplado de dos formas diferentes, en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia, y se comparan para ver si proporcionan los mismos resultados y se analizan las ventajas e inconvenientes de la aplicación de cada método. Todo lo anterior se ha separado en el procedimiento teórico por un lado y el análisis de este desarrollo por otro. El análisis de las fuentes de vibración se va a centrar en las producidas por el paso de un tren de alta velocidad sobre un puente destinado al tráfico ferroviario. Se va a seguir dos procedimientos diferentes de caracterización de las vibraciones y del cálculo de la energía. En el primero se trabaja en el dominio de la frecuencia y del tiempo, y en el segundo, únicamente en el dominio de la frecuencia, haciendo uso de la identidad de Parseval. Para llevar a cabo este análisis se emplean los trenes de la serie HSLM-A definidos en el Eurocódigo 1, se eligen una serie de longitudes de puentes y unas bandas de frecuencias, también proporcionadas por ese estándar europeo. Antes de introducir los trenes en el estudio, se caracterizan las vibraciones del puente, para lo que se realiza un análisis modal, un estudio de la sensibilidad y el estudio de los fenómenos de respuesta dinámica máxima y cancelación en vibración libre, para una carga móvil pasando por el puente. Tras esto, se introducen los trenes y se estudia la parte mecánica del problema por separado, caracterizando la respuesta de los puentes y calculando tanto la energía como la potencia mecánica disponible. Esto se hace comprobando cómo afecta la elección de los parámetros de longitud y frecuencia del puente y los propios del tren como valor de las cargas o la composición del tren (número de vagones, distancia entre ejes, bojes, etc). Finalmente, se concluye el trabajo estudiando el problema acoplado introduciendo la parte eléctrica. Se comprueba que los resultados de desplazamientos y aceleraciones del dispositivo son los mismo que se obtienen con el problema mecánico por separado, y se estudia el voltaje del sistema y la energía y la potencia eléctrica que se aprovecharía.