energía eléctrica producida por dispositivos piezoeléctricos · pdf fileo...
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Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
Carolina Nohemí Salgado Castro Asesor:
Alejandra Lugo Rangel Dr. Roberto C. Ambrosio
Instituto de Ingeniería y Tecnología
Energía Eléctrica Producida por Dispositivos Piezoeléctricos
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y COMPUTACIÓN
1
Contenido• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
o Marco Teorico
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Diagrama rectificador
• Resultados
• Conclusiones
2
Contenido• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
3
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)
5
Materiales Piezoeléctricos
Materiales piezoeléctricos
fabricados artificialmente:
PZT
ZnO
PVDF
Materiales
piezoeléctricos
naturales:
Cuarzo
Turmalina
Sal de rochelle.
6
Cosechamiento en un humano
Energía en una paso:Laminas de metal unidas a un piezoeléctrico PVDFsemiflexible 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 7
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/8
Contenido• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
9
-Pastillas electrónicas
-Bats inteligentes
-Controles de
activación en
helicópteros
Aplicaciones
Actuadores:
Bocinas
Impresoras de
inyección de tinta
Sensores:
Ultrasonido
Acelerómetros
Micrófonos
10
Contenido
IntroducciónMotivación
Aplicaciones
Objetivo
DesarrolloModelo 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.
• Objetivos particulares:
o Estudio y caracterización de generadores
piezoeléctricos.
oDiseño e implementación del circuito
acondicionador para los generadores.
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Contenido
IntroducciónMotivación
Aplicaciones
Objetivo
Marco teórico
DesarrolloModelo mecánico
Modelo eléctrico
Esquema rectificador
Resultados
Conclusiones
13
Piezoelectricidad
b) Efecto piezoeléctrico Inverso (actuador)
a) Efecto piezoeléctrico Directo (sensor)
14
Efecto piezoeléctrico
Dominio de
dipolos
eléctricos1) 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
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
Piezoeléctrico (Bender Cantilever)
17
Conexión en serie y paralelo PZT
Serie: Capacitancia baja - Corriente baja - Voltaje alto
Paralelo: Capacitancia alta - Corriente alta - Voltaje bajo
18
Diseño de sensor de fuerza
viga
viga
I
Flt
I
Mt
2)2(max,1
max,1313 dDviga
piezovigapiezo
piezoI
tFlttDtEV
2
3
3
19
FASE ITransferencia de
la energía mecánica
Energía de excitación del
medio ambiente
Energía de vibración mecánica
Energía eléctrica generada
Energía eléctrica de salida
FASE IITransformación
de la energía mecánica a
eléctrica
FASE IIITransferencia de
la energía eléctrica
Perdida de la energía
mecánica
Perdida durante la transducción de la energía mecánica a
eléctrica
Perdida de la energía eléctrica
20
Contenido• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
21
Base de vibración
• Modelo mecánico
DesarrolloFASE I
22
Contenido• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
23
• Modelo eléctrico inicial
Ideal
Actual
4
FASE II
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Contenido• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Diagrama rectificador
• Resultados
• Conclusiones
25
• Diagrama de bloques de un Rectificador con filtro
LM7805• LED• BATERÍA• MP3
DIODO• 1N5820• 1N4001
PSI-5A4E
FASE II
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Contenido• Introducción
o Motivación
o Aplicaciones
o Objetivo
• Desarrollo
o Modelo mecánico
o Modelo eléctrico
o Esquema rectificador
• Resultados
• Conclusiones
27
• Elemento piezoeléctrico conexión en serie y paralelo
Modelo PSI-5A4E
(a) Dimensiones(63mm x 31.8mm
x .51mm)
(b) Serie (c) Paralelo
T220-A4-503X T220-A4-503Y
Instrumentación y metodología
28
• Tablilla para la conexión de las entradas del piezocerámico
• Generador piezoeléctrico montado viga voladizo (Cantilever)
Viga
Shaker
Empotrado Piezo Masa
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Osciloscopio
Shaker
Piezoeléctrico
Amplificador
Generador de
funciones
Instrumentos de medición
Circuito acondicionador
de energía
30
• 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
(b) Salida con 2 imanes y una tuerca 55g
No fracturado
Fracturado
32
Simulación MathLab
Simulado
33
• Presentación en protoboard y su salida de voltaje durante la oscilación
FASE III
34
Resultados experimentales
Voltaje vs RL Potencia vs RL
35
• Resultados cargando baterías en serie y
paralelo
(a)
(b)
(c)
FASE III
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• Simulación y análisis transitorio
37
• Encendido de un reproductor MP3 Se cargó con 1.9V en 10 minutos
FASE III
38
Simulación PZT en Coventor (FEA)
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60
80
100
Pote
ncia
l V
Desplazamiento um
Relación Desplazamiento vs. Potencial
Capas del piezo
0 10 20 30 40 50
0.0
5.0x104
1.0x105
1.5x105
2.0x105
2.5x105
3.0x105
3.5x105
Reac
ción
en e
l pun
to fi
jo u
N
Desplazamiento um
Relación Reacción vs Desplazamiento
39
0 10 20 30 40 50
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Mis
es
Str
ess
Desplazamiento um
Relación Desplazamiento vs Mises Stress
Simulación Coventor Desplazamiento vs Tensión
Con un desplazamiento de
5µm hasta 50µm se
obtienen las siguientes
graficas de resultados.
40
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 AAAo 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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46
Gracias…….
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