análisis del estado actual de la tecnología energy...

42
Análisis del estado actual de la tecnología Energy Harvesting (Recolectores de energía) basados en piezoelectricidad. Fredy Alexander Jiménez Rubio. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica - Tecnología en Electricidad Bogotá D.C., Colombia 2018

Upload: others

Post on 25-Apr-2020

25 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Análisis del estado actual de la tecnología Energy Harvesting

(Recolectores de energía) basados en piezoelectricidad.

Fredy Alexander Jiménez Rubio.

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad Tecnológica - Tecnología en Electricidad

Bogotá D.C., Colombia

2018

Análisis del estado actual de la tecnología Energy Harvesting

(Recolectores de energía) basados en piezoelectricidad.

Fredy Alexander Jiménez Rubio.

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de:

Tecnólogo en Electricidad

Director:

Ing. Luis Antonio Noguera Vega.

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad Tecnológica - Tecnología en Electricidad

Bogotá D.C., Colombia

2018

3

HOJA DE ACEPTACIÓN

_____________________________________

_____________________________________

_____________________________________

_____________________________________

Nota de aceptación

Ing. Luis Antonio Noguera Vega.

Ing. Diego Armando Giral Ramírez.

Bogotá D.C. Junio, 2018

4

Este gran logro se lo dedico en primer lugar a

Dios por darme la vida y una gran familia.

A mis padres por brindarme su ejemplo,

sabiduría y apoyo incondicional para cumplir

mis metas y sueños. A los profesores por el

conocimiento que me brindaron.

Fredy Alexander Jimenez Rubio.

5

AGRADECIMIENTOS

Al Ing. Luis Antonio Noguera Vega tutor y profesor, que además de depositar su confianza

me ofreció sus consejos, paciencia y apoyo para el desarrollo del presente proyecto, y de

esa forma llegar a alcanzar esta gran meta. Al Ing. Diego Armando Giral Ramírez, quien con su apoyo y conocimiento logró contribuir

en la finalización del proyecto.

.

6

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN. ....................................................................................................... 11

2. CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES DE RECOLECCIÓN DE ENERGÍA .......... 13

3. RESEÑA HISTÓRICA ................................................................................................ 18

4. RECOLECTORES DE ENERGÍA BASADOS EN ESFUERZOS MECÁNICOS. .... 22

1.1. Recolector de energía electrostática. ..................................................................... 22

1.2. Recolector de energía electromagnética. ............................................................... 22

1.3. Recolector de energía piezoeléctrica. .................................................................... 23

5. APLICACIONES DE LOS RECOLECTORES DE ENERGÍA EN ESFUERZOS

MECÁNICOS. ..................................................................................................................... 26

6. PANORAMA FUTURO. ............................................................................................. 32

7. CONCLUSIONES. ....................................................................................................... 33

8. BIBLIOGRAFÍA. ......................................................................................................... 34

7

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Comparación de la potencia estimada de diferentes Energy Harvesting. ............. 17

Tabla 2. Principales características técnicas de losas piezoeléctricas en el mercado mundial.

Adaptado de (Elhalwagy et al., 2017) .................................................................................. 29

8

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.Taxonomía de las fuentes de recolección de energía. Adaptado de (Shaikh &

Zeadally, 2016). ................................................................................................................... 14

Figura 2. Diferentes fuentes de energía con su respectivo transductor. Adaptado de (Ku et

al., 2016). ............................................................................................................................. 15

Figura 3. Esquema general de un sistema de recolección de energía. Fuente: elaboración

propia. .................................................................................................................................. 16

Figura 4. Desarrollo cronológico de los sistemas piezoeléctricos. Fuente: elaboración

propia. .................................................................................................................................. 21

Figura 5. Recolector de energía electrostático. Adaptado de (Jamadar et al., 2017) ........... 22

Figura 6. El modelo de un colector de energía de vibración electromagnética con un solo

grado de libertad. Adaptado de (Wei & Jing, 2017) ............................................................ 23

Figura 7. Proceso de polarización: (a) Dominios polares orientados aleatoriamente. (b) Se

polariza debido a una fuerza externa aplicada. (c) Polarización remanente al retirar la fuerza

externa aplicada. Fuente: (Hehn & Manoli, 2015) ............................................................... 24

Figura 8. (a) Efecto piezoeléctrico directo. (b) Efecto piezoeléctrico inverso. Adaptado de

(Kokkinopoulos, Vokas, & Papageorgas, 2014) .................................................................. 24

Figura 9. (a) Configuración Viga voladiza o Cantilevered beam. Adaptado de (Harne &

Wang, 2017). (b) Esquema de un transductor piezoeléctrico. Adaptado de (Wei & Jing,

2017) .................................................................................................................................... 25

Figura 10. Material piezoeléctrico operando en: (a) Modo 33 y (b) Modo 31. Adaptado de

(Wei & Jing, 2017) ............................................................................................................... 25

Figura 11. Transductor piezoeléctrico en guante. Adaptado de (Psoma et al., 2017) .......... 26

Figura 12. Bandera piezoeléctrica. Adaptado de (Orrego et al., 2017) ................................ 26

Figura 13. (a) Esquema y (b) prototipo del sistema colector de energía eólica basado en el

impacto. Adaptado de (He & Gao, 2013) ............................................................................ 27

Figura 14. Esquema del transductor de energía flotante sobre la ola oceánica. Adaptado de

(Viet et al., 2016) ................................................................................................................. 28

Figura 15. Caja piezoeléctrica para pavimento con dos diferentes estructuras de

transductores (viga de voladizo y apilado). Fuente (Xu et al., 2017) .................................. 29

Figura 16. Prototipo recolector de energía piezoeléctrico en una arteria. Adaptado de

(Fadhil & Saber, 2013) ......................................................................................................... 30

Figura 17.(a) Viga voladiza con material PZT. (b) Generador piezoeléctrico instalado en el

manillar de la bicicleta. Fuente (Vasic et al., 2014) ............................................................. 30

9

RESUMEN---

Contexto: La electricidad ha trasformado la historia de la humanidad, permitiendo que ella

sea cada vez más flexible y versátil para los consumidores que tienen una demanda de

energía en crecimiento. Según la International Energy Agency (IEA) la demanda de

electricidad aumentará casi en un 80% durante el periodo 2012 – 2040, y en los últimos años

la generación de electricidad por medio de fuentes renovables creció en promedio un 3.6%

al año; cada vez más personas se conectan a la red a medida que los estándares de vida

mejoran en todo el mundo, permitiendo que la demanda de electrodomésticos y dispositivos

electrónicos esté aumentando.

La tecnología llego hacer que los sistemas prácticos y útiles lleguen a funcionar con un bajo

consumo de corriente y potencia, para dar soluciones óptimas y eficientes al transformar las

fuentes de energía que se encuentran en el ambiente, convirtiendo a estas en energía eléctrica

útil que no afecte el entorno.

Método: Se investigaron las aplicaciones que se están utilizando en la actualidad para

transformar la energía presente en el ambiente en energía eléctrica, donde se observó el

proceso de transformación y los materiales más utilizados, es así que en el desarrollo del

presente documento se abordaron los temas relacionados con la generación y el

almacenamiento de energía cinética, como los esfuerzos mecánicos que se hallan en el

ambiente, dando a conocer los diferentes estudios, teorías, enfoques, diseños, conclusiones

y puntos de vista realizados hasta el momento sobre esta tecnología que se denomina

Piezoelectric Energy Harvesting, o recolectores de energía basados en piezoelectricidad.

Resultados: Se proporcionó una comparación con otras fuentes de energía que se encuentran

en auge, las cuales son viables para generar electricidad, donde el objetivo final de los

sistemas de recolección de energía, es el funcionamiento de forma autónoma (sin baterías)

que dependan de la energía extraída del medio ambiente, gracias a los desarrollos

tecnológicos y científicos el futuro de la recolección de la energía humana será una

alternativa competente y confiable.

Palabras claves--- Energy Harvesting; Piezoelectricidad; Vibración; Presión; Potencia;

Tensión

ABSTRACT---

Context: Electricity has transformed the history of humanity, which allows increasingly

flexible and versatile consumers to have a growing demand for energy. According to the

International Energy Agency (IEA) the demand for electricity increases by 80% during the

period 2012 - 2040, and in recent years the generation of electricity through renewable

sources grew an average of 3.6% per year; more people connect to the network, as quality

standards improve all over the world, allowing the demand for appliances and electronic

devices to improve.

10

Technology can make practical systems and services come to work with low current and

power consumption, to obtain optimum and efficient solutions to transform the energy

sources found in the environment, becoming useful electrical energy that does not affect

the environment.

