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Avance Título del proyecto: Protocolo para la realización de un dispositivo capaz producir energía y aprovecharla a través de un elemento piezoeléctrico Titulo Comercial: Pendiente. Objetivo general: Reunir y depurar información acerca de piezoelectricidad, así como de su aplicación en distintos aspectos. Hacer la energía que produce el piezoeléctrico sea capaz de alimentar y/o cargar un dispositivo móvil. Objetivos específicos: Indagar y profundizar en temas que traten de almacenamiento y/o aprovechamiento de energía con bajas corrientes Producir energía de manera limpia. Auxiliar en situaciones de emergencia o zonas donde no hay posibilidad de obtener energía eléctrica convencional. Planteamiento del problema: En situaciones donde no se tienen posibilidades de obtener energía y requerimos de nuestros dispositivos móviles daríamos lo que fuera por obtener aunque sea un 10% de energía. Según el instituto nacional de ecología se desperdicia una cantidad demasiado grande de baterías por persona, las cuales solo son un desperdicio y contaminante. Se pierde una gran cantidad de energía en variantes como calor y factor de potencia, evitar estos gastos innecesarios de energía seria algo positivo. Hipótesis Buscando alternativas de conseguir energía eléctrica les podemos presentar la piezoelectricidad derivada del material piezoeléctrico que al deformase de manera mecánica esta genera un voltaje; Buscamos aprovechar este voltaje generado con un dispositivo que permita utilizarlo de manera eficaz. Los problemas que presenta
el material piezoeléctrico es que genera una corriente de .1A es decir; Para aprovechar esta energía para cargar un dispositivo necesitaríamos demasiadas horas de trabajo para cargarlo ya que la corriente proporcionada es lenta al momento de cargar una batería; Sin embargo nosotros buscamos utilizar esta electricidad generada por los piezoeléctrico para diversas aplicaciones, dejar el uso de baterías domésticas, sistemas de baja iluminación, almacenar esta energía, entre otras; Siendo la principal cargar un dispositivo iPod con una batería de litio de 880Mah. Alcance La oferta de alcance comercial del dispositivo para cargar un iPod sin energía convencional estaría rondando los $300(menudeo) pudiendo reducirse hasta los $28 (mayoreo) incluyendo 8 piezoeléctricos 4 metros de cable y una entrada hembra de 30 pines; Con un vida útil indefinida es decir; tiene una vida útil hasta que los piezoeléctricos se rompan. Justificación Nosotros utilizamos esta investigación para dar una energía eléctrica alterna es decir; dejar de lado la quema de hidrocarburos. En este planteamiento investigamos el fenómeno piezoeléctrico y lo relacionamos con la mecánica corporal cotidiana para aprovechar esta energía mecánica que nosotros generamos al caminar, correr, entre otras en energía eléctrica aprovechable para la carga de un dispositivo iPod de manera principal también teniendo sustentabilidad en diversos tipos de aplicaciones. En la investigación desarrollada damos a conocer que los piezoeléctricos tienen una vida útil indefinida mientras el piezoeléctrico siga entero este sigue funcionando, reduce la quema de hidrocarburos ya que necesita de energía mecánica para generar electricidad. Culturizar a las personas en la energía domestica que utilizan y la forma en que la utilizan, es decir que tan necesario es tener tus dispositivo al 100% de pila, y no solo económicamente que puedas solventar el cargar tus dispositivos, si no que se encuentra detrás del Kilowatts que nos vende CFE es decir; todo el proceso que lleva que esa energía eléctrica llegue a nuestros hogares.
