Un generador de vibración es un tipo de generador eléctrico que convierte la energía cinética de la vibración en energía eléctrica. La vibración puede provenir de ondas de presión sonora u otras vibraciones ambientales.
Los generadores de vibración suelen estar compuestos por un resonador que se utiliza para amplificar la fuente de vibración y un mecanismo transductor que convierte la energía de las vibraciones en energía eléctrica. El transductor suele estar formado por un imán y una bobina o un cristal piezoeléctrico . [1]
Los generadores basados en electromagnetismo utilizan la ley de inducción de Faraday para convertir la energía cinética de las vibraciones en energía eléctrica. Consisten en imanes unidos a una membrana flexible o viga en voladizo y una bobina. Las vibraciones hacen que la distancia entre el imán y la bobina cambie, lo que provoca un cambio en el flujo magnético y da como resultado la producción de una fuerza electromagnética . Generalmente, la bobina está hecha con un material diamagnético , ya que estos materiales tienen interacciones más débiles con el imán que amortiguarían la vibración. La principal ventaja de este tipo de generador es que puede producir más energía que los generadores piezoeléctricos. [1] Se han comercializado generadores basados en electromagnetismo alimentados por vibración.
Un equipo de la Universidad de Southampton desarrolló en 2007 un generador de energía de vibración electromagnética en miniatura. Este dispositivo en particular consiste en una viga en voladizo con un imán unido al extremo. La viga se mueve hacia arriba y hacia abajo a medida que el dispositivo se somete a vibraciones de fuentes circundantes. [2] Este dispositivo permite que los sensores en lugares de difícil acceso se alimenten sin cables eléctricos ni baterías que deban reemplazarse. Los sensores en lugares inaccesibles ahora pueden generar su propia energía y transmitir datos a receptores externos . [2] El generador fue desarrollado para usarse en compresores de aire y puede alimentar cosas en entornos de alta vibración, como sensores en maquinaria en plantas de fabricación o sensores que monitorean el estado de los puentes. Una de las principales limitaciones del recolector de energía de vibración magnética desarrollado en la Universidad de Southampton es el tamaño del generador. Con aproximadamente un centímetro cúbico, este dispositivo sería demasiado grande para usarse en dispositivos electrónicos modernos. [2] Las futuras mejoras en el tamaño del dispositivo podrían convertirlo en una fuente de energía ideal para dispositivos médicos implantados, como marcapasos . Según el equipo que creó el dispositivo, las vibraciones de los músculos del corazón serían suficientes para permitir que el generador alimente un marcapasos. [2] Esto eliminaría la necesidad de reemplazar las baterías quirúrgicamente.
En 2012, un grupo de la Universidad Northwestern desarrolló un generador de vibración a partir de polímero en forma de resorte. Este dispositivo era capaz de recolectar la energía de las vibraciones a las mismas frecuencias que el dispositivo en voladizo del grupo de la Universidad de Southampton, pero con un tamaño de aproximadamente un tercio del otro dispositivo. [3]
Los generadores piezoeléctricos utilizan membranas delgadas o vigas en voladizo hechas de cristales piezoeléctricos como mecanismo transductor. Cuando el cristal se somete a tensión por la energía cinética de la vibración, se produce una pequeña cantidad de corriente gracias al efecto piezoeléctrico. Estos mecanismos suelen ser muy simples, con pocas partes móviles, y tienden a tener una vida útil muy larga. Esto los convierte en el método más popular para recolectar la energía de las vibraciones. [3] [4] Estos mecanismos se pueden fabricar utilizando el proceso de fabricación MEMS , que permite crearlos a una escala muy pequeña. [4] La capacidad de hacer generadores piezoeléctricos a una escala tan pequeña es la principal ventaja de este método sobre los generadores electromagnéticos, especialmente cuando el generador se está desarrollando para alimentar dispositivos microelectrónicos . El generador de vibración piezoeléctrico se ha comercializado. [1]
Un generador piezoeléctrico que se está desarrollando utiliza gotas de agua en el extremo de una viga en voladizo piezoeléctrica. [3] Las gotas de agua cuelgan del extremo de la viga y están sujetas a excitación por la energía cinética de las vibraciones. Esto hace que la gota de agua oscile, lo que a su vez hace que la viga de la que cuelga se desvíe hacia arriba y hacia abajo. Esta desviación es la tensión que se convierte en energía a través del efecto piezoeléctrico. Una ventaja importante de este método es que se puede adaptar a una amplia gama de frecuencias de excitación. La frecuencia natural de la gota de agua es una función de su tamaño; por lo tanto, cambiar el tamaño de la gota de agua permite la coincidencia de la frecuencia natural de la gota y la frecuencia de la onda de presión que se convierte en energía eléctrica. La coincidencia de estas frecuencias produce la oscilación de mayor amplitud de la gota de agua, lo que resulta en una gran fuerza y una mayor tensión en la viga piezoeléctrica. [3]
Otra aplicación busca utilizar las vibraciones creadas durante el vuelo en aviones para alimentar la electrónica del avión que actualmente depende de baterías. Un sistema de este tipo permitiría una fuente de energía confiable y reduciría el mantenimiento, ya que las baterías ya no necesitarían ser reemplazadas y los sistemas piezoeléctricos tienen una larga vida útil. [4] [5] Este sistema se utiliza con un resonador , que permite que el flujo de aire forme un tono constante de alta amplitud. El mismo principio se utiliza en muchos instrumentos de viento, convirtiendo el flujo de aire proporcionado por el músico en un tono fuerte y constante. [5] Este tono se utiliza como la vibración que se convierte de energía cinética a eléctrica por el generador piezoeléctrico. Esta aplicación aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo; el concepto se ha probado en un modelo a escala, pero el sistema aún necesita ser optimizado antes de probarlo a escala real. [5]