Energy Harvesting para alimentação de sensores de monitorização submersos no oceano

Abstract

Com a redução das necessidades energéticas dos dispositivos de monitorização, tornou-se viável a utilização de sistemas de Energy Harvesting para fornecer energia, a fim de aumentar a autonomia das baterias ou, em alguns casos, tornar o sistema de monitorização completamente autónomo. A diminuição da dependência de substituições frequentes de baterias no ambiente oceânico ou a transição para um sistema de monitorização autónomo tornam-se ainda mais importantes em contextos ambientais agressivos, onde nem sempre é possível realizar as substituições e os custos logísticos são elevados. Além disso, se o dispositivo for submerso, haverá a vantagem adicional de não ser suscetível aos impactos das embarcações, bem como não representar um risco para a navegação, mesmo que este seja de pequenas dimensões. O objetivo desta tese de doutoramento é investigar e produzir um gerador linear eletromagnético de baixo custo que possa ser instalado em ambientes submersos, tais como nos oceanos ou rios. Devido à escassez de informações disponíveis sobre geradores lineares eletromagnéticos submersos, a linha de investigação foi direcionada para a adaptação e modificação de configurações de geradores lineares eletromagnéticos aplicados em ambientes controlados. Esta tese possibilitou a investigação, desenvolvimento, otimização e produção do protótipo de um gerador linear eletromagnético, com dimensões 260x210x112 mm 3 que pode ser instalado submerso no oceano ou rio para fornecer energia a uma rede de sensores ou a um único sensor. O protótipo foi fabricado e testado no oceano e no rio, produzindo diferentes níveis de potência de acordo com as condições ambientais (como o tipo de maré) e a área de estudo (mar ou estuário). Foi observado que o gerador linear eletromagnético tem a capacidade (na situação mais favorável dos testes) de produzir 4,8 mW e de alimentar 8 sensores de baixo consumo. Nos mais adversos cenários de testes, o gerador demonstrou a capacidade de restituir entre 43% e 90% da energia consumida em sensores com potências inferiores a 1 mW, contribuindo, deste modo, para um incremento na respetiva autonomia. Adicionalmente, foi possível produzir um protótipo por um preço inferior a 100 €, permitindo a instalação de vários geradores na área de monitorização, o que possibilita o fornecimento de energia para múltiplos sensores em estudos de monitorização de alta resolução espacial. A estratégia adotada para alcançar estes objetivos incluiu a pesquisa e seleção da configuração mais adequada para o sistema de produção de energia, identificando as arquiteturas do mecanismo de conversão energética, a escolha e otimização dos materiais em função dos valores obtidos nas simulações numéricas e sua adaptação para o ambiente marítimo. A seleção da geometria do corpo externo do sistema de conversão, foi estudada e validada por meio de simulações numéricas por OpenFoam.

With the reduction of the energy requirements for monitoring devices, the utilization of Energy Harvesting systems to supply energy to increase battery autonomy or even make the monitoring system fully autonomous has become viable. This approach has the potential to significantly reduce the need for frequent battery replacements, which, in turn, can have relevant environmental benefits. The decrease in dependence on frequent battery replacements in the oceanic environment or the transition to an autonomous monitoring system becomes even more important in aggressive environmental contexts, where it is not always possible to carry out replacements and where logistic costs are high. Furthermore, if the device is submerged, there is the additional advantage of it not being susceptible to vessel impacts and not posing a risk to navigation, even if it is of small dimensions. The purpose of this PhD thesis is to investigate and produce a low-cost linear electromagnetic generator that can be installed in submerged environments such as the ocean or river. due to the lack of available information on submerged linear electromagnetic generators, the research direction was directed towards adapting and modifying configurations of linear electromagnetic generators applied in controlled environments. This thesis enabled the investigation, development, optimization, and production of a prototype of a linear electromagnetic generator, with dimensions 260x210x112mm3, that can be installed underwater in the ocean or river to provide energy to a network of sensors or a single sensor. The prototype was manufactured and tested in the ocean and river, producing different levels of power according to environmental conditions (such as the type of tide) and the study area (ocean or estuary). It was observed that the linear electromagnetic generator has the capacity (in the most favourable test situation) to produce 4.8 mW and supply 8 low-power sensors. In the most adverse test scenarios, the generator has demonstrated the ability to restore between 43% and 90% of the energy consumed by sensors with power levels below 1 mW, thus contributing to an increase in their respective autonomy. Additionally, it was possible to produce the prototype for less than €100, allowing for the installation of multiple generators in the monitoring area, enabling the supply of energy to multiple sensors in studies of high spatial resolution monitoring. The strategy adopted to achieve these objectives included researching and selecting the most suitable configuration for the energy production system, identifying the architectures of the energy conversion mechanism, choosing and optimizing materials based on the values obtained in numerical simulation and adapting them to the marine environment. The choice of the external body geometry of the conversion system was studied and validated through numerical simulations performed with OpenFoam.