Algunos de estos trabajos que sirven de referencia son los siguientes: hay antecedentes en los cuales se ha intentado recolectar energía a través de los Zapatos con piezoeléctricos (2001), que como parte más importante nos muestra una forma de crear un zapato recolector con piezoeléctricos. Otra forma de recolectar energía con piezoeléctricos en unas escaleras de donde podemos destacar datos como: Una persona que pesa 68 kg con una frecuencia de 2 pasos cada 7seg, puede generar 67 w (2012). También se realizó un tapete de piezoeléctricos para alimentar sistema de iluminación de bajo consumo del cual, varios investigadores construyeron recolectores y se observaron su comportamiento en un osciloscopio digital, y se pudo determinar que los voltajes llegaban a 16V en la sección circular y a 25V en la sección cuadrada a 50Hz. La salida de potencia más alta que se logró fue de 625 uW (2013). Del mismo modo se ha generado y almacenado energía a través de pasos; donde se demostró que el voltaje generado por los piezoeléctrico es proporcional al peso/ fuerza ejercido, de este estudio podemos destacar que una persona que tiene un peso de 75 kg puede generar un voltaje de 40 V (2014). El ahorro eléctrico y uso de energía generada de forma limpia y sostenible es el objetivo de “Baldosas piezoeléctricas”, una iniciativa liderada por Favio Pizarro y Fabián Zelada, egresados de Ingeniería de Ejecución en Mecánica de Procesos y Mantenimiento Industrial de la Sede Viña del Mar de la Universidad Santa María (Chile). A partir de esta energía liberada, los alumnos desarrollaron un prototipo
generador de energía eléctrica, en base al aprovechamiento de energía cinética, que genera el impacto de la persona al caminar. En el “Trabajo de fin de master autonomía en sistemas de alimentación dic 2014”. Dice que, los PZT son los más usados en la actualidad para aplicaciones como actuadores o sensores. Un actuador piezoeléctrico puede producir cambios de posición extremadamente finos por debajo del rango subnanométrico. Los pequeños cambios en el voltaje de operación son convertidos en suaves movimientos. Este tipo de material no produce campos magnéticos ni son afectados. También nos muestra un tipo de circuito utilizado para poder captar energía mecánica en eléctrica: Este tipo de captación se basa en un condensador variable en el que los cambios se produzcan cuando sea objeto de una vibración mecánica. Las vibraciones separan las placas de un condensador inicialmente cargado (condensador variable), y la energía mecánica se convierte en energía eléctrica. El principio básico de funcionamiento se basa en la energía que se cosecha con el trabajo realizado contra la fuerza electrostática entre las placas del condensador utilizado. (2014) Por último, se propuso en (2015) un prototipo piezoeléctrico para la recolección de energía de fuentes de movimiento inercial aleatorio del cual el prototipo propuesto en esta tesis recolecta energía en fuentes que oscilan a través de los 10 Hz. Toda esta información es muy importante para poder realizar la investigación planeada pues nos muestra datos y formas en los que se puede encaminar o llevar a cabo, pero hacer una mejora es la mayor problemática, pues el poder hacer que toda la energía que se pueda recabar sea constante para poder cargar el aparato dado y pues todos los demás proyectos se han implementado esta tecnología antes en diversos sistemas que son aplicados en lugares con gran afluencia para poder generar la mayor cantidad de energía posible, el nuestro solo dependerá de una persona.
El problema empieza cuando la corriente de nuestro dispositivo se quiere asemejar a la del cargador convencional. 100X10-6Amp = 1Amp Es decir que para igualar la corriente debemos multiplicar la corriente obtenida por nuestro dispositivo por 10’ (100X10-6)(10’000)= Esto quiere decir que si nosotros usamos un cargador convencional en 3 horas nuestro dispositivo estar al 100% en cambio sí usamos nuestro dispositivo este quedara cargado al 100% en 30’000 horas de carga continua.
- Analizar causas de raíz. Las causas por las cuales quisiéramos llevar a cabo este proyecto es porque creemos que el fenómenos de los piezoeléctricos no ha sido aprovechado de una manera correcta ni tampoco ha sido explotado de una manera tan palpables ese básicamente es el motivo por el cual, queremos hacer este proyecto, si bien no es que estemos innovando al cien por ciento porque se han hecho proyectos similares creemos que podríamos sacarle el mejor provecho posible además de que en los últimos tiempos se ha visto muy afectado el ambiente con el consumo eléctrico excesivo, esa dos son las raíces de nuestro proyecto y las causas de por cual lo queremos realizar.
