Recolectores de Energía Basados en Microsistemas: Aplicaciones en Estructuras Aeronáuticas

Abstract

Este Trabajo de Fin de Grado aborda la viabilidad de emplear recolectores de energía piezoeléctricos en estructuras aeronáuticas para alimentar sensores y microcontroladores. El objetivo principal es desarrollar un sistema que capte energía ambiental de vibraciones mecánicas en un avión y la convierta en energía eléctrica mediante mecanismos de transducción piezoeléctrica. Esta energía se gestiona a través de un circuito gestor de potencia, permitiendo su almacenamiento y uso posterior para alimentar sensores y sistemas de control en la aeronave, mejorando así su monitoreo sin necesidad de cableado adicional. El sistema está compuesto por la maqueta del ala de un avión formada por una viga de acero carenada con un perfil NACA 4412 impresa en PLA, un motor instalado en la punta del ala que simula los efectos de las perturbaciones que pudiera sufrir durante el vuelo, y un recolector de energía piezoeléctrico multimorfo acoplado en la raíz el ala, El trabajo incluye el desarrollo de un modelo numérico integral. Primero, se utiliza un modelo de elementos finitos desarrollado en ANSYS© para analizar el comportamiento dinámico del ala y las tensiones en los componentes adicionales. Luego, se implementa en MATLAB© un modelo analítico del recolector, basado en un modelo electromecánico que evalúa la respuesta del dispositivo ante diversas excitaciones. Además, se desarrolla en MATLAB© un modelo de control PID del motor, que analiza la respuesta del motor y su estabilidad. Finalmente, se crea en LTSpice© un modelo del circuito gestor de potencia, que simula la energía disponible y la gestión de la misma para alimentar un LED que simula el consumo de un sensor y un microcontrolador. Tras estudiar la viabilidad del experimento utilizando el modelo numérico, el proyecto se culmina comparando los resultados teóricos con los experimentales y ajustando el modelo de modo que posteriormente pueda ser usado para optimizar el diseño del sistema en situaciones diferentes a las de laboratorio.

This Final Degree Project addresses the feasibility of using piezoelectric energy harvesters in aeronautical structures to power sensors and microcontrollers. The main objective is to develop a system that captures ambient energy from mechanical vibrations in the airplane and converts it into electrical energy through piezoelectric transduction mechanisms. This energy is managed through a power managment circuit, allowing its storage and subsequent use to power sensors and control systems in the aircraft, thereby improving its monitoring without the need for additional wiring. The system consists of a model airplane wing formed by a steel beam encased with a NACA 4412 profile printed in PLA, a motor installed at the tip of the wing that simulates the effects of disturbances that it might encounter during flight, and a multimorph piezoelectric energy harvester attached to the root of the wing. The project includes the development of an integral numerical model. First, a finite elements model developed in ANSYS© is used to analyze the dynamic behavior of the wing and the stresses in the additional components. Then, an analytical model of the harvester is implemented in MATLAB©, based on an electromechanical model that evaluates the device’s response to various excitations. Additionally, a PID control model of the motor is developed in MATLAB©, which analyzes the motor’s response and stability. Finally, a power management circuit model is created in LTSpice©, which simulates the available energy and its management to power an LED that simulates the consumption of a sensor and a microcontroller. After studying the feasibility of the experiment using the numerical model, the project concludes by comparing the theoretical results with the experimental ones and adjusting the model so that it can later be used to optimize the system’s design under different conditions from those in the laboratory.