Method: We investigated the applications that are currently being used to transform the

energy present in the environment into electrical energy, where the transformation process

and the most used materials were observed, so that in the development of this document

the issues related to the generation and storage of kinetic energy, such as the mechanical

efforts that are in the environment, making known the different studies, theories,

approaches, designs, conclusions and points of view made to date on this technology that

is called Piezoelectric Energy Harvesting, or piezoelectricity-based energy harvesters.

Results: A comparison was provided with other sources of energy that are booming, which

are viable to generate electricity, where the ultimate goal of energy collection systems, is

to operate autonomously (without batteries) that depend on the energy extracted from the

environment, thanks to technological and scientific developments, the future of the

collection of human energy will be a competent and reliable alternative.

Keywords--- Energy Harvesting; Piezoelectricity; Vibration; Pressure; Power;

Tension.

11

1. INTRODUCCIÓN.

La electricidad ha trasformado la historia de la humanidad, permitiendo que ella sea cada

vez más flexible y versátil para los consumidores que tienen una demanda de energía en

crecimiento. Según la International Energy Agency (IEA) la demanda de electricidad

aumentará casi en un 80% durante el periodo 2012 – 2040 (Elhalwagy, Ghoneem, &

Elhadidi, 2017). La energía es el fundamento material de la existencia humana y el desarrollo

económico (Luo & Wang, 2016). No obstante, las soluciones a los problemas relacionados

con el medio ambiente como lo es la contaminación, el calentamiento global y el progresivo

aumento de la población humana demuestran el limitado potencial de los recursos para saciar

las demandas energéticas(Agarwal & Sharma, 2014; Nishikawa & Satoh, 2016). La

electricidad es la clave de la supervivencia, por la cual dependen millones de habitantes

(Singh, Rani, Rohini, & Parida, 2014).

El ser humano ha utilizado y transformado la energía, sin embargo el concepto es reciente y

se encuentra en todas las ramas de la ciencia, de hecho hay energía en el cuerpo humano,

animales y en los objetos, se observan sus efectos cuando se almacena y se transforma de un

tipo de energía a otra (A. Patil, M. Jadhav, S. Joshi, 2015; Jamadar, Pingle, & Kanase, 2017;

Songsukthawan, 2017).

La energía alternativa es un término muy utilizado en la actualidad, (Di Paolo Emilio, 2016)

la define como una fuente de energía que “es una alternativa al uso de combustibles fósiles

con un bajo impacto ambiental”. Es así que los países han aumentado sus intereses en los

recursos energéticos renovables y en la invención de sistemas sostenibles con nuevas

alternativas que sean amables con el medio ambiente, como lo es el aprovechamiento de la

energía solar por celdas fotovoltaicas, la conversión de energía eólica por medio de

aerogeneradores, la geotermia, la biomasa, la mecánica entre otros (Ismail & Ghani, 2013).

En los últimos años la tecnología ha evolucionado significativamente en la invención y

desarrollo de alternativas que permitan disminuir el consumo de combustibles fósiles,

generando energía limpia y renovable, donde se han llevado a cabo investigaciones y

aplicaciones de dispositivos que permiten realizar un proceso de transformación de la

energía, recuperándola, almacenándola y posteriormente reutilizándola. A este sistema se le

ha denominado Energy Harvesting (Inman, 2011).

Energy harvesting también conocido como energy scavening es el proceso de conversión de

energía presente en el ambiente en variables eléctricas (tensión y/o corriente), por lo general,

este término se aplica a la recolección de energía para pequeños dispositivos autónomos de

baja potencia, como los que captan la energía solar, la energía térmica, la radiación

electromagnética y los esfuerzos mecánicos (Park, Lee, & Kwak, 2012; Yildiz, 2007). El

propósito de los sistemas de recolección de energía es operar de forma autónoma donde sea

posible sustituir el uso de baterías, como también aumentar la vida útil de ellas, y con el

aumento de dispositivos electrónicos las baterías invaden los hogares, siendo un

contaminante que afecta el ambiente y la salud (Acero & Esteve, 2012; Beeby, Tudor, &

White, 2006; Chalasani & Conrad, 2008).

12

Los objetos en su totalidad están sometidos a esfuerzos mecánicos, haciendo de éste una de

las principales fuentes de recolección de energía. Los esfuerzos mecánicos se pueden

transformar en energía eléctrica mediante materiales piezoeléctricos, los cuales tienen la

propiedad de generar carga eléctrica a partir de la deformación o compresión del material

cuando están sometidos a la presión y vibración, de la misma forma se presenta deformación

en el material cuando está sometido a un campo eléctrico. Por esta razón la tecnología

piezoeléctrica ha sido la causa de múltiples estudios a nivel mundial, donde se han desarrollo

dispositivos que recolectan energía presente en el ambiente, como las losas piezoeléctricas,

que generan energía eléctrica gracias a que aprovechan la energía cinética de las personas al

caminar o los automóviles y bicicletas al moverse.

Para el desarrollo del proyecto, se planteó una metodología que enmarca las siguientes

etapas, en las cuales se contempló: la fase de inicio: donde se realizó la búsqueda y revisión

bibliográfica del tema de interés, principalmente en fuentes tales como Scopus,

scienceDirect, IEEE Xplore, entre otras, que permitieron obtener artículos relacionados con

historia, evolución, funcionamiento, características, clasificación, tipos de materiales y

desarrollos tecnológicos con piezoelectricidad a nivel nacional e internacional. Esto, con el

fin de establecer un estado actual de esta tecnología. La fase de clasificación y análisis: se

organizaron y clasificaron los artículos encontrados en revistas indexadas, por fechas,

materiales piezoeléctricos y desarrollos tecnológicos específicamente Energy Harvesting,

con el fin de proporcionar una idea clara de la evolución de esta tecnología. Posteriormente

se realizó la lectura de los artículos, y se extrajo la información necesaria y de mayor

relevancia para el desarrollo del documento final. Fase de producción: se elaboró la

redacción del documento dando una descripción cualitativa y/o descriptiva de la información

clasificada y analizada, citando adecuadamente cada uno de ellos con el fin de respetar los

derechos de autor y cumplir el objetivo de establecer un estado actual de la tecnología

piezoeléctrica, permitiendo que el lector tenga un desarrollo dinámico en lo consignado en

el documento.

El presente documento se encuentra divido en 7 capítulos. El primer capítulo se da una

introducción, en donde se visualiza el panorama global al que está enfrentada la tecnología

de recolectores de energía, de igual forma se proporcionan los conceptos necesarios para

abordar el tema. En el segundo capítulo se muestra la clasificación de las fuentes de

recolección de energía, donde se definen y comparan diferentes fuentes de energía, de igual

forma se detallan algunos estudios y trabajos previos para comprender y entender la

importancia que han tenido los Energy Harvesting. En el tercer capítulo se presenta la

evolución histórica que han tenido los Energy Harvesting en conjunto con los materiales

piezoeléctricos. En el capítulo cuatro se comprenderá la clasificación y funcionamiento de

los recolectores de energía basados en esfuerzos mecánicos. Posteriormente se tendrá el

capítulo quinto, donde se visualizarán las aplicaciones y diseños de dispositivos que generan

electricidad por medio de los esfuerzos mecánicos. En el sexto capítulo se propone un

panorama futuro para los Energy Harvesting, sustentados con las opiniones y puntos de vista

de investigadores que hablan sobre el tema. Para finalizar en el artículo se presentan las

conclusiones.

13

2. CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES DE RECOLECCIÓN DE ENERGÍA

Energy Harvesting es el término que se aplica a la recolección de energía presente en el

ambiente la cual se aprovecha de fuentes de energía como térmica, solar, radiación

electromagnética y esfuerzos mecánicos (Park et al., 2012). Cada una de las fuentes de

recolección de energía mencionadas puede proporcionar una cantidad útil de energía,

(Allamraju K.Srikanth, 2017) habla sobre la generación de electricidad usando la vibración

(Movimiento mecánico), él afirma: “la vibración tiene una mayor densidad de energía para

aplicaciones prácticas”. De igual forma otros autores como (Ajitsaria, Choe, Ozmun, Shen,

& Kim, 2009; Beeby et al., 2006), reconocen las limitaciones de otros sistemas como es el

uso de paneles solares, que tienen una excelente densidad de potencia cuando la radiación

solar es directa, pero en condiciones de poca luz ambiental son inadecuados para aplicaciones

en donde se presente baja iluminación, o donde los paneles pueden estar oscurecidos por la

contaminación. De la misma manera los sistemas de energía termoeléctrica para procesos de

generación a pequeña escala tienen sus propios obstáculos, como se sabe estos sistemas se

han desarrollado con éxito durante décadas para generación de energía a escala de kW, a

partir de las diferencias de temperatura que se encuentran a cientos de °C. Pero algunos

investigadores trabajan para convertir la energía termina en energía eléctrica a través del

efecto Seebeck que es la generación de diferencia de potencial entre dos uniones bimetálicas

cuando están a diferentes temperaturas, esto se da utilizando materiales termoeléctricos que

a su vez son semiconductores como el telurio, el germanio y la plata (Hudak & Amatucci,

2008; Junior, Maran, Henao, Silva, & Schaeffer, 2016).

