El poder energético de las vibraciones

Las vibraciones están en todas partes: en los coches, trenes, aviones, bicicletas, en parlantes, en lavadoras, los rotores de una turbina eólica o hidráulica, en volcanes, etc. Si observamos atentamente, se puede concluir que en líneas generales y con algunas excepciones, mientras exista actividad mecánica existirán vibraciones. Pues la ciencia no tardó en darse cuenta de este factor y buscó la manera de convertir esa liberación de energía en aprovechable. Y lo logró, hoy en día podemos contar con equipos capaces de utilizar las vibraciones como fuente de energía renovable.

¿Cómo se pueden aprovechar las vibraciones?

Cada vibración difiere de otra en su frecuencia y magnitud. La primera se refiere al número de veces que se completa un ciclo de oscilación y se mide en Hercios (Hz). La magnitud se mide en m/s2 y denota la intensidad de la vibración, sea en unidades de desplazamiento, velocidad, o aceleración del elemento que vibra[1]. Los equipos que aprovechan la energía de las vibraciones presentan la flexibilidad de poder acoplarse a diferentes fuentes. En este sentido, un bien acoplamiento es fundamental para aprovechar la cantidad de energía que se transfiere del ambiente circundante al transductor. Así, la energía de las vibraciones y su aprovechamiento se basa en captar la diferencia entre el movimiento relativo de dos partes, la fuente de energía y el transductor, como lo muestra la Figura 1.

Sin embargo, este modelo es válido solo si la energía de la fuente es mayor en varios órdenes de magnitud que la masa del capturador de energía[2]. 

Foto: www.allaboutcircuits.com - Figura 1: Aprovechamiento de la energía de las vibraciones[2].

¿Cómo funcionan estos dispositivos?

Como concepto general, a nivel físico el voltaje que se genera por estos dispositivos es AC por lo que, contrario a la fotovoltaica, no necesitan inversores. Además, el voltaje de salida es proporcional a la velocidad del desplazamiento del dispositivo. Naturalmente, dada que existen diversos tipos de vibraciones, también existen diferentes tipos de capturadores de energía, pero el principio de funcionamiento es siempre el mismo. En el modelo que muestra la Figura 1, el movimiento de la fuente de energía se transfiere a una masa en movimiento, en este caso la del capturador de energía. Parte de la energía del movimiento se disipa por fricción y calor. El resorte de la figura almacena momentáneamente cierta cantidad de energía, que es luego liberada al invertir el movimiento, y el resto de la energía capturada se convierte en electricidad[2].

Tipos de dispositivos

Existen dispositivos piezoeléctricos, que aprovechan diversos tipos de stress como flexión, torsión, compresión, expansión o una combinación de estos. Funcionan de manera que cuando una fuerza externa es aplicada y se induce stress en la estructura, el mismo distribuye los esfuerzos para mantener su equilibrio original. Esta energía se libera y se aprovecha en aplicaciones como las mostradas en la Figura 2.

Foto: www.researchgate.net - Figura 2: Ejemplos de capturadores piezoeléctricos[3].

También están los capturadores electromagnéticos, en los que la masa móvil que se ven en la Figura 1 consiste en un imán móvil y la base es una bobina, tal como lo muestra la Figura 3.

Figura 3: Capturador electromagnético[4].

Los capturadores electrostáticos aprovechan la energía cinética, y emplean vibraciones mecánicas para cambiar la distancia entre las platas de un capacitor.

Estado de la tecnología y usos

La tecnología esta actualmente en etapa temprana de comercialización. El desarrollo de los diversos tipos de capturadores sigue abriendo mas puertas y descubriendo escenarios en los cuales esta tecnología puede ser aplicada.  

Desde su adaptación en canales pavimentados para crear energía a partir del tránsito vehicular hasta su inserción en suelas de zapatos para cargar dispositivos móviles, esta tecnología presenta flexibilidad en cuanto a su implementación. Mientras exista una vibración estable, sin shocks y con una frecuencia dominante, los capturadores de ondas vibratorias nos dan la oportunidad de aprovechar una fuente de energía que de otro modo estaríamos desechando. 

Referencias 

  • [1] ‘¿En qué unidades se miden las vibraciones? – Portal INSST – INSST’, Portal INSST. https://www.insst.es/-/-en-que-unidades-se-miden-las-vibraciones- (accessed Dec. 23, 2020). 
  • [2] ‘Introduction to Vibration Energy Harvesting – Technical Articles’. https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-vibration-energy-harvesting/ (accessed Dec. 23, 2020). 
  • [3] Z. Yang, S. Zhou, J. Zu, and D. Inman, ‘High-Performance Piezoelectric Energy Harvesters and Their Applications’, Joule, vol. 2, pp. 642–697, Apr. 2018, doi: 10.1016/j.joule.2018.03.011. 
  • [4] ‘Figure 2. A schematic of an electromagnetic vibration energy harvester.’, ResearchGate. https://www.researchgate.net/figure/A-schematic-of-an-electromagnetic-vibration-energy-harvester_fig2_329313374 (accessed Dec. 23, 2020). 

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