Desarrollo de sistemas multipendulares para la recolección de energía undimotriz

Autores
Virla, Juan Nicolás
Año de publicación
2026
Idioma
español castellano
Tipo de recurso
tesis doctoral
Estado
versión aceptada
Colaborador/a o director/a de tesis
Dotti, Franco Ezequiel
Machado, Sebastián Pablo
Descripción
El aprovechamiento de la energía undimotriz mediante dispositivos basados en péndulos surge como una alternativa prometedora para la generación de energía eléctrica en medios marinos, especialmente en contextos donde otras tecnologías renovables presentan limitaciones de costo o de instalación. El principio de funcionamiento consiste en montar un péndulo sobre una plataforma flotante sometida al movimiento vertical inducido por las olas; bajo condiciones adecuadas, el péndulo es capaz de alcanzar rotaciones estables respecto al eje del pivote, y es posible acoplarle un generador con el fin de transformar energía cinética rotacional en energía eléctrica, manteniendo una relación favorable entre el tamaño del dispositivo y la potencia disponible. Esta característica convierte a los recolectores pendulares en candidatos atractivos para soluciones de generación eléctrica de pequeña y mediana escala en zonas costeras. El uso del péndulo simple resulta, sin embargo, poco práctico para aplicaciones reales, dada la dependencia de su frecuencia natural con la distancia entre el pivote y el centro de masa. Para reproducir las bajas frecuencias típicas del oleaje, la longitud requerida conduciría a dispositivos de dimensiones irrealizables o estructuralmente inconvenientes. Esta limitación motiva el empleo de péndulos de masas múltiples o N-péndulos, en los que la combinación de masas y distancias permite ajustar la frecuencia natural y el momento de inercia del sistema, dotando al dispositivo de una gran versatilidad de diseño. En particular, configuraciones de cuatro masas concéntricas han mostrado ser especialmente adecuadas para este tipo de aplicaciones, al permitir sintonizar el comportamiento dinámico del péndulo en rangos de frecuencia específicos del oleaje sin recurrir a estructuras excesivamente grandes. El forzamiento oceánico es inherentemente estocástico, aun cuando presenta frecuencias dominantes en escalas de tiempo largas. De este modo, tanto el forzamiento como la respuesta del péndulo son variables, sensibles a las condiciones iniciales y vulnerables a cambios en el estado del mar. Esto vuelve necesario incorporar estrategias de control que garanticen la iniciación y el mantenimiento de las rotaciones ante variaciones del oleaje, ampliando el conjunto de condiciones que conduzcan a regímenes rotacionales útiles para la conversión energética. En esta tesis se formuló un modelo matemático completo del sistema, se construyó un banco experimental específico y se realizaron simulaciones extensivas, implementando una estrategia de control basada en la interacción entre un imán permanente acoplado al péndulo y una bobina energizada externamente, capaz de aplicar pares pequeños pero efectivos sin requerir acoples mecánicos. Se demostró que el control propuesto es capaz de inducir y sostener rotaciones en un amplio rango de condiciones de excitación, con un desempeño comparable al de técnicas más complejas. Además, se estudió el fenómeno de sincronización en péndulos de masas múltiples montados sobre estructuras elásticas y forzados periódicamente, con la idea de mejorar el potencial de generación de energía y aliviar las solicitaciones estructurales. Se identificaron condiciones de sincronización capaces de fortalecer las soluciones rotantes en los péndulos y de reducir la transferencia de energía hacia la estructura de soporte. Este enfoque introduce la posibilidad de combinar el diseño dinámico del N-péndulo con la respuesta global de la estructura flotante, reduciendo la necesidad de sistemas de control más sofisticados. En conjunto, los resultados obtenidos aportan a la comprensión integral de la dinámica del N-péndulo para el aprovechamiento de energía undimotriz, y ofrecen herramientas concretas para el diseño de recolectores pendulares capaces de operar de forma eficiente bajo condiciones realistas de oleaje.