La energía de Radio Frecuencia (RF) se ha considerado como una fuente viable de energía

ambiental. Recientemente, esta energía ha tenido gran atención por parte de académicos e

industriales, en donde se han desarrollado estudios con rectennas que son antenas

rectificadoras para convertir las ondas electromagnéticas en corriente continua para

aplicaciones de muy baja potencia (0.1-10µW). Siendo esta su gran limitante en la actualidad

se están investigando los circuitos híbridos de recolección de energía, un ejemplo de ello es

combinar paneles solares con una rectenna para generar mayor potencia (Bouchouicha,

Dupont, Latrach, & Ventura, 2010; Collado & Georgiadis, 2013; Kawahara, Tsukada, &

Asami, 2009; Paing, Shin, Zane, & Popovic, 2008; Piñuela, Mitcheson, & Lucyszyn, 2013).

Otra tecnología en crecimiento se basa en los esfuerzos mecánicos, donde se encuentra la

vibración y la presión las cuales son abundantes, y no presentan limitaciones en sus

aplicaciones, ya que se pueden utilizar en la noche o en días nublados, algunas fuentes de

energía mecánica pueden ser estructuras vibrantes, máquinas, la presión en el suelo ejercida

por una persona al caminar o un objeto en movimiento (M. Kim, Dugundji, & Wardle, 2015;

Pal, Ghosh, Chatterjee, Mahapatra, & Chatterjee, 2016). La conversión a energía eléctrica de

las vibraciones y la presión, se puede realizar a través de materiales piezoeléctricos en los

que se induce campo eléctrico al aplicar esfuerzo mecánico. Los materiales piezoeléctricos

han recibido gran atención en las últimas décadas, debido a su capacidad para convertir de

forma directa las vibraciones y la presión sobre el material en energía eléctrica útil, a este

fenómeno se le ha denominado efecto directo, de la misma forma se presenta el efecto

inverso, que se da cuando la deformación tiene lugar en el material por la aplicación de

14

voltaje (Allamraju K.Srikanth, 2017; Anton & Sodano, 2007; Beeby et al., 2006). Es así que

la Piezoelectricidad es la propiedad que tienen algunos cristales naturales o sintéticos de

producir energía eléctrica a partir de su deformación o compresión (A. Patil, M. Jadhav, S.

Joshi, 2015).

Como se ha mencionado, la energía puede ser capturada de una variedad de fuentes que no

se aprovechan adecuadamente considerando a estas inutilizables para cualquier práctica o

propósito, donde el proceso conocido como Energy Harvesting, captura la energía residual

de algunos fenómenos ambientales o de fuentes externas, como procesos industriales o

actividades humanas, calificando a estos como "energía gratuita" (Jain & Bhullar, 2012). En

la Figura 1 se muestra la clasificación general de las fuentes recolección de energía. En el

desarrollo del documento se hará énfasis en los recolectores de energía basados en esfuerzos

mecánicos.

Figura 1.Taxonomía de las fuentes de recolección de energía. Adaptado de (Shaikh & Zeadally, 2016).

En la Figura 2 se observan los métodos más utilizados para captar la energía presente en el

ambiente con sus respectivas fuentes, las cuales son las más comunes a la hora de recolectar

energía, generalmente se dividen en cuatro tipos como: solar, termoeléctrica, radiación

electromagnética y movimiento mecánico (Ku, Li, Chen, Member, & Liu, 2016).

15

Figura 2. Diferentes fuentes de energía con su respectivo transductor. Adaptado de (Ku et al., 2016).

Los recolectores de energía son sistemas que se componen de varios procesos que son

similares para cualquier método de recolección de energía. En la Figura 3 se observa un

sistema autoalimentado basado en la recolección de energía, el sistema se divide en varios

procesos como:

• El calor, la luz, la radiación y la vibración; son fuentes de energía disponibles en el

ambiente para la conversión en electricidad.

• Transductor de energía también llamado recolector de energía, que se usa para

convertir la energía ambiental de entrada en energía eléctrica de salida, como los

módulos termoeléctricos, las celdas fotovoltaicas, las antenas rectificadoras o

transductores piezoeléctricos, electromagnéticos y electrostáticos (Jamadar et al.,

2017; Junior et al., 2016).

• Rectificador o conversor AC/DC, ya que algunos transductores de energía no

proporcionan energía DC, y en estos casos es necesario transformar la corriente

alterna, en corriente continua con un puente de diodos, para luego almacenarla en un

condensador (Ulhoa, Magalhaes, De Souza Floriano, & Coutinho, 2017).

16

• Regulación de voltaje: es necesario adaptar el nivel de voltaje a los requisitos del

dispositivo alimentado o al elemento de almacenamiento.

• Elemento de almacenamiento: generalmente se usan baterías o condensadores, en

algunos casos la elección de este puede ser opcional, dependiendo de los requisitos

de la aplicación.

• Carga eléctrica: normalmente la potencia generada se usa para alimentar electrónica

de bajo consumo, como los sistemas inalámbricos de redes de sensores, un ejemplo

de ello son los ZigBee que es una tecnología inalámbrica de corto alcance y de bajo

consumo para aplicaciones en domótica, seguridad y automatización, en la actualidad

estos se benefician de los recolectores de energía. Además, los avances en la

tecnología de microprocesadores han aumentado la eficiencia energética, reduciendo

de manera efectiva el consumo de energía de estos dispositivos (Jain & Bhullar, 2012;

Niyato, Hossain, Rashid, & Bhargava, 2007; Song & Tan, 2012; Tan & Panda, 2010).

Figura 3. Esquema general de un sistema de recolección de energía. Fuente: elaboración propia.

Es así que varias fuentes de energía como la solar, la térmica, el ruido, el viento, el flujo de

corrientes de agua, la radio frecuencia y los esfuerzos mecánicos entre otros, se mantienen

más allá del alcance del presente documento. La Tabla 1 compara la potencia estimada y los

desafíos de algunas fuentes comunes de energía, donde los valores en la tabla se derivaron

de una combinación de varios experimentos realizados en estudios publicados por

académicos e industriales.

Fuente de energÍa

ambiental

Transductor de energÍa

Rectificador

•Conversor AC-DCRegulador de

voltaje

Elemento almacenador

de energÍa

Carga eléctrica

17

Fuente Potencia Método Referencia

Solar

100mW/cm2 Panel solar (Sudevalayam & Kulkarni, 2011)

56 mW Combinación de una celda solar

con una Rectenna (Collado & Georgiadis, 2013)

400 mW Panel solar de 3.75 X 2.5 in (Hande, Polk, Walker, & Bhatia,

2007)

1.2mW/cm2 Chip con fotodiodos para implantes

biomédicos.

(Z. Chen, Law, Mak, & Martins,

2017)

Térmica

150 mW ZigBee (S. Yang, 2010)

6 W Seebeck Effect (Junior et al., 2016)

10μW/cm2 ~1mW/cm2 -

(Prasad, Devasenapathy, Rao, &

Vazifehdan, 2014)

100 mW - (Leonov & Fiorini, 2007)

5.71 mW

Modulo hibrido, piezoeléctrico y

térmico. El módulo piezoeléctrico

produce 0.21 mW.

(Zhao, Ji, Li, & Li, 2014)

160 Kw h En asfalto, en temporada de verano

con 25-30 °C durante 8 h. (W. Jiang et al., 2017)

Mecánica

14.17 μW Vibración de una persona corriendo

durante 1h

(Rocha, Goncalves, Rocha, Silva,

& Lanceros-Mendez, 2010)

1.38 μW Vibración a 200 Hz (Torres, Member, Rincón-mora,

& Member, 2009)

50 mW Vibración simulada (Mitcheson, Green, & Yeatman,

2007)

983 μW - (Saha, O’Donnell, Wang, &

McCloskey, 2008)

0.95 mW Vibración de una persona caminado (Saha et al., 2008)

4.13 mW Velocidad de movimiento 5 Km*h-1 (Ylli et al., 2015)

55 mW Aspas eólicas de 0.025 m2 con

generador piezoeléctrico. (Zhao & Ega, 2014)

0.3 W Recolector de energía impulsado

por agua y aire. (Zhao, Ji, Teo, & Li, 2014)

2.1 mW

Prueba laboratorio con transductor

piezoeléctrico para captar energía

de la carretera.

