Energy harvesting from human passive power
- Autores: María Loreto Mateu Sáez
- Directores de la Tesis: Francesc Moll Echeto (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2009
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Antonio Rubio Solà (presid.), Eduard Alarcon Cot (secret.), Pere Lluís Miribel Català (voc.), Gunther Röhmer (voc.), Peter Woias (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Las tendencias en la tecnología actual permiten la reducción tanto en tamaño como en potencia consumida de los sistemas digitales complejos. Esta disminución en el tamaño y el consumo da lugar al concepto de dispositivos portátiles que se integren en la vida pertenencias personales y cotidianas como ropa, relojes, gafas, etc. La fuente de alimentación es un factor limitante en la movilidad de los dispositivos portátiles que se ve reducida por la duración de la batería. Además, debido a los costos y difícil accesibilidad, la sustitución o recarga de las baterías a menudo no es viable para los dispositivos portátiles integrados en ropa inteligente. Los dispositivos vestibles están distribuidos en las pertenencias personales y, por tanto, la recolección de energía del usuario es una alternativa para su alimentación. Dispositivos vestibles pueden crear, al igual que los sensores de una red de sensores inalámbricos (WSN), una red de área corporal. El principal objetivo de esta tesis es el estudio de generadores piezoeléctricos, inductivos y termoeléctricos que recolectan energía del cuerpo humano de forma pasiva. El principio físico de un transductor es el mismo independientemente de si la fuente proviene del entorno o del cuerpo humano. Sin embargo, las limitaciones relacionadas con la baja tensión, corriente y niveles de frecuencia conllevan nuevos requerimientos que no están presentes en el caso de la utilización de las fuentes que ofrece el entorno y que suponen el principal desafío de esta tesis. El tipo de energía entrada y transductor a utilizar forman un tándem donde la elección de uno impone el otro. Es importante que las mediciones se realicen diferentes partes del cuerpo humano, mientras se realizan diferentes actividades físicas para localizar las posiciones y las actividades que producen más energía. El acoplamiento mecánico entre transductor y cuerpo humano depende de la ubicación del transductor y la actividad que se realiza. Un diseño específico, teniendo esto en cuenta puede aumentar más de un 200% la eficiencia del transductor como se ha demostrado con láminas piezoeléctricas situadas en plantillas de zapatos. Se han realizado mediciones de aceleraciones en diferentes partes del cuerpo y diferentes actividades para cuantificar la cantidad de energía disponible en actividades cotidianas. Se ha realizado una simulación a nivel de sistema, modelando los elementos de un sistema de energía autoalimentado. El transductor se ha modelado usando las ecuaciones físicas que lo describen con el objetivo de incluir la parte mecánica del sistema. Se han utilizado modelos eléctricos y de comportamiento para el resto de los componentes. De esta manera, el proceso de diseño de la aplicación en su conjunto (incluyendo la carga y un elemento de almacenamiento de energía cuando es necesario) se simplifica a la hora de lograr los requisitos planteados. Obviamente, la carga debe ser un dispositivo de bajo consumo como por ejemplo un transmisor RF. En este caso, es preferible alimentar la carga de forma discontinua, sin una batería, como se deduce de los resultados obtenidos mediante simulación. Sin embargo, la evolución de los transmisores RF de baja potencia puede cambiar esta conclusión en función sobre todo de la evolución del consumo de energía en stand-by y el tiempo de configuración para la operación de transmisión. Se ha deducido a partir del análisis de los generadores inductivos que el análisis en el dominio temporal permite calcular algunas magnitudes que no están disponibles en el dominio frecuencial. Por ejemplo, la potencia máxima se puede calcular en el dominio frecuencial, pero para aplicaciones de recolección de energía es más interesante saber el valor de la energía recuperada durante un cierto tiempo o la potencia media ya que la potencia generada por las actividades humanas pueden ser muy discontinua. Se ha demostrado que los transductores recolectores de energía son capaces de suministrar alimentación a dispositivos electrónicos de baja potencia, como quedó demostrado con un transmisor RF alimentado por una termogenerador que emplea el gradiente de temperatura existente entre el cuerpo humano y el entorno (3-5 K) y que es capaz de realizar medidas y transmitirlas una vez cada segundo