- Establecer niveles exigidos (Metas) Las metas que quisiéramos alcanzar sería poder hacer funcionar el dispositivo correctamente que pudiera realizarse lo que se pretende para jugar con los arreglos con el cual queremos hacer los arreglos mixtos para producir más voltaje y poder ver cómo funciona en la planta del pie y cuanto tiempo se carga aunque ya tengamos los cálculos nos gustaría hacer pruebas reales llevadas a la práctica y posteriormente si sale bien poder llevarlo a algo que no sea un prototipo solamente.
- Definir programas y soluciones. Lo que nosotros quisiéramos seguir a parte de la teoría y los cálculos son los arreglos que hemos visto que ni los arreglos aun que sean paralelos o mixtos en las conexiones de los piezoeléctricos no dan el voltaje máximo que se puede sacar por ello experimentaríamos con arreglos mixtos para poder llevar a cabo el mayor voltaje posible y la corriente sería algo en lo que quisiéramos innovar de igual manera ese es el programa que quisiéramos seguir en nuestra realización del proyecto.
- Implantar y verificar soluciones posibles ante los resultados que se puedan obtener. Unas soluciones que nosotros pondríamos sería colocar los piezoeléctricos en torres para ver cómo puede solucionar los problemas de corriente de los mimos piezoeléctricos, y verificar también en el área con el que se planea poner los piezoeléctricos. Procedimiento para armar Diseño del prototipo: Desarrollar el diseño del prototipo para generar un estimado de 10v y 100microFaradios Comprar los materiales: Comprar los materiales proyectados anteriormente, 8 piezoeléctricos, 1 capacitor, 2 metros de cable, 1 entrada hembra de 30 pines, 2 conectores hembra, 2 conector macho, 1 diodo zener y una resistencia. Soldar 2 circuitos con 4 piezoeléctricos c/u:
Ensamblar los conectores macho y hembra de los 2 circuitos de piezoeléctricos. Colocar el diodo Zener y resistencia: Soldar el diodo Zener en paralelo al principio de los conectores para estabilizar la corriente de salida a 5v y una resistencia en serie con el diodo Zener ya que si no la colocamos el diodo conduciría de manera que se autodestruiría. Poner el Capacitor electrolítico: Para evitar pérdidas por desfase y lograr almacenar un poco más de voltaje, lograr ayudar a que la carga siga de manera uniforme y no se corte paso a paso. Ensamblar el conector macho de la entrada de 30 pines: Para tener la salida al dispositivo conectamos el macho de la entrada de 30 pines a la salida del circuito derecho, después del arreglo del diodo Zener y el capacitor. Diseño vs Cargador Común Diseño Cargador común 10V 5V 100microAmpers 1Amp 8 piezoeléctricos Lm705 y capacitores 30cm de cable 1 metro de cable Indefinido No más 3 o 4 horas Perdidas reparables por impedancia Perdidas por factor de potencia
Nosotros basamos el diseño a 10V ya que lo convencional son 5v pero nuestros 10v son en pico de voltaje, lo que haremos será implementar un diodo zener de manera que en las zonas de ruptura así como en la salida se estabilice a 5V. La corriente aquí es lo que nos afecta y demasiado debido a que obtenemos muy poca corriente en comparación con la que nos da un cargador común, es decir nuestro tiempo de cargado es muy lento en comparación con el cargador común Nuestro fundamento en el cargador son los piezoeléctricos y en el cargador común es un circuito Lm705 que es un regulador de voltaje y un par de capacitores en paralelo para reducir las pérdidas por desfase. Los cargadores convencionales cuentan con un metro de cable para la libertad del usuario y el de nosotros cuenta con Los cargadores comunes llevan 1 metro de cable libre, nuestro diseño consta de 2 metros de cable para la conexión entre los piezoeléctricos y 30cm libres para el usuario Un cargador común no puede exceder 3 o 4 horas conectado a la toma corriente para energizar el celular debido a que un celular se carga óptimamente con 7000 a 10000 ciclos Nuestras pérdidas al ser por impedancia (resistencia a la carga) pueden ser reparada con un diodo en paralelo; Al ser perdidas por factor de potencia (toma corriente) aunque el dispositivo trabaje al 99% es abastecido a un 70%; Actualmente se están elaborando proyector para corregir el factor de potencia.