The use of wave energy via pendulum-based devices arises as a promising alternative for electric power generation in marine environments, particularly in contexts where other renewable technologies face cost or installation constraints. The operating principle consists of mounting a pendulum on a floating platform subjected to the vertical motion induced by waves; under suitable conditions, the pendulum is able to reach stable rotations about the pivot axis, and a generator can be coupled to it in order to transform rotational kinetic energy into electrical energy, maintaining a favorable ratio between device size and available power. This feature makes pendulum-based harvesters attractive candidates for small- and medium-scale power generation solutions in coastal areas. The use of a simple pendulum is, however, impractical for real applications, given the dependence of its natural frequency on the distance between the pivot and the center of mass. To reproduce the low frequencies typical of ocean waves, the required length would results in devices with unrealizable or structurally inconvenient dimensions. This limitation motivates the use of multi-mass pendulums or N-pendulums, where the combination of masses and distances allows one to finely tune the natural frequency and the moment of inertia of the system, providing the device with great design versatility. In particular, configurations with four concentric masses have proven to be especially suitable for this type of application, as they enable tuning of the pendulum’s dynamic behavior to frequency ranges specific to the wave climate without resorting to huge structures. Ocean forcing is inherently stochastic, even though it exhibits dominant frequencies on long timescales. Consequently, both the forcing and the pendulum response are variable, sensitive to initial conditions, and vulnerable to changes in sea state. This makes it necessary to incorporate control strategies that ensure the initiation and maintenance of rotations under varying wave conditions, therefore expanding the set of operating conditions that lead to rotational regimes applicable for energy conversion. In this thesis, a complete mathematical model of the system was formulated, a dedicated experimental test rig was built, and extensive simulations were carried out, implementing a control strategy based on the interaction between a permanent magnet attached to the pendulum and an externally energized coil, capable of applying small but effective torques without requiring mechanical couplings. It was shown that the proposed control induces and sustains rotations over a wide range of excitation conditions, with performance comparable to that of more complex techniques. Furthermore, the synchronization phenomenon was studied in multi-mass pendulums mounted on elastic structures and subjected to periodic forcing, identifying synchronization conditions capable of reducing the transfer of energy to the supporting structure and strengthening rotating solutions in the pendulums, thereby improving the conversion potential and alleviating structural loads. This approach enables the integration of the dynamic design of the N-pendulum with the global response of the floating structure, reducing the need for more sophisticated control systems. Taken together, the results contribute to an integrated understanding of N-pendulum dynamics for wave energy harvesting and provide concrete tools for designing pendulum-based harvesters that operate efficiently under realistic wave conditions.
Fil: Virla, Juan Nicolás. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina.
Materia
Péndulo paramétrico
Péndulo magnético
Dinámica no linear
Control de rotaciones
Energía undimotriz
Parametric pendulum
Magnetic pendulum
Non-linear dynamics
Rotation control
Energy harvesting
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
Con fines educativos y académicos, con una licencia igual a la que regula esta obra.
Repositorio
Repositorio Institucional Abierto (UTN)
Institución
Universidad Tecnológica Nacional
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oai:ria.utn.edu.ar:20.500.12272/14995
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El principio de funcionamiento consiste en montar un péndulo sobre una plataforma flotante sometida al movimiento vertical inducido por las olas; bajo condiciones adecuadas, el péndulo es capaz de alcanzar rotaciones estables respecto al eje del pivote, y es posible acoplarle un generador con el fin de transformar energía cinética rotacional en energía eléctrica, manteniendo una relación favorable entre el tamaño del dispositivo y la potencia disponible. Esta característica convierte a los recolectores pendulares en candidatos atractivos para soluciones de generación eléctrica de pequeña y mediana escala en zonas costeras. El uso del péndulo simple resulta, sin embargo, poco práctico para aplicaciones reales, dada la dependencia de su frecuencia natural con la distancia entre el pivote y el centro de masa. Para reproducir las bajas frecuencias típicas del oleaje, la longitud requerida conduciría a dispositivos de dimensiones irrealizables o estructuralmente inconvenientes. Esta limitación motiva