(Jasim, Wang, Yesner, Safari, &

Maher, 2017)

5 mW/ cm3 Velocidad de viento de 9 m/s (Orrego et al., 2017)

RF

5.5 μW Con 902-928MHz a 15m (X. Lu, Wang, Niyato, Kim, &

Han, 2015)

60 μW Con 674-680MHz a 4.1Km en

Torre de telecomunicaciones. (Smith, 2013)

0.2nW/cm2 ~ 1μW/cm2 Sensor inalámbrico RFID (S. Kim et al., 2014)

2 μW Con 868MHz a27m (Stoopman, Member, & Keyrouz,

2014)

240 nW/cm2 3G (2110-2170 MHz)

(Piñuela et al., 2013) 460 nW/cm2 DTV (470-610 MHz)

6 nW/cm2 WIFI (2400-2500 MHz)

Tabla 1. Comparación de la potencia estimada de diferentes Energy Harvesting.

18

3. RESEÑA HISTÓRICA

En 1831 Joseph Henry y Michael Faraday descubrieron el principio de producir electricidad

a partir del magnetismo (inducción electromagnética). En octubre del mismo año, Faraday

inventó el primer generador de corriente continua que consiste en una placa de cobre que gira

entre polos magnéticos (Elliott, 1999).

En 1839, mientras experimentaba con una celda electrolítica de dos electrodos de metal,

Edmund Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico (Mah, 1998). Posteriormente la primera

celda solar fue construida en 1894 por Charles Fritts, que recubrió una capa de selenio con

una fina capa de oro (Damaschke, 1996).

En 1880 Pierre y Jacqes Curie descubrieron que ciertos materiales producen cargas eléctricas

en sus superficies como consecuencia de aplicar esfuerzo mecánico, donde las cargas

inducidas son proporcionales a la tensión mecánica (Uchino, 2010). Esto se llama efecto

piezoeléctrico gracias a los materiales en los que se presenta este fenómeno, y a la electricidad

producida se le denomino piezoelectricidad, donde la palabra piezo se deriva del griego

piezein que significa presionar (Mateu & Moll, 2005; Ordóñez, 2011; Sharapov, 2011). Este

descubrimiento fue una aproximación a los recolectores de energía en forma de carga. Sin

embargo en 1826 Thomas Johann Seebeck descubrió que una corriente fluiría en un circuito

cerrado hecho de dos metales diferentes cuando se mantienen a diferentes temperaturas,

siendo esta la primera observación de los Energy Harvesting en la historia (Blatt, 1976; Junior

et al., 2016). Durante las siguientes tres décadas, los efectos termoeléctricos básicos fueron

explorados y entendidos macroscópicamente, en donde se reconoció su aplicabilidad a la

termometría, la generación de energía y la refrigeración (Nolas, Sharp, & Goldsmid, 2001)

Pierre y Jacques Curie demostraron experimentalmente que ciertos cristales mostraban una

carga superficial cuando estaban sujetos a estrés mecánico (Farmer, 2007). El experimento

realizado por los jóvenes consistió en la medición de las cargas que aparecen en cristales

preparados como lo son la turmalina, cuarzo, topacio, caña de azúcar y sal de Rochelle entre

otros, los cuales fueron sometidos a estrés mecánico. Posteriormente los Curie afirmaron ''la

cantidad [de electricidad] es proporcional a la variación de la presión ''. Además, '' Por la

misma variación de la presión la cantidad de electricidad liberada es independiente de las

dimensiones de la turmalina ''. Estos resultados fueron un crédito a la imaginación y

perseverancia, ya que se obtuvieron con nada más que papel de aluminio, pegamento,

alambre, imanes y una sierra de joyero. De la misma forma pronto encontraron que el cuarzo

obedecía a las mismas reglas y por lo tanto consideraron que el efecto eléctrico de la variación

en la presión seria lineal en todos los cristales (Katzir, 2003).

En el año del descubrimiento los hermanos Curie llevaron a cabo un nuevo experimento para

medir los coeficientes de la turmalina y el cuarzo, buscando las relaciones entre la presión y

la carga eléctrica, considerando que la tensión es proporcional a la carga. Sin embargo, para

determinar los valores de los coeficientes, los hermanos tenían que hallar la cantidad de

carga, que es igual a la multiplicación de la tensión por la capacidad (Katzir, 2003). Con una

serie de experimentos, en donde el análisis de datos no requería de cálculos complejos, ellos

19

encontraron que una presión de 1 kg genera una carga de 0.062 unidades electrostáticas

(statcoulomb) en cuarzo y de 0,0531 en turmalina (Katzir, 2003, 2010; KATZIR, 2003).

En 1881 Gabriel Lippmann descubrió que un material piezoeléctrico sometido a una carga

eléctrica genera deformaciones mecánicas en el material, él afirma “la deformación

geométrica del material piezoeléctrico es proporcional a un campo eléctrico aplicado” a

este fenómeno piezoeléctrico se le llamó efecto piezo inverso. (Anton & Sodano, 2007;

Beeby et al., 2006; Sepúlveda, 2014; Uchino, 2010).

El 10 de abril de 1912 ocurrió la tragedia del hundimiento del Titánic, el cual fue ocasionado

por un iceberg escondido en el mar, si se hubiera desarrollado el sistema de sonar ultrasónico,

no habría sucedido tal accidente. Debido a este trágico incidente, se motivó el desarrollo de

la tecnología ultrasónica utilizando la piezoelectricidad la cual era oscura incluso entre los

cristalógrafos, ya que las matemáticas necesarias para comprenderla eran complicadas

(Uchino, 2010).

En 1917, el francés Paul Langevin perfecciono un detector submarino ultrasónico, el cual

usaba un eco ultrasónico para la detección de objetos subacuáticos. Este transductor contaba

con cristales de cuarzo pegados entre dos placas de acero, con una frecuencia de resonancia

de aproximadamente 50 KHz, montadas en una caja para la inmersión. Sobre finales de la

primera Guerra Mundial, lograron emitir una señal de alta frecuencia bajo el agua y la

medición de la profundidad de tiempo del eco de retorno. Sin embargo, la importancia

estratégica de su logro no fue pasada por alto por ninguna nación industrial, y desde entonces

el dispositivo conformado por materiales piezoeléctricos, fue usado para la detección de

submarinos enemigos al concluir la primera Guerra Mundial (Katzir, 2010; Ordóñez, 2011;

Sharapov, 2011); es así que fue inminente la invención de nuevos sistemas que aprovechaban

el efecto piezoeléctrico para su funcionamiento, ejemplo de esto son los micrófonos, los

audífonos, los dispositivos para la grabación de sonido y para la medida de vibraciones,

fuerzas y aceleraciones (Gallego-Juarez, 1989; Haertling, 1999).

En 1944 los investigadores M. Wool y P. Goldman del Lebedev Physical Institute de la

antigua Unión Soviética, avanzaron en la invención y desarrollo de piezoeléctricos sintéticos,

como la cerámica piezoeléctrica de titanato de bario (BaTiO3). Posteriormente se continúan

las investigaciones, dando como resultado la creación de titanato zirconato de plomo (PZT)

en EUA (Sepúlveda, 2014; Sharapov, 2011; Suslick, 1989). En la actualidad las cerámicas

piezoeléctricas tipo PZT predominan en el mercado por su alta eficiencia, es

aproximadamente cien veces más eficiente que el cuarzo, y puede convertir hasta el 80% de

la energía mecánica en eléctrica y es capaz de operar a temperaturas inferiores a 0 °C y bajo

el agua, además ser altamente resistente a la corrosión y tener alta resistividad eléctrica. Las

aplicaciones más comunes de estas se encuentran en equipos médicos para ecografías,

micrófonos, encendedores, válvulas electromecánicas y sensores(Fernández, Durán, &

Moure, 1993; Ulhoa et al., 2017).

20

En 1969 se descubre el efecto piezoeléctrico en el polifluoruro de vinilideno (PVDF), este es

un piezoeléctrico polimérico y es el más común en la actualidad, este tipo de material es un

termoplástico semicristalino, el cual se desarrolló en el estado de Hawái, gracias a este

descubrimiento, el PVDF ha tomado gran impulso en aplicaciones aeronáuticas y

aeroespaciales, como también para fabricar múltiples productos que incluyen sensores de

presión, actuadores mecánicos, recolectores de energía, para el uso en los sectores químico,

nuclear, farmacéutico, biomédico y eléctrico (Roshani, Dessouky, Montoya, &

Papagiannakis, 2016; Sepúlveda, 2014).