Tabla de referencias AÑO Qué hizo Cantidades 2001 Recolección de energía a través de los Zapatos con piezoeléctricos
2012 Recolección de energía con piezoeléctricos en unas escaleras
- Una persona que pesa 68 kg con una frecuencia de 2 pasos7seg, puede 67 w 2013 Tapete de piezoeléctricos para alimentar sistema de iluminación de bajo consumo. Investigadores construyeron recolectores y se observó su comportamiento en un osciloscopio digital, y se pudo determinar que los voltajes llegaban a 16V en la sección circular y a 25V en la sección cuadrada a 50Hz. La salida de potencia más alta que se logró fue de 625 uW (Korla et al. 2011). 2014 Generación y almacenamiento de energía a través de pasos; El voltaje generado por los piezoeléctrico es proporcional al peso/fuerza ejercido Una persona que tiene un peso de 75 kg puede generar un voltaje de 40 V. 2015 Propone un prototipo piezoeléctrico para la recolección de energía de fuentes de movimiento inercial aleatorio El prototipo propuesto en esta tesis recolecta energía en fuentes que oscilan a través de los 10 Hz 2014 En la tesis menciona que han desarrollado materiales con propiedades mejoradas tales como los materiales cerámicos ferroeléctricos policristalinos y el Zirconato Titanato de Plomo; Dado que los materiales piezoeléctricos que existen en la naturaleza poseen un efecto piezoeléctrico muy pequeño. 2010.. Se clasificaron y resumieron diversos tipos de materiales piezoeléctricos cerámicos con base titanatos alcalinos de bismuto, así como sus características. Estos se conocen todos como materiales piezoeléctricos: 2007 Creo un circuito para recolectar la Para encontrar la salida del capacitor
energía generada por un piezoeléctrico en paralelo (considerando que la salida del piezoeléctrico ya fue calculada) el nivel de tensión de fuerza aplicada entre el área del generador; El Diodo 1 (D1) frena la carga que fluye hacia el capacitor de salida (Cext): Y el Diodo 2 (D2) protege al D1 de voltajes de reversa. 2009 El piezoeléctrico PZT ha sido un coeficiente superior electromecánico y una unidad de radioactividad elevado, la cual es la mayor temperatura dentro de cuál es la mejor propiedad para un material piezoeléctrico, adicionalmente es magnetizada con un amplio rango de constante dieléctrica. Las propiedades superiores de los PZT los hacen los más populares en la familia de los materiales piezoeléctricos. 2010 Realizo pruebas donde descubrió que las puntas de voltaje muestran un breve incremento en la velocidad del aire al final de la prueba. Julio 2012 Se podrán determinar las condiciones actuales por fugas del sistema de aire comprimido en una línea de envasado de la empresa Mission Hills (Colgate Palmolive) mediante la inspección por ultrasonido. La cantidad de aire comprimido que se está desperdiciando a través de múltiples fugas 24 horas al día 365 días al año y por eso no se le da la importancia requerida a la detección , corrección y prevención de estas fugas al no considerar que éste sea un factor de pérdida energética y por lo tanto económica significativa. Figura. 2011 Utilizan los principios de la piezoelectricidad por medio del paso de personas y vehículos, donde se genere energía según la fuerza que se le aplique. Así la universidad no solo estaría contribuyendo en la conservación del planeta, y en la Mecánica sobre el asfalto. El sistema consiste en una serie de generadores colocados bajo el asfalto de las carreteras y generan energía cuando los vehículos circulan por encima. Cada uno de ellos es capaz de producir hasta 2 000 watts-hora que se
