Geração autónoma de energia elétrica usando arquitetura em levitação magnética com mecanismo adaptativo

Abstract

A geração de energia através de sistemas eletromagnéticos com arquitetura de levitação magnética é uma das soluções mais promissoras tanto para aplicações de pequena escala como de grande escala, devido ao seu baixo custo e manutenção reduzida. Já foram propostas diversas abordagens para modelar e simular as dinâmicas mecânica e elétrica dos processos de transdução deste tipo de geradores. No entanto, poucas metodologias, e de limitada eficácia, se focaram na otimização destes geradores. Nenhuma metodologia de otimização propôs um mecanismo adaptativo no gerador eletromagnético que permita maximizar o seu desempenho. O principal objetivo deste estudo é o desenvolvimento de um protótipo de um gerador eletromagnético adaptativo de acordo com os padrões de excitação mecânicos. O gerador adaptativo é composto por uma estrutura acoplada à sua parte superior que contém um atuador, o qual permite alterar a posição de um dos ímanes das extremidades. Foi desenvolvido um aparato experimental composto por um sistema de excitação, um sensor para monitorização da dinâmica do gerador e uma placa da dSPACE para aquisição de dados. Foram medidos os valores de tensão elétrica produzidos pelo gerador para frequências até 5 Hz, diferentes amplitudes de excitação e diferentes distâncias entre os ímanes nas extremidades. Os resultados experimentais mostraram ganhos de tensão elétrica que chegaram aos 260%. Estes ensaios experimentais mostraram que o mecanismo adaptativo permite maximizar o desempenho do gerador. A potência máxima atingida nestes ensaios foi de 54 mW. Foi realizada uma parametrização das forças magnéticas de repulsão, do coeficiente de acoplamento eletromecânico e do coeficiente de amortecimento mecânico. Estes parâmetros foram usados num modelo numérico desenvolvido para análise do desempenho do gerador numa gama mais ampla de frequências e amplitudes de excitação. As simulações foram efetuadas com duas resistências de carga, uma para garantir a máxima transferência de energia e outra para analisar a dinâmica mecânica com forças de Lorentz negligíveis (cenário de quasi circuito aberto). Os resultados permitiram definir uma função analítica que possibilitou identificar a distância ótima entre os ímanes das extremidades em função das frequências e amplitudes de excitação e resistências de carga. Futuramente será importante desenvolver um novo protótipo com sistema de guiamento, que permita a diminuição do atrito mecânico, assim como construir um aparato experimental que possibilite a realização de ensaios com frequências de excitação que excedam os 20 Hz e amplitudes fixas de excitação independentemente da frequência.

Motion-driven electromagnetic energy harvesting using magnetic levitation architectures is a promising methodology to power both smallscale and large-scale devices, because harvesters are low-cost and require reduced maintenance. Several approaches have already been proposed to model and simulate the mechanical and electrical dynamics of these transduction mechanisms of these harvesters. However, few methodologies, and these with limited effectiveness, have focused on the optimization of these harvesters. No optimization methodology has already proposed an adaptive mechanism to maximize the harvester performance for unknown and time-varying patterns of mechanical power sources externally exciting the harvesters. This work is focused on the development of an innovative prototype of an adaptive harvester which operates according to changes in the external mechanical excitation patterns. The adaptive harvester is composed by a structure coupled to the it's upper part containing an actuator, which allows to change the position of a magnet attached to an end extremity of the container. An experimental apparatus comprising a mechanical vibrational system, a sensor to monitor the harvester dynamics and a dSPACE data acquisition board, was implemented. The electrical voltage was measured for frequencies up to 5 Hz, and for different excitation amplitudes and distances between non-levitating hard-magnetic elements. Electrical voltage gains that reached 260% were observed in experimental tests. These successful experimental results highlight the potential of this proposed methodology. The electric power up to 54 mW was achieved. Parameterizations of the magnetic repulsion forces, electromechanical coupling coefficient and mechanical damping coefficient were performed. These parameters were used to define an numerical model designed to analyze the generator performance over a wider range of frequencies and excitation amplitudes. The simulations were performed with two load resistances: the lower resistive load was used to ensure the maximum power transfer scenario, while the higher resistive load was defined to analyse the mechanical dynamics with negligible electrical damping. The results allowed to define an analytical function that allowed to identify the optimum distance between the magnets attached to the end extremities of the container as a function of frequencies and amplitudes of excitation, as well as load resistances. In the forthcoming future, it will be relevant to develop a prototype including a guiding system to reduce the mechanical friction, as well as to implement an experimental apparatus that allow to carry out experimental tests with excitation frequencies exceeding 20 Hz for unchanged excitation amplitudes.