La evolución que han tenido las investigaciones relacionadas con materiales piezoeléctricos

hasta ahora, ha llevado a grandes avances significativos, descubriendo nuevos materiales y

usando compuestos alternativos que presentan propiedades similares, con el objetivo de dar

soluciones óptimas y eficientes a sistemas sostenibles que sean amables con el medio

ambiente. Es así que entre los materiales piezoeléctricos más comunes en la actualidad se

encuentran los cerámicos, los poliméricos y los piezo compuestos (Jiménez, 1995), donde

los materiales piezo compuestos son materiales que aprovechan las propiedades de dos o más

materiales (vidrios, cerámicos y plásticos), que al ser combinados (insolublemente) y unidos

de ciertas maneras y en proporciones adecuadas, forman un nuevo material con propiedades

diferentes a las originales. En consecuencia, pueden lograrse combinaciones de propiedades

que son difíciles de obtener en materiales convencionales, tal como alta resistencia y

tenacidad (Maya & Useche, 2004). Es así que los piezo compuestos están formados por dos

fases, una activa que está conformada por una cerámica piezoeléctrica, y una pasiva

conformada por un polímero o un vidrio, permitiendo sustituir ventajosamente a las

cerámicas piezoeléctricas en algunas aplicaciones tecnológicas, principalmente en sistemas

con sensores de presión hidrostática y ecografía, de igual forma presentan mejoras con

respecto a los poliméricos en algunos de los parámetros piezoeléctricos, siendo mejores

receptores en altas frecuencias (Jiménez, 1995; Jiménez, Pardo, & Carmona, 1991).

21

c

Figura 4. Desarrollo cronológico de los sistemas piezoeléctricos. Fuente: elaboración propia.

1826

1831

1839

1880

1881

1894

1912

1917

1944

1969

Primera observación de los Enegy Harvesting

en la historia.

Joseph Henry y Michael Faraday descubrieron la

inducción electromagnética.

Edmund Bacquerel descubrió el efecto

fotovoltaico.

Charles Fritts construyo la

primera celda solar.

Pierre y Jacques Curie descubrieron

el efecto piezoeléctrico.

Gabriel Lippmann descubrió el efecto

piezo inverso.

Hundimiento del Titanic

Paul Langevin perfecciono un

detector submarino ultrasónico utilizando la piezoelectricidad.

Wool y Goldman desarrollaron

piezoeléctricos sintéticos como

(BaTiO3)

En EUA se desarrolló el PZT

Se descubre el efecto

piezoeléctrico en (PVDF).

22

4. RECOLECTORES DE ENERGÍA BASADOS EN ESFUERZOS

MECÁNICOS.

Muchos entornos están sometidos a constantes esfuerzos mecánicos, donde la presión y la

vibración son el origen de la energía, que en la mayoría de los casos no se aprovechan, como

por ejemplo los puentes, edificios, vehículos, equipos industriales, electrodomésticos, copas

de árboles, autopistas, entre otros. (Wei & Jing, 2017) La energía producida por los esfuerzos

mecánicos puede ser convertida en energía eléctrica usando tres tipos de métodos diferentes

que son los más populares y ampliamente estudiados, estos son los transductores

piezoeléctricos, electromagnéticos y electrostáticos (Erturk, 2009; Wei & Jing, 2017). En el

presente capítulo se abordarán los tres tipos de métodos de recolección de energía, y sus

mecanismos de conversión.

1.1. Recolector de energía electrostática.

El principio básico de operación de los recolectores electroestáticos es la capacitancia, ya

que ella se cambia a través de vibraciones inducidas físicamente a través de un medio

adecuado, como se muestra en la Figura 5 la configuración típica de un recolector

electroestático, en donde el conjunto de electrodos (fijos y móviles) se emplean en el

dispositivo, y las vibraciones inducidas en el recolector hacen que se separen los electrodos

moviendo uno de ellos, es así que se presenta un cambio en la capacitancia, la cual es

proporcional a la energía mecánica (vibraciones) impuesta en el dispositivo (Beeby et al.,

2006; Jamadar et al., 2017).

Figura 5. Recolector de energía electrostático. Adaptado de (Jamadar et al., 2017)

1.2. Recolector de energía electromagnética.

La mayoría de los motores eléctricos, transformadores, inductores y los generadores se basan

en la ley de inducción de Faraday, que demuestra que el voltaje inducido es directamente

proporcional a la velocidad con la que cambia el flujo magnético en una superficie, de igual

forma Faraday también llego a la conclusión de que cuando aplicaba una corriente a una de

las bobinas, la otra bobina que no había recibido corriente, también se cargaba

eléctricamente, es así que se podía generar un campo eléctrico, a partir de un campo

23

magnético variable (Dhakar, 2017; Spiess, Joens, Dragnea, & Spencer, 2014). La Figura 6 se

muestra el diagrama esquemático del modelo de un recolector de energía por vibración

electromagnética, en la que el sistema eléctrico se describe mediante un circuito LR de primer

orden con la impedancia de la bobina en serie con la resistencia de carga (Baker, 2005;

Poulin, Sarraute, & Costa, 2004; Wei & Jing, 2017). La vibración transmitida en la base se

debe al entorno ambiental que produce un movimiento de traslación del imán en relación con

la bobina. Este movimiento oscilante causa una variación de flujo magnético dentro de la

bobina, y la tensión inducida en la bobina se determina por la ley de Faraday (Gherca &

Olaru, 2011)

Figura 6. El modelo de un colector de energía de vibración electromagnética con un solo grado de libertad.

Adaptado de (Wei & Jing, 2017)

1.3. Recolector de energía piezoeléctrica.

La transducción piezoeléctrica ha recibido gran atención debido a la facilidad de realizar

aplicaciones con materiales piezoeléctricos, gracias a ello es uno de los métodos más

importantes de recolectar energía basada en la vibración y la presión (Wei & Jing, 2017; Xu,

Cao, Yang, & He, 2017).

La piezoelectricidad se define como la propiedad que presentan algunos cristales, para hacer

que sus dipolos se polaricen eléctricamente (Figura 7) cuando se les aplica una tensión

mecánica o eléctrica, de esta forma se produce energía eléctrica a partir de la deformación o

compresión del material (A. Patil, M. Jadhav, S. Joshi, 2015). Es así que el grado de

polarización está directamente relacionado con la tensión aplicada. De forma directa

(esfuerzo mecánico en carga eléctrica) (Figura 8.a) e inversa (energía eléctrica en energía de

deformación mecánica) (Figura 8.b) (Allamraju K.Srikanth, 2017; Beeby et al., 2006; M.

Kim et al., 2015), donde la Figura 7 muestra la representación de ambos efectos.

24

Figura 7. Proceso de polarización: (a) Dominios polares orientados aleatoriamente. (b) Se polariza debido a

una fuerza externa aplicada. (c) Polarización remanente al retirar la fuerza externa aplicada. Fuente: (Hehn

& Manoli, 2015)

Figura 8. (a) Efecto piezoeléctrico directo. (b) Efecto piezoeléctrico inverso. Adaptado de (Kokkinopoulos,

Vokas, & Papageorgas, 2014)

Un campo eléctrico causa que los dipolos (dominios Weiss) presentes en el cristal se

polaricen (Figura 7.b), lo cual se conoce como proceso de polarización, donde el material

exhibe sus propiedades piezoeléctricas causando una deformación en él. Cuando dicho

campo eléctrico es retirado, la mayor parte de los dipolos permanecen en una configuración

de alineamiento tal como se observa en la Figura 7.c. De esta manera, los dominio Weiss

quedan ligeramente desalineados en comparación con el caso que se muestra en la Figura 7b,

esto resulta en una reducción del efecto piezoeléctrico (Dhakar, 2017; Hehn & Manoli, 2015;

Sepúlveda, 2014). Este fenómeno físico se puede encontrar en materiales cristalinos (Quartz),

cerámicos (PZT) y polímeros (PVDF) entre otros (Dhakar, 2017). Se genera carga eléctrica

si el material piezoeléctrico está sujeto a esfuerzo mecánico periódico o sinusoidal debido a

una vibración externa, luego en este material puede ser midió un voltaje (Figura 9). Si se une

una carga resistiva al generador piezoeléctrico, la tensión generada se descargará en la carga

y la potencia promedio se define por la ecuación 1 (Gherca & Olaru, 2011). Sin embargo, la

mayoría de los dispositivos piezoeléctricos producen baja potencia en el orden de mW, lo

que hace que su uso se limite a aplicaciones de sistemas pequeños (Jamadar et al., 2017).

