Energía Eléctrica Producida por Dispositivos Piezoeléctricos

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José Manuel Montoya Guzmán
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1 Universidad Autónoma de Ciudad Juárez Instituto de Ingeniería y Tecnología Energía Eléctrica Producida por Dispositivos Piezoeléctricos DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y COMPUTACIÓN Carolina Nohemí Salgado Castro Alejandra Lugo Rangel Asesor: Dr. Roberto C. Ambrosio 1

Piezoeléctricos DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y COMPUTACIÓN Carolina

2 Contenido Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo o Marco Teorico Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Diagrama rectificador Resultados Conclusiones 2

3 Contenido Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador Resultados Conclusiones 3

4 Motivación Dispositivos de datos inalámbricos, pequeños, de bajo consumo de potencia y de bajo costo se están desarrollando cada vez mas un el mundo. El desecho de las baterías comunes contaminantes 4

5 Energías Cosechadoras Eólica (viento) Hidráulica (agua) Solar ( luz solar) Vibratoria (movimiento) 5

6 Materiales Piezoeléctricos Materiales piezoeléctricos naturales: Cuarzo Turmalina Sal de rochelle. Materiales piezoeléctricos fabricados artificialmente: PZT ZnO PVDF 6

7 Cosechamiento en un humano Energía en una paso: Laminas de metal unidas a un piezoeléctrico PVDF semiflexible bajo el talón. En el movimiento del talón de una persona que camina, con un peso promedio de 68Kg, se puede producir una potencia de 67 watts. 7

En el movimiento del talón de una persona que camina, con un peso promedio

8 Piso generador de Energía La producción de electricidad alcanza un máximo de 10,000 watts por segundo al día. Un promedio de personas pasan por el tapete generador solo en la tercera semana de ser instalado. 8

Un promedio de 800 000 personas pasan por el tapete

9 Contenido Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador Resultados Conclusiones 9

inyección de tinta -Pastillas electrónicas -Bats

10 Aplicaciones Sensores: Ultrasonido Acelerómetros Micrófonos Actuadores: Bocinas Impresoras de inyección de tinta -Pastillas electrónicas -Bats inteligentes -Controles de activación en helicópteros 10

11 Contenido Introducción Motivación Aplicaciones Objetivo Desarrollo Modelo mecánico Modelo eléctrico Esquema rectificador Resultados Conclusiones 11

Objetivo Implementación de un circuito de acondicionamiento de señal para cosechadores de energía basados en generadores piezoeléctricos.

12 Objetivo Implementación de un circuito de acondicionamiento de señal para cosechadores de energía basados en generadores piezoeléctricos. Objetivos particulares: o Estudio y caracterización de generadores piezoeléctricos. o Diseño e implementación del circuito acondicionador para los generadores. 12

Objetivos particulares: o Estudio y caracterización de generadores

13 Contenido Introducción Motivación Aplicaciones Objetivo Marco teórico Desarrollo Modelo mecánico Modelo eléctrico Esquema rectificador Resultados Conclusiones 13

14 Piezoelectricidad a) Efecto piezoeléctrico Directo (sensor) b) Efecto piezoeléctrico Inverso (actuador) 14

Efecto piezoeléctrico Dominio de dipolos eléctricos 1) Cerámico sin polarizar 2) Durante la polarización 3) Después de la polarización Unidad de celda del

15 Efecto piezoeléctrico Dominio de dipolos eléctricos 1) Cerámico sin polarizar 2) Durante la polarización 3) Después de la polarización Unidad de celda del PZT (PbZrTiO3) 1) Celda en su estado simétrico por arriba de la temperatura de Curie 2) Celda no centro-simétrica por debajo de la temperatura de Curie 15

PZT (PbZrTiO3) 1) Celda en su estado simétrico por arriba de la temperatura

16 Dirección de Polarización D=dT+ɛE T1 = tensión normal en la dirección X, T2 = tensión normal en la dirección Y, T3 = tensión normal en la dirección Z. T= F/A d = coeficiente piezoeléctrico D = desplazamiento eléctrico ε= constante dieléctrica E = campo eléctrico 16

