Energía Eléctrica Producida por Dispositivos

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
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Contenido
• Introducción
o
o
o
o
Motivación
Aplicaciones
Objetivo
Marco Teorico
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Diagrama rectificador
• Resultados
• Conclusiones
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Contenido
• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
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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
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Energías Cosechadoras
• Eólica (viento)
• Hidráulica (agua)
• Solar ( luz solar)
• Vibratoria (movimiento)
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Materiales Piezoeléctricos
Materiales
piezoeléctricos
naturales:
Cuarzo
Turmalina
Sal de rochelle.
Materiales piezoeléctricos
fabricados artificialmente:
PZT
ZnO
PVDF
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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.
http://www.media.mit.edu/resenv/power/index.html
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Piso generador de Energía
La producción de electricidad alcanza un máximo de 10,000
watts por segundo al día.
Un promedio de 800 000 personas pasan por el tapete
generador solo en la tercera semana de ser instalado.
www.dem.feis.unesp.br/
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Contenido
• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
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Aplicaciones
-Pastillas electrónicas
Sensores:
Ultrasonido
Acelerómetros
Micrófonos
Actuadores:
Bocinas
Impresoras de
inyección de tinta
-Bats inteligentes
-Controles de
activación en
helicópteros
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Contenido
Introducción
Motivación
Aplicaciones
Objetivo
Desarrollo
Modelo mecánico
Modelo eléctrico
Esquema rectificador
Resultados
Conclusiones
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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.
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Contenido
Introducción
Motivación
Aplicaciones
Objetivo
Marco teórico
Desarrollo
Modelo mecánico
Modelo eléctrico
Esquema rectificador
Resultados
Conclusiones
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Piezoelectricidad
a) Efecto piezoeléctrico Directo (sensor)
b) Efecto piezoeléctrico Inverso (actuador)
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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
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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
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Piezoeléctrico (Bender Cantilever)
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Conexión en serie y paralelo PZT
Serie: Capacitancia baja - Corriente baja - Voltaje alto
Paralelo: Capacitancia alta - Corriente alta - Voltaje bajo
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Diseño de sensor de fuerza
1, max
Mt
(2 I )
Flt viga
2 I viga
V
D3 d31
E3t piezo
D3t piezo
Flt vigat piezo
2 I viga
1,max
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FASE I
Transferencia de
la energía
mecánica
Energía de
excitación del
medio ambiente
FASE II
Transformación
de la energía
mecánica a
eléctrica
Energía de
vibración
mecánica
Perdida de la
energía
mecánica
FASE III
Transferencia de
la energía
eléctrica
Energía eléctrica
generada
Perdida durante la
transducción de la
energía mecánica a
eléctrica
Energía eléctrica
de salida
Perdida de la
energía
eléctrica
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• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
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FASE I
Desarrollo
• Modelo mecánico
Base de
vibración
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• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
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FASE II
• Modelo eléctrico inicial
Ideal
Actual
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Contenido
• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Diagrama rectificador
• Resultados
• Conclusiones
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FASE II
• Diagrama de bloques de un Rectificador con
filtro
PSI-5A4E
DIODO
• 1N5820
• 1N4001
LM7805
• LED
• BATERÍA
• MP3
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o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
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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
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• Tablilla para la conexión de las
entradas del piezocerámico
• Generador piezoeléctrico
montado viga voladizo
(Cantilever)
Empotrado
Piezo
Viga
Masa
Shaker
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Instrumentos de medición
Generador de
funciones
Osciloscopio
Amplificador
Circuito acondicionador
de energía
Piezoeléctrico
Shaker
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• 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
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(a) Salida con 2 imanes de 25g
(b) Salida con 2 imanes y una tuerca 55g
No fracturado
Fracturado
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Simulación MathLab
Simulado
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FASE III
•
Presentación en protoboard y su salida de voltaje durante la
oscilación
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Resultados
experimentales
Voltaje vs RL
Potencia vs RL
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• Resultados cargando baterías en serie y
FASE III
paralelo
(b)
(a)
(c)
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• Simulación y análisis transitorio
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FASE III
• Encendido de un reproductor MP3 Se cargó con
1.9V en 10
minutos
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Simulación PZT en Coventor (FEA)
Relación Desplazamiento vs. Potencial
100
80
Potencial V
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
Desplazamiento um
Relación Reacción vs Desplazamiento
Capas del piezo
5
3.5x10
5
3.0x10
5
Reacción en el punto fijo uN
2.5x10
5
2.0x10
5
1.5x10
5
1.0x10
4
5.0x10
0.0
0
10
20
30
40
50
Desplazamiento um
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Simulación Coventor Desplazamiento vs Tensión
Relación Desplazamiento vs Mises Stress
3000
2500
2000
Mises Stress
Con un desplazamiento de
5µm hasta 50µm se
obtienen las siguientes
graficas de resultados.
1500
1000
500
0
0
10
20
30
40
50
Desplazamiento um
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Contenido
• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
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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.
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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
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45
46
Gracias…….
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