𝑃 = 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

2

2 𝑅𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ( 1)

25

Figura 9. (a) Configuración Viga voladiza o Cantilevered beam. Adaptado de (Harne & Wang, 2017). (b)

Esquema de un transductor piezoeléctrico. Adaptado de (Wei & Jing, 2017)

El material piezoeléctrico puede operar en diferentes modos, que están relacionados con: la

dirección en la cual el material esta polarizado y la dirección en la cual se aplica la

deformación mecánica. Por ejemplo, la Figura 10 ilustra los dos modos 33(Figura 10.a) y

31(Figura 10.b) que generalmente se usan en los materiales piezoeléctricos. El primer

número (3) indica que se genera voltaje a lo largo del eje z en ambos modos, es decir, los

electrodos están unidos a las superficies perpendiculares al eje z. El segundo número indica

la dirección de la aplicación de la deformación mecánica. En el modo 33, el estrés actúa en

la misma dirección en la que aparece voltaje. Cuando el material piezoeléctrico opera en

modo 31, la deformación mecánica se aplica a lo largo del eje x, mientras que la tensión

aparece en el eje z (Hehn & Manoli, 2015; Hudak & Amatucci, 2008; Wei & Jing, 2017).

Normalmente, el factor de acoplamiento mecánico / eléctrico para el modo 33 es más alto

que el del modo 31, aunque en la mayoría de los casos, los generadores piezoeléctricos operan

en el modo 31, en una configuración conocida como Cantilevered-beam o viga voladiza

(Figura 9.a), en la cual el transductor piezoeléctrico esta por un extremo fijado a una

superficie, la cual vibra, y su otro extremos se mueve libremente (F. Lu, Lee, & Lim, 2004;

Xu et al., 2017). Es así que basado en la comparación y análisis entre los dos modos, Ramsay

y Clark encontraron que la conversión de modo 31 puede tener una mayor ventaja en la

conversión de energía para fuentes de presión muy baja, y el modo 33 puede ser factible para

un mayor volumen de materiales piezoeléctricos (F. Lu et al., 2004; Wei & Jing, 2017).

Figura 10. Material piezoeléctrico operando en: (a) Modo 33 y (b) Modo 31. Adaptado de (Wei & Jing,

2017)

26

5. APLICACIONES DE LOS RECOLECTORES DE ENERGÍA EN

ESFUERZOS MECÁNICOS.

Algunas de las investigaciones que se han realizado en la última década han explorado y

desarrollando prototipos basados en la generación de energía a partir de los esfuerzos

mecánicos, ejemplo de esto es:

• En Grecia se desarrolló un sistemas de recolección de energía con materiales

piezoeléctricos, teniendo como fuente de generación el cuerpo; El trabajo presenta la

construcción de un guante piezoeléctrico con material PVDF, que produce energía a

partir de la fuerza ejercida por los dedos sobre una superficie plana (Figura 11),

demostrando que se puede producir 0,3236 W (Psoma, Tzanetis, & Tourlidakis, 2017)

Figura 11. Transductor piezoeléctrico en guante. Adaptado de (Psoma et al., 2017)

• En Estados Unidos tienen una propuesta experimental que aprovecha las oscilaciones

(aleteo) de una bandera con material piezoeléctrico (PVDF) para recolectar la energía

eólica (Figura 12), en el experimento se trabajó con vientos controlados de 5 a 9m/s y

2.5 a 4.5m/s con una generación de potencia de 1-5mW y 0.1-0.4mW respectivamente.

La longitud de la bandera para la velocidad 5 a 9m/s es 60mm y para 2.5 a 4.5m/s es

100mm. Este experimento abre nuevas oportunidades para utilizar la energía eólica para

alimentar pequeños dispositivos electrónicos, de esta forma la gama de posibles

aplicaciones en los que los Energy Harvesting pueden ser utilizados aumenta (Orrego et

al., 2017).

Figura 12. Bandera piezoeléctrica. Adaptado de (Orrego et al., 2017)

27

• En Brasil se estudio la aplicación de material piezoeléctrico en buques de carga con el

fin de verificar la cantidad de energía que puede ser generada, para satisfacer las

necesidades energéticas en oficinas, cocinas y sistemas de navegación, y de esta forma

maximizar la eficiencia del barco y minimizar la contaminación generada. La

electricidad recolectada proviene de la deformación del material PZT causado por las

frecuencias de vibración de la sala de máquinas del barco y por las frecuencias

vibratorias generadas por las olas del mar en contacto con la superficie del casco del

barco. De esta forma se desarrolló un prototipo que genera energía a través de la

vibración de un motor eléctrico de 12 V, en el que se obtuvo una tensión máxima de

45.36 V, con una corriente de 5.04 mA, que corresponden a una potencia eléctrica de

0.22861 W. el autor concluye diciendo que para cumplir con la demanda de energía en

las áreas propuestas se necesitan grandes cantidades de material piezoeléctrico, que se

deben instalar en áreas del buque con mayor frecuencia de vibración, de igual forma

afirma que se están llevando a cabo líneas de investigación en el campo de la generación

de energía sostenible para barcos cargueros (Ulhoa et al., 2017)

• En China se hizo un sistema para recolectar energía basada en la vibración e impacto del

flujo del aire, donde el impacto está compuesto por una lámina piezoeléctrica que

disminuye la velocidad del viento, cuando la velocidad del viento aumenta la viga de

voladizo golpea un tope rígido repetidamente, los impulsos del impacto causan que la

lámina piezoeléctrica del elemento convierta la vibración en energía eléctrica. En la

Figura (13.a) se observa el esquema del sistema y en la Figura (13.b) se observa el

prototipo del sistema, donde los resultados experimentales muestran que cada impacto

entre la viga de voladizo y el tope rígido produce una tensión 406 mV RMS y una

potencia de salida de 1.6 µW a una velocidad del viento de 15 m/s (He & Gao, 2013)

Figura 13. (a) Esquema y (b) prototipo del sistema colector de energía eólica basado en el impacto.

Adaptado de (He & Gao, 2013)

• En Dubái se desarrolló un transductor de energía flotante que utiliza el efecto

piezoeléctrico para recolectar la energía de las olas. El recolector está hecho de un

sistema de resorte y masa utilizado para transferir movimientos de onda a vibraciones

mecánicas y dos dispositivos piezoeléctricos utilizados para amplificar y transferir la

vibración mecánica acumulada a energía eléctrica. En la Figura 14 se observa el esquema

del transductor de energía flotante sobre la ola oceánica. En el transductor se comprobó

que la potencia recolectada incrementa con un aumento en la amplitud de la ola oceánica.

28

Los resultados muestran que se puede recolectar una potencia de hasta 103W con una

amplitud y período de una ola de mar de 2 m y 6 s, para un transductor de energía flotante

de 100 kg con un 1m de ancho, 0.5m de alto, 1m de largo(Viet, Xie, Liew, Banthia, &

Wang, 2016).

Figura 14. Esquema del transductor de energía flotante sobre la ola oceánica. Adaptado de (Viet et al.,

2016)

En la última década han explorado losas piezoeléctricas, que es un sistema sostenible que

puede recolectar una cantidad razonable de energía para alimentar dispositivos eléctricos

como sistemas de iluminación, con el aprovechamiento de energía cinética, que generan las

personas al caminar o los automóviles y bicicletas al moverse. En la Tabla 2 se observan las

características y especificaciones técnicas de las losas piezoeléctricas más comunes en el

mercado mundial; otros prototipos relacionadas con el tema se muestran a continuación:

• En Beijin China se implementaron transductores piezoeléctricos para la recolección de

energía en el pavimento, el proyecto propone la construcción de una caja piezoeléctrica

300mm de largo por 300mm de ancho y 100mm de altura, la cual está dividida en dos

secciones de material piezoeléctrico apiladas (Stack) y en configuración de viga de

voladizo (Figura 15), esto con el fin de aprovechar al máximo la presión y las vibraciones

que ejercen los vehículos al transitar. Como resultado de aplicar pruebas de resistencia

a materiales piezoeléctricos como PZT-5H, PZT-4 y PZT-8, el material que se escogió

para este fin fue PZT-5H, ya que al someter el material a una presión de 1000N genera

una tensión pico de 70 V, el cual lo hace un material ideal para aplicaciones en pavimento

(Xu et al., 2017).

