Las nuevas herramientas para cosechar energía eólica pronto se verán menos como molinos de viento gigantes y más como pequeños árboles sin hojas.
Un proyecto en la Universidad Estatal de Ohio está probando si los objetos de alta tecnología que se parecen un poco a árboles artificiales pueden generar energía renovable cuando son sacudidos por el viento, o por el balanceo de un edificio alto, el tráfico en un puente oincluso actividad sísmica.
En un número reciente de la Diario de sonido y vibración , los investigadores informan que han descubierto algo nuevo sobre las vibraciones que pasan a través de objetos en forma de árbol cuando se sacuden.
Específicamente, han demostrado que las estructuras en forma de árbol hechas con materiales electromecánicos pueden convertir fuerzas aleatorias, como vientos o pisadas en un puente, en fuertes vibraciones estructurales que son ideales para generar electricidad.
La idea puede evocar imágenes de campos llenos de árboles mecánicos que se mecen con la brisa. Pero la tecnología puede resultar más valiosa cuando se aplica a pequeña escala, en situaciones donde otras fuentes de energía renovables como la solar no son una opción, dijo el líder del proyectoRyan Harne, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en Ohio State, y director del Laboratorio de Investigación de Sonido y Vibración.
Los "árboles" en sí mismos serían estructuras muy simples: piense en un tronco con algunas ramas, no se requieren hojas.
Las primeras aplicaciones incluirían alimentar los sensores que monitorean la integridad estructural y la salud de la infraestructura civil, como edificios y puentes. Harne visualiza pequeños árboles que alimentan voltajes a un sensor en la parte inferior de un puente, o en una viga en el interior de un altoEdificio de altura.
El proyecto aprovecha la abundante energía vibratoria que nos rodea todos los días, dijo. Algunas fuentes son movimientos estructurales inducidos por el viento, actividad sísmica y actividad humana.
"Los edificios se balancean ligeramente con el viento, los puentes oscilan cuando conducimos sobre ellos y las suspensiones de los automóviles absorben los baches en el camino", dijo. "De hecho, hay una cantidad masiva de energía cinética asociada con esos movimientos que de otra maneraperdido. Queremos recuperar y reciclar parte de esa energía ".
Explicó. Los sensores monitorean la solidez de una estructura detectando las vibraciones que la atraviesan, explicó. El objetivo inicial del proyecto es convertir esas vibraciones en electricidad, de modo que los sistemas de monitoreo estructural puedan ser alimentados por las mismas vibraciones que sonsupervisión.
Hoy, la única forma de alimentar la mayoría de los sensores estructurales es usar baterías o enchufar los sensores directamente en las líneas de alimentación, las cuales son caras y difíciles de manejar para los sensores plantados en ubicaciones remotas. Si los sensores pudieran capturar energía vibratoria, podríanadquirir y transmitir de forma inalámbrica sus datos es una forma verdaderamente autosuficiente.
Al principio, la idea de usar dispositivos con forma de árbol para capturar las energías del viento o la vibración puede parecer sencilla, porque los árboles reales obviamente disipan la energía cuando se balancean. Y otros grupos de investigación han probado la efectividad de estructuras de árboles similares usando idealizados:es decir, no al azar: vibraciones.
Pero hasta ahora, los investigadores no han hecho un esfuerzo concertado para capturar vibraciones ambientales realistas con un dispositivo electromecánico en forma de árbol, principalmente porque se suponía que las fuerzas aleatorias de la naturaleza no serían muy adecuadas para generar las oscilaciones consistentes queproducir energías eléctricas útiles.
Primero, a través del modelado matemático, Harne determinó que es posible que las estructuras en forma de árbol mantengan las vibraciones a una frecuencia constante a pesar de las grandes entradas aleatorias, de modo que la energía se pueda capturar y almacenar de manera efectiva a través de circuitos de potencia. El fenómeno se llamaresonancia interna, y es cómo ciertos sistemas mecánicos disipan las energías internas.
En particular, determinó que podía explotar la resonancia interna para convencer a un árbol electromecánico de vibrar con grandes amplitudes a una baja frecuencia constante, incluso cuando el árbol experimentaba solo fuerzas de alta frecuencia. Incluso funcionaba cuando estas fuerzas estaban abrumadas significativamente porruido aleatorio adicional, ya que las vibraciones ambientales naturales serían en muchos entornos.
Él y sus colegas probaron el modelo matemático en un experimento, donde construyeron un dispositivo similar a un árbol con dos pequeñas vigas de acero, una "tronco" y otra "rama", conectadas por una tira deun material electromecánico, fluoruro de polivinilideno PVDF, para convertir las oscilaciones estructurales en energía eléctrica.
Instalaron el árbol modelo en un dispositivo que lo movía de un lado a otro a altas frecuencias. Al principio, a primera vista, el árbol no parecía moverse porque el dispositivo oscilaba con solo pequeñas amplitudes a una frecuencia alta.El PVDF produjo un pequeño voltaje del movimiento: aproximadamente 0,8 voltios.
Luego agregaron ruido al sistema, como si el árbol estuviera siendo empujado al azar un poco más de una forma u otra. Fue entonces cuando el árbol comenzó a mostrar lo que Harne llamó "fenómenos de saturación": alcanzó un punto de inflexión donde la energía de alta frecuenciade repente se canalizó hacia una oscilación de baja frecuencia. En este punto, el árbol se balanceó notablemente de un lado a otro, con el tronco y la rama vibrando en sincronía. Este movimiento de baja frecuencia produjo más del doble del voltaje, alrededor de 2 voltios.
Esos son voltajes bajos, pero el experimento fue una prueba de concepto: las energías aleatorias pueden producir vibraciones que son útiles para generar electricidad.
"Además, introdujimos cantidades masivas de ruido y descubrimos que el fenómeno de saturación es muy robusto y la salida de voltaje confiable. Eso no se sabía antes", dijo Harne.
Harne continuará este trabajo, que comenzó cuando era un investigador postdoctoral en la Universidad de Michigan. Allí, sus colegas y coautores en el documento fueron Kon-Well Wang y Anqi Sun del Departamento de Ingeniería Mecánica.
La fase inicial de esta investigación fue apoyada por el programa de verano de pregrado en Ingeniería de la Universidad de Michigan y la cátedra universitaria de la Universidad de Michigan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Ohio . Original escrito por Pam Frost Gorder. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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