el empleo de péndulos de masas múltiples o N-péndulos, en los que la combinación de masas y distancias permite ajustar la frecuencia natural y el momento de inercia del sistema, dotando al dispositivo de una gran versatilidad de diseño. En particular, configuraciones de cuatro masas concéntricas han mostrado ser especialmente adecuadas para este tipo de aplicaciones, al permitir sintonizar el comportamiento dinámico del péndulo en rangos de frecuencia específicos del oleaje sin recurrir a estructuras excesivamente grandes. El forzamiento oceánico es inherentemente estocástico, aun cuando presenta frecuencias dominantes en escalas de tiempo largas. De este modo, tanto el forzamiento como la respuesta del péndulo son variables, sensibles a las condiciones iniciales y vulnerables a cambios en el estado del mar. 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Además, se estudió el fenómeno de sincronización en péndulos de masas múltiples montados sobre estructuras elásticas y forzados periódicamente, con la idea de mejorar el potencial de generación de energía y aliviar las solicitaciones estructurales. Se identificaron condiciones de sincronización capaces de fortalecer las soluciones rotantes en los péndulos y de reducir la transferencia de energía hacia la estructura de soporte. Este enfoque introduce la posibilidad de combinar el diseño dinámico del N-péndulo con la respuesta global de la estructura flotante, reduciendo la necesidad de sistemas de control más sofisticados. En conjunto, los resultados obtenidos aportan a la comprensión integral de la dinámica del N-péndulo para el aprovechamiento de energía undimotriz, y ofrecen herramientas concretas para el diseño de recolectores pendulares capaces de operar de forma eficiente bajo condiciones realistas de oleaje.The use of wave energy via pendulum-based devices arises as a promising alternative for electric power generation in marine environments, particularly in contexts where other renewable technologies face cost or installation constraints. The operating principle consists of mounting a pendulum on a floating platform subjected to the vertical motion induced by waves; under suitable conditions, the pendulum is able to reach stable rotations about the pivot axis, and a generator can be coupled to it in order to transform rotational kinetic energy into electrical energy, maintaining a favorable ratio between device size and available power. This feature makes pendulum-based harvesters attractive candidates for small- and medium-scale power generation solutions in coastal areas. The use of a simple pendulum is, however, impractical for real applications, given the dependence of its natural frequency on the distance between the pivot and the center of mass. To reproduce the low frequencies typical of ocean waves, the required length would results in devices with unrealizable or structurally inconvenient dimensions. This limitation motivates the use of multi-mass pendulums or N-pendulums, where the combination of masses and distances allows one to finely tune the natural frequency and the moment of inertia of the system, providing the device with great design versatility. In particular, configurations with four concentric masses have proven to be especially suitable for this type of application, as they enable tuning of the pendulum’s dynamic behavior to frequency ranges specific to the wave climate without resorting to huge structures. Ocean forcing is inherently stochastic, even though it exhibits dominant frequencies on long timescales. Consequently, both the forcing and the pendulum response are variable, sensitive to initial conditions, and vulnerable to changes in sea state. This makes it necessary to incorporate control strategies that ensure the initiation and maintenance of rotations under varying wave conditions, therefore expanding the set of operating conditions that lead to rotational regimes applicable for energy conversion. In this thesis, a complete mathematical model of the system was formulated, a dedicated experimental test rig was built, and extensive simulations were carried out, implementing a control strategy based on the interaction between a permanent magnet attached to the pendulum and an externally energized coil, capable of applying small but effective torques without requiring mechanical couplings. It was shown that the proposed control induces and sustains rotations over a wide range of excitation conditions, with performance comparable to that of more complex techniques. Furthermore, the synchronization phenomenon was studied in multi-mass pendulums mounted on elastic structures and subjected to periodic forcing, identifying synchronization conditions capable of reducing the transfer of energy to the supporting structure and strengthening rotating solutions in the pendulums, thereby improving the conversion potential and alleviating structural loads. This approach enables the integration of the dynamic design of the N-pendulum with the global response of the floating structure, reducing the need for more sophisticated control systems. Taken together, the results contribute to an integrated understanding of N-pendulum dynamics for wave energy harvesting and provide concrete tools for designing pendulum-based harvesters that operate efficiently under realistic wave conditions.Fil: Virla, Juan Nicolás. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina.Dotti, Franco EzequielMachado, Sebastián Pablo2026-05-20T14:50:21Z2026info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06info:ar-repo/semantics/tesisDoctoralpdfapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/20.500.12272/14995spaAMTCBB0010187TCControl de bifurcaciones del péndulo paramétrico con miras a la generación de energía undimotriz (01-PICT 2022-2022-03-00492)Diseño e implementación de un recolector pendular de energía undimotriz a pequeña escala para aplicación en boyas de balizamiento en el estuario de Bahía Blanca (PE TRA ENERG 0024/21)Dispositivos autónomos de péndulo paramétrico para la extracción de energía undimotriz (ENECABB0008229TC)info:eu-repo/semantics/openAccessCon fines educativos y académicos, con una licencia igual a la que regula esta obra.reponame:Repositorio Institucional Abierto (UTN)instname:Universidad Tecnológica Nacional2026-10-01T11:57:58Zoai:ria.utn.edu.ar:20.500.12272/14995instacron:UTNInstitucionalhttp://ria.utn.edu.ar/Universidad públicaNo correspondehttp://ria.utn.edu.ar/oaigestionria@rec.utn.edu.ar; fsuarez@rec.utn.edu.arArgentinaNo correspondeNo correspondeNo correspondeopendoar:a2026-10-01 11:57:59.282Repositorio Institucional Abierto (UTN) - Universidad Tecnológica Nacionalfalse
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The use of wave energy via pendulum-based devices arises as a promising alternative for electric power generation in marine environments, particularly in contexts where other renewable technologies face cost or installation constraints. The operating principle consists of mounting a pendulum on a floating platform subjected to the vertical motion induced by waves; under suitable conditions, the pendulum is able to reach stable rotations about the pivot axis, and a generator can be coupled to it in order to transform rotational kinetic energy into electrical energy, maintaining a favorable ratio between device size and available power. This feature makes pendulum-based harvesters attractive candidates for small- and medium-scale power generation solutions in coastal areas. The use of a simple pendulum is, however, impractical for real applications, given the dependence of its natural frequency on the distance between the pivot and the center of mass. To reproduce the low frequencies typical of ocean waves, the required length would results in devices with unrealizable or structurally inconvenient dimensions. This limitation motivates the use of multi-mass pendulums or N-pendulums, where the combination of masses and distances allows one to finely tune the natural frequency and the moment of inertia of the system, providing the device with great design versatility. In particular, configurations with four concentric masses have proven to be especially suitable for this type of application, as they enable tuning of the pendulum’s dynamic behavior to frequency ranges specific to the wave climate without resorting to huge structures. Ocean forcing is inherently stochastic, even though it exhibits dominant frequencies on long timescales. Consequently, both the forcing and the pendulum response are variable, sensitive to initial conditions, and vulnerable to changes in sea state. This makes it necessary to incorporate control strategies that ensure the initiation and maintenance of rotations under varying wave conditions, therefore expanding the set of operating conditions that lead to rotational regimes applicable for energy conversion. In this thesis, a complete mathematical model of the system was formulated, a dedicated experimental test rig was built, and extensive simulations were carried out, implementing a control strategy based on the interaction between a permanent magnet attached to the pendulum and an externally energized coil, capable of applying small but effective torques without requiring mechanical couplings. It was shown that the proposed control induces and sustains rotations over a wide range of excitation conditions, with performance comparable to that of more complex techniques. Furthermore, the synchronization phenomenon was studied in multi-mass pendulums mounted on elastic structures and subjected to periodic forcing, identifying synchronization conditions capable of reducing the transfer of energy to the supporting structure and strengthening rotating solutions in the pendulums, thereby improving the conversion potential and alleviating structural loads. This approach enables the integration of the dynamic design of the N-pendulum with the global response of the floating structure, reducing the need for more sophisticated control systems. Taken together, the results contribute to an integrated understanding of N-pendulum dynamics for wave energy harvesting and provide concrete tools for designing pendulum-based harvesters that operate efficiently under realistic wave conditions.
Fil: Virla, Juan Nicolás. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Bahía Blanca; Argentina.
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