• En el año 2009 en Israel se construyó un proyecto piloto que muestra la posibilidad de

almacenar la energía del asfalto, donde la compañía INNOWATTECH desarrollo un

sistema de recolección de energía en el pavimento con transductores piezoeléctricos. La

configuración consistió en una franja de asfalto de diez metros, con generadores debajo

y baterías en la proximidad de la carretera y cuando el tráfico de vehículos es más de

500 puede generar 250 kW de energía eléctrica (Xu et al., 2017; H. Yang, Wang, Zhou,

Wei, & Zhao, 2018).

29

Figura 15. Caja piezoeléctrica para pavimento con dos diferentes estructuras de transductores

(viga de voladizo y apilado). Fuente (Xu et al., 2017)

Nombre Características

Dimensiones Generación

Waynergy Floor

Losas para tránsito vehicular:

0,25 x 3 (m); 240 W

Losas para tránsito peatonal:

25 x 25 cm; 10 W por paso

Sustainable

Energy Floor

(SEF)

75 x 75 cm Hasta 30 W de salida continua. La salida de

potencia típica para pasos continuos por una

persona se encuentra entre 1 y 10W. 50 x 50 cm

Pavegen V3 50 cm cada borde. 5 W de salida continua por cada paso.

(EAPs)

Electro-Active

Polymers

Lamina 1 W

Sound Power 50 x 50 cm 0.1 W por 2 pasos

POWER leap

PZT Losa de 24” x 24” 0.5 mW por paso.

Tabla 2. Principales características técnicas de losas piezoeléctricas en el mercado mundial.

Adaptado de (Elhalwagy et al., 2017)

Otra aplicación se da en el campo de la medicina, donde algunos investigadores se han

ocupado de proveer de energía eléctrica a ciertos implantes que la necesitan para su

funcionamiento, como los marcapasos; muchos de éstos por su tamaño, han podido ser

introducidos en el cuerpo humano, pero se hace indispensable el uso de baterías, cuya vida

útil es limitada y donde su cambio o su recarga requiere de un gran costo para los pacientes,

sin dejar atrás el riesgo asociado a la cirugía (Sepúlveda, 2014).

• En Estados Unidos se propuso un prototipo recolector de energía capaz de transformar

y almacenar energía eléctrica que podría ser utilizada para el funcionamiento de un

marcapasos. En la Figura 16 se observa el dispositivo que tiene un tamaño de 0.30 cm2,

conformado por dos capas de material piezoeléctrico PVDF, embebidas en una silicona

bio-compatible, que recubre una arteria y que convierte la presión sanguínea en potencia

eléctrica a través de las pulsaciones, de acuerdo a las fases del ciclo cardiaco (sístole y

diástole), con el que se logran picos de potencia de 60nW(Fadhil & Saber, 2013)

30

Figura 16. Prototipo recolector de energía piezoeléctrico en una arteria. Adaptado de (Fadhil & Saber,

2013)

• Recolectores de energía para bicicletas, es una alternativa inteligente para recargar o

remplazar las baterías de los dispositivos electrónicos hechos para las bicicletas, como

pantallas digitales, sensores o bombillos led. En Francia se desarrolló un estudio que

aprovecha las vibraciones de la bicicleta donde se utilizaron materiales piezoeléctricos

(PZT) en una viga voladiza (Figura 17.a) instaladas en el manillar de la bicicleta (Figura

17.b). Los resultados muestran que la potencia de carga eléctrica es de 3.4 mW para una

velocidad de la bicicleta de 21 km/h en una pista pavimentada. Sin embargo, la potencia

recolectada es baja para otras velocidades de la bicicleta. En este caso, se recomienda

utilizar una poderosa recolectora de vibración con más voladizos o con una técnica no

lineal (Vasic, Chen, & Costa, 2014).

Figura 17.(a) Viga voladiza con material PZT. (b) Generador piezoeléctrico instalado en el manillar de la

bicicleta. Fuente (Vasic et al., 2014)

• Por otro parte en los Emiratos Arabes Undos, se desarrolló un sistema de suspensión con

base en un transductor piezoeléctrico para la recolección de la energía vibratoria que se

da gracias a las imperfecciones en la superficie de las carreteras. Es así que se estableció

un modelo matemático para calcular la carga de salida, donde los resultados muestran

que el dispositivo puede generar una potencia de hasta 738 W con materiales

piezoeléctricos (Xie & Wang, 2015).

La recolección de energía es un área en auge debido a las nuevas posibilidades que ofrece en

la creación e innovación de dispositivos autónomos, como en el área de las redes de sensores

inalámbricos o Wirless Sensor Networks (WSNs) en inglés. Esta tecnología se basa en

dispositivos de bajo coste y consumo (nodos) que son capaces de obtener información de su

31

entorno y procesarla localmente, y comunicarla a través de enlaces inalámbricos hasta un

nodo central de coordinación para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre

ellas la temperatura, el sonido, la vibración, la presión, el movimiento y los contaminantes,

siendo versátil en distintos sectores como seguridad, medio ambiente, industrial, agricultura

etc (Basagni, Naderi, Petrioli, & Spenza, 2013; Prasad et al., 2014; Shaikh & Zeadally, 2016).

Es así que se han realizado múltiples estudios e investigaciones en el desarrollo de esta área

como:

• Utilizar un transductor piezoeléctrico como una fuente de energía potencial para

alimentar los microsistemas en las redes inalámbricas de sensores (WSN). Se probó un

piezoeléctrico bimorfo para determinar la potencia de salida bajo diversas frecuencias

de resonancia en el rango de 42 a 103 Hz. Los resultados mostraron que el piezoeléctrico

bimorfo generaba una mayor potencia de salida a frecuencias más bajas y aceleraciones

más altas, logrando una salida de 3.072 mW desde una fuente vibratoria de 53 Hz (Yoon,

Park, Li, Ng, & Song, 2013).

• Sistemas de sensores inalámbricos para neumáticos inteligentes, el propósito del estudio

es implementar un transductor de energía dentro del neumático, donde se verifico el

comportamiento del neumático con el transductor piezoeléctrico el cual genero 380.2 µJ

por revolución bajo 500 kg de carga a 60 km/h. Se fabrica un sistema de sensor

inalámbrico autoalimentado para su aplicación y prueba durante la conducción del

vehículo. El resultado de este estudio presenta 1.37 µW/mm3 de generación de energía

a partir del rendimiento del recolector de energía(Lee & Choi, 2014).

Los WSNs además de ser amigables con el medio ambiente, tienen la capacidad de

aprovechar la energía que facilita la implementación de sistemas de comunicación ubicuos

y móviles(Basagni et al., 2013; Ku et al., 2016). Como la Internet de las cosas (IoT) donde

las aplicación incluyen salud, para monitorear pacientes y conectarse a médicos y

profesionales de la salud; sectores como la energía y el transporte, para conectar proveedores

y clientes; comercio, telecomunicaciones y servicios de información; servicios financieros;

o fabricación inteligente (S. Kim et al., 2014; Prasad et al., 2014; Shaikh & Zeadally, 2016).

Los nodos de una WSNs generalmente funcionan con baterías. Una vez que su energía se

agota, el nodo está "muerto". Solo en aplicaciones particulares las baterías pueden ser

reemplazadas o recargadas. Sin embargo, incluso cuando esto es posible, la operación de

reemplazo y recarga es lenta y costosa, lo que causa que disminuya el rendimiento de la red

(Basagni et al., 2013). Por lo tanto, diferentes técnicas han sido propuestas para frenar el

agotamiento de la energía de la batería, como:

• El dispositivo de almacenamiento de energía de vibración piezoeléctrica para WSNs,

Donde la potencia de salida del transductor alcanza un valor máximo de 115.2 mW

cuando la resistencia de carga es de 200 kΩ. Con el circuito de almacenamiento de

energía, la energía eléctrica de salida del dispositivo puede actuar efectivamente como

una fuente de energía para cualquier dispositivo de microelectrónica de potencia, como

nodos de red de sensores inalámbricos (G. Chen, Meng, Fu, & Bao, 2013).

32

6. PANORAMA FUTURO.

Con el agotamiento de las fuentes fósiles de energía y el continuo deterioro del medio

ambiente, los países se ven en la necesidad de invertir en nuevas tecnologías capaces de

generar electricidad de forma sostenible.(Sodano, Inman, & Park, 2005; VALAGAN, 2015)

reconocen que la recolección de energía reduce o elimina la dependencia en el uso de baterías,

lo que conlleva a minimizar costos tanto de fabricación y de mantenimiento, es así que

mientras la energía presente en el ambiente esté disponible proporcionará una solución a

largo plazo, donde los analistas como (Li, Wu, Da, & Xiang, 2016), predicen que en los

próximos años el mercado de los sistemas de recolección de energía aumente.