17 Piezoeléctrico (Bender Cantilever) 17

18 Conexión en serie y paralelo PZT Serie: Capacitancia baja - Corriente baja - Voltaje alto Paralelo: Capacitancia alta - Corriente alta - Voltaje bajo 18

19 Diseño de sensor de fuerza 1,max Mt (2I) Flt 2I viga viga V E t 3 piezo D t 3 piezo Flt 2 viga I t viga piezo D 3 d 31 1,max 19

20 FASE I Transferencia de la energía mecánica FASE II Transformación de la energía mecánica a eléctrica FASE III Transferencia de la energía eléctrica Energía de excitación del medio ambiente Energía de vibración mecánica Energía eléctrica generada Energía eléctrica de salida Perdida de la energía mecánica Perdida durante la transducción de la energía mecánica a eléctrica Perdida de la energía eléctrica 20

vibración mecánica Energía eléctrica generada Energía eléctrica de salida Perdida de la energía

21 Contenido Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador Resultados Conclusiones 21

22 FASE I Desarrollo Modelo mecánico Base de vibración 22

23 Contenido Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador Resultados Conclusiones 23

24 FASE II Modelo eléctrico inicial Ideal Actual 4 24

25 Contenido Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Diagrama rectificador Resultados Conclusiones 25

26 FASE II Diagrama de bloques de un Rectificador con filtro PSI-5A4E DIODO 1N5820 1N4001 LM7805 LED BATERÍA MP3 26

27 Contenido Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador Resultados Conclusiones 27

28 Instrumentación y metodología Modelo PSI-5A4E Elemento piezoeléctrico conexión en serie y paralelo (a) Dimensiones (63mm x 31.8mm x.51mm) (b) Serie T220-A4-503X (c) Paralelo T220-A4-503Y 28

29 Tablilla para la conexión de las entradas del piezocerámico Generador piezoeléctrico montado viga voladizo (Cantilever) Empotrado Piezo Viga Masa Shaker 29

30 Instrumentos de medición Osciloscopio Generador de funciones Amplificador Circuito acondicionador de energía Piezoeléctrico Shaker 30

31 Resultados de la caracterización de la viga realizada en voladizo (a) Viga en voladizo con una masa de 25g (b) Salida de Voltaje del generador 31

$(a) Salida con 2 imanes de 25g No fracturado (b)$

32 (a) Salida con 2 imanes de 25g No fracturado (b) Salida con 2 imanes y una tuerca 55g Fracturado 32

33 Simulación MathLab Simulado 33

34 FASE III Presentación en protoboard y su salida de voltaje durante la oscilación 34

35 Resultados experimentales Voltaje vs RL Potencia vs RL 35

36 FASE III Resultados cargando baterías en serie y paralelo (b) (a) (c) 36

37 Simulación y análisis transitorio 37

38 FASE III Encendido de un reproductor MP3 Se cargó con 1.9V en 10 minutos 38

39 Reacción en el punto fijo un Potencial V Simulación PZT en Coventor (FEA) Relación Desplazamiento vs. Potencial Capas del piezo 3.5x x10 5 Desplazamiento um Relación Reacción vs Desplazamiento 2.5x x x x x Desplazamiento um 39

40 Mises Stress Simulación Coventor Desplazamiento vs Tensión Relación Desplazamiento vs Mises Stress Con un desplazamiento de 5µm hasta 50µm se obtienen las siguientes graficas de resultados Desplazamiento um 40

41 Contenido Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador Resultados Conclusiones 41

42 Conclusiones Realización de análisis y estudio de las propiedades de generador piezoeléctrico. Con esto se obtuvieron: o Frecuencias óptimas de 10Hz para el elemento en serie y de 40 Hz para la conexión en paralelo. o Resistencia óptima de 5Kohms para ambas conexiones con un voltaje de 14V en paralelo y 5.5V en serie. 42

43 Continuación Con los valores obtenidos anteriormente se logro: El encendido de un diodo emisor de luz (LED) Carga de un Supercapacitor en 10 min Cargar una batería de 1/3 de AAA o Individual con 1.42V en 15 min. o En serie con 2.12 V en 15 min. o En paralelo 1.37V en 15 min. Encendido de un mp3 con 1.9V 43

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47 Gracias. 47

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