Metamateriales metal-cerámica para aplicaciones en transferencia inalámbrica de energía

Resum

Los metamateriales son una solución innovadora a las limitaciones que presentan las actuales tecnologías de transferencia inalámbrica de energía (wireless power transfer, WPT), principalmente, a su limitada eficiencia, al gran tamaño de los dispositivos, y a su elevada sensibilidad frente a desalineamientos emisor-receptor. En esta tesis doctoral se diseñan, desarrollan y caracterizan sistemas de transferencia inalámbrica de energía basados en metamateriales metal-cerámica resonantes con novedosas estructuras que permiten realizar transferencia eficaz a media distancia a partir del acoplamiento de sus resonancias electromagnéticas. Se ha partido del diseño de una estructura metal-cerámica periódica, denominada cristal fotónico angular, y que consiste en discos formados por sectores metálicos y dieléctricos de muy alta permitividad. Analizando en detalle las características de sus modos resonantes mediante teoría de estructuras periódicas y simulaciones numéricas basadas en elementos finitos (FEM), se ha demostrado que, debido a su anisotropía, el metamaterial soporta conjuntos de resonancias multipolares electromagnéticas de menor frecuencia y mayor factor de calidad que las de la estructura completamente dieléctrica, y que pueden ser acopladas eficazmente a partir de las colas de sus campos evanescentes. Además, gracias a la versatilidad del diseño de la estructura, ha sido posible desplazar las resonancias a menores frecuencias mediante varios mecanismos, dotando a estos metamateriales de un gran potencial en la miniaturización de componentes electromagnéticos. En este contexto, se ha desarrollado un prototipo del sistema de transferencia inalámbrica de energía. Para el desarrollo de los componentes cerámicos, se ha seleccionado el sistema ferroeléctrico Ba1-xSrxTiO3, una solución sólida de SrTiO3 y BaTiO3 con unos valores de permitividad relativa entre 300 y 3000 y bajas pérdidas dieléctricas, y que permite modificar de modo continuo la constante dieléctrica en función de la composición relativa de Sr/Ba. Mediante un diseño meticuloso del procesamiento cerámico, se ha conseguido realizar piezas cerámicas de gran tamaño con las características dieléctricas deseadas, así como con unas propiedades mecánicas que permitieron su posterior mecanizado y la fabricación del metamaterial. Finalmente, nos centramos en el desarrollo y la caracterización del prototipo WPT. Se evaluó el rendimiento de la transferencia de energía en condiciones de laboratorio, caracterizando la eficiencia frente a la separación emisor-receptor y frente a desalineamientos mutuos. A partir del diseño de métodos de excitación adecuados, se pudo activar de forma selectiva cada una de las resonancias multipolares de la estructura, y se maximizó la distancia de acoplamiento del sistema hasta distancias comparables con el tamaño de los resonadores, empleando una frecuencia de operación de 250 MHz. Además, se diseñó una excitación que permitió realizar transmisión omnidireccional. El análisis del sistema mediante simulaciones numéricas demostró que el acoplamiento sinérgico de varias de las componentes multipolares de la estructura periódica es la causa del carácter omnidireccional de la transferencia. Este carácter no se observa en sistemas isótropos, como el disco completamente dieléctrico o las espiras resonantes comúnmente empleadas para realizar WPT. Así, este trabajo de investigación contribuye a aumentar el conocimiento sobre el diseño de resonancias electromagnéticas en metamateriales y proporciona un enfoque innovador para la realización de aplicaciones de transferencia inalámbrica de energía. Finalmente, cabe señalar que este estudio no se detuvo en el nivel teórico, sino que, con los conocimientos adquiridos, se ha podido fabricar un prototipo que fue capaz de transferir de forma inalámbrica suficiente energía para alimentar algunos dispositivos electrónicos de pequeño tamaño.