Es la constante dieléctrica bajo deformación mecánica nula. Es la constante piezoeléctrica. 2013 Trata sobre el análisis de la operación y desempeño de un sistema de generación de energía con la utilización de baldosas piezoeléctricas El tiempo de recuperación del piezoeléctrico fue de 38, Segundos. En otro experimento, se observó la característica de salida de la baldosa como resultado de un salto sobre ella. Se registraron valores de 10 a 15 V en el impulso del salto, y, del orden de 100 a 110 V en la caída. (^2011) Dar a conocer el dispositivo piezoeléctrico y presentar la evaluación de su capacidad de generación teniendo en cuenta las opciones tecnológicas más favorables que se determinara por medio de una aproximación del paso vehicular y peatonal que se genera por las porterías de las carreras 25, 27 y 30. Como se puede observar el dispositivo piezoeléctrico ofrecido por MOTION POWER es el que muestra la menor cantidad de energía generada por el paso vehicular, se observa que este genera un total de 45 kWh. 2014 Se manejan temas de generación de energía utilizando el efecto piezoelectrico, diseño y manufactura y por ultimo costos. El trabajo muestra la generación de energía utilizando el efecto piezoelectrico en un diseño de una baldosa, el cual consiste que el usuario al momento de pisar prenda varios leds alrededor de 2500 leds por cada cálculo de baldosa aproximadamente 2011 Estudio del comportamiento de una cerámica piezoeléctrica mediante elementos finitos -Coeficientes de carga de los piezoeléctricos de 240 a 650. -Frecuencia de las constantes de los piezoeléctricos de 1970 a 1500 2004 Modelado y evaluación en régimen transitorio de respuestas -Capacidades de voltaje generado hasta 12.3 volts.
piezoeléctricas y electrónicas en sistemas de visualización ultrasónica. -Temperatura apropiada para el funcionamiento entra -10 y 65 grados Celsius. 2012 Diseño de un prototipo para generación energética mediante tecnología piezoeléctrica. -Generación de un watt con frecuencia de un paso. 2016 Los piezoeléctricos cerámicos son mejores que los demás materiales utilizados en su fabricación El más cercano es el PZT que da un 70% del piezoeléctrico cerámico 2000 Creación de piezoeléctricos alternativos La tesis en general presenta una nueva forma de piezoeléctricos 2013 Sensores piezoeléctricos para detectar fugas de corriente. Detección de fugas de corriente en dobladoras. 2006 Fabricación de sistema generador de voltaje de uso común en casa-habitación Datos extraídos del pdf al rendimiento de los piezoeléctricos 2016 Una torre de piezoeléctricos Genera más voltaje por cm cuadrado de superficie 2012 Diseño de un prototipo para generación energética mediante Tecnología piezoeléctrica. Aplicación a escaleras. Datos sobre la cantidad de pasos dados por una persona promedio. 2014 Extracción de energía del agua mediante generadores piezoeléctricos Datos extraídos del estudio económico hecho por el autor 2006 Diseño y desarrollo del prototipo de un sensor basado en materiales piezoeléctricos Información general sobre los piezoeléctricos 2012 Análisis de viabilidad para el desarrollo de prototipo de acera que produce electricidad El pdf aborda el tema de la viabilidad por lo que revisamos sus datos con el fin de saber si era un opción nuestro prototipo 2014 Análisis de la factibilidad económica y ambiental de utilizar baldosas piezoeléctricas Al igual que otro pdf mencionado en esta tabla en este el autor habla no solo de la viabilidad económica sino también de un aspecto ambiental.