Independientemente de la clasificación a la cual pertenezcan los Energy Harvesting, la gama

de aplicaciones que éstos pueden llegar a tener abarca incontables posibilidades, donde se

aprovechan nuevas fuentes de energía, como la energía presente en el cuerpo humano que

también es un buen recurso para generar electricidad, Jagendra Singh observa las propiedades

piezoeléctricas de los huesos cuando el cuerpo humano está en movimiento (Singh et al.,

2014). Igualmente, las redes inalámbricas de sensores (WSNs) son una de las opciones más

prometedoras, donde el trabajo futuro podría comenzar con una mayor conectividad e

interacción de los nodos de comunicación basados en la recolección de energía, impulsando

la Internet de las cosas (IoT), proporcionando nodos autoalimentados sin necesidad de

baterías. También se tienen los sistemas piezoeléctricos para transformar la vibración y la

presión mecánica en ambientes de tráfico peatonal y vehicular donde se usan losas

piezoeléctricas, algunos investigadores como (Elhalwagy et al., 2017; X. Jiang, Li, Li, Wang,

& Yao, 2014) le deparan un gran futuro a esta tecnología pronosticando su posicionamiento

a nivel mundial; Nazar Fadhil y Dleer Saber firman que gracias a los desarrollos tecnológicos

y científicos el futuro de la recolección de energía humana será una fuente de energía

alternativa competente y confiable (Fadhil & Saber, 2013).

Los recolectores de energía están siendo considerados como una opción viable para

remplazar las fuentes de alimentación actuales, ya que, en los últimos años, ha habido un

aumento en la demanda de fuentes de energía portátiles y de baja potencia debido al

desarrollo y consumo masivo de dispositivos electrónicos. Las principales compañías que

dominan el mercado por sus productos y servicios son: Aveni (Francia), Microchip

Technology (USA), EnoCean GmbH (Alemania), ABB (Suiza), Cymbet Corporation (USA),

Greenpeak Technologies (Holanda), Honeywell International (USA), Texas Instruments

(USA), Ezentis (España), Fujitsu (Japón).

La clave del siglo XXI es mostrar los esfuerzos por resolver los problemas del medio

ambiente con una visión hacia el futuro que siga dando más iniciativas de combinar la

naturaleza y la tecnología. Shaikh y Zeadally identifican algunos desafíos que aún deben

abordarse para desarrollar sistemas de recolección de energía rentables, eficientes y

confiables (Shaikh & Zeadally, 2016), como:

• Los entornos de simulación pueden abarcar todos los aspectos de la obtención de

energía, estos son casi inexistentes. El entorno de simulación será una herramienta

33

valiosa para evaluar el impacto de los sistemas propuestos de aprovechamiento de

energía a gran escala.

• Las aplicaciones a gran escala y de larga duración deben de tener en cuenta los

parámetros de la batería, como autodescarga, ciclos de carga y condiciones

ambientales. Por lo tanto, los futuros investigadores deberían dedicar un esfuerzo

adicional para investigar más a fondo y evaluar el rendimiento y la fiabilidad de las

tecnologías de baterías convencionales y recargables. Los investigadores también

deberían explorar las ventajas y desventajas del uso de baterías condensadores como

dispositivos de almacenamiento.

7. CONCLUSIONES.

En el desarrollo del proyecto se evidencio una importante cantidad de documentos

relacionados con el tema de investigación, donde el 30% de los documentos provienen de

Estados Unidos, el 57% de autores orientales (China, Korea, Japón, India), es así que se

demuestra la importancia de esta tecnología y el interés por desarrollar sistemas autónomos

que permitan captar y almacenar la energía presente en el medio ambiente.

En un panorama global el deseo de usar dispositivos autoalimentados conduce a lograr un

crecimiento enorme en el campo de los recolectores de energía, donde las investigaciones se

enfocan en nuevos métodos que ayuden a aumentar la baja cantidad de energía generada, de

la misma manera las empresas que desarrollan dispositivos electrónicos se ocupan en lograr

que los sistemas prácticos lleguen a funcionar con un bajo consumo de corriente y potencia.

El proceso que han tenido los Energy Harvesting en el territorio colombiano se ha visto

rezagadas debido al desarrollo de otras tecnologías que han perdurado por años, esto puede

que cambie rápidamente si se implementan políticas para la innovación de la tecnología

energética.

Los proyectos de energía basados en el cuidado del medio ambiente como lo es recolección

piezoeléctrica, se están desarrollando de manera consistente, basados en el hecho de que no

generan desechos tóxicos. Aunque parezca extraño, la recolección de energía es algo que

podemos encontrar fácilmente en nuestro entorno, es importante recordar que esta tecnología

no es solo un resultado inevitable del avance, sino la prueba de los esfuerzos por encontrar

una forma de convivir con la naturaleza.

34

8. BIBLIOGRAFÍA.

A. Patil, M. Jadhav, S. Joshi, E. B. (2015). Energy Harvesting Using Piezoelectricity:

Renewable and sustainable energy conversion using Piezoelectric transducers.

Akshay. IEEE, (Icesa), 517–521.

Acero, M. C., & Esteve, J. (2012). Energía ambiental ( energy harvesting ). Gobierno de

España, 1–2.

Agarwal, S., & Sharma, A. (2014). “PiezoPort” energy harvesting on airport runway using

piezoelectric devices. Digest of Technical Papers - InnoTek 2014: 2014 IEEE

Innovations in Technology Conference.

https://doi.org/10.1109/InnoTek.2014.6877365

Ajitsaria, J., Choe, S.-Y., Ozmun, P., Shen, D., & Kim, D.-J. (2009). Modeling and

Analysis of a Bimorph PZT Cantilever Beam Based Micropower Generator. Sensors

and Transducers Journal, 105(6), 81–93.

Allamraju K.Srikanth, K. V. (2017). State of art: Piezoelectric Vibration Energy

Harvesters. Materials Today: Proceedings, 4(2), 1091–1098.

https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.01.124

Anton, S. R., & Sodano, H. A. (2007). A review of power harvesting using piezoelectric

materials (2003–2006). Smart Materials and Structures, 16(3), R1–R21.

https://doi.org/10.1088/0964-1726/16/3/R01

Baker, J. (2005). Alternative Geometries for Increasing Power Density in Vibration Energy

Scavenging. 3rd International Energy Conversion Engineering Conference 15 - 18

August 2005, San Francisco, California, (August), 1–12.

https://doi.org/10.2514/6.2005-5617

Basagni, S., Naderi, M. Y., Petrioli, C., & Spenza, D. (2013). Wireless sensor networks

with energy harvesting. Mobile Ad Hoc Networking: Cutting Edge Directions, Second

Edition., 1–36. https://doi.org/10.1002/9781118511305.ch20

Beeby, S. P., Tudor, M. J., & White, N. M. (2006). Energy harvesting vibration sources for

microsystems applications. Measurement Science and Technology, 17(12), R175–

R195. https://doi.org/10.1088/0957-0233/17/12/R01

Blatt, J. (1976). Thermoelectric Power of Metals. (1969 Valnoci, Ed.). 3Island Press.

https://doi.org/10.1007/978-1-4613-4268-7

Bouchouicha, D., Dupont, F., Latrach, M., & Ventura, L. (2010). Ambient RF Energy

Harvesting Abstract : International Conference on Renewable Energies and Power

Quality, 1(September 2016), 2–6. https://doi.org/10.24084/repqj08.652 1

Chalasani, S., & Conrad, J. M. (2008). A survey of energy harvesting sources for embedded

35

systems. Conference Proceedings - IEEE SOUTHEASTCON, 442–447.

https://doi.org/10.1109/SECON.2008.4494336

Chen, G., Meng, Q., Fu, H., & Bao, J. (2013). Development and experiments of a micro

piezoelectric vibration energy storage device. Mechanical Systems and Signal

Processing, 40(1), 377–384. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2013.02.009

Chen, Z., Law, M. K., Mak, P. I., & Martins, R. P. (2017). A Single-Chip Solar Energy

Harvesting IC Using Integrated Photodiodes for Biomedical Implant Applications.

IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 11(1), 44–53.

https://doi.org/10.1109/TBCAS.2016.2553152

Collado, A., & Georgiadis, A. (2013). Conformal hybrid solar and electromagnetic (EM)

energy harvesting rectenna. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular

Papers, 60(8), 2225–2234. https://doi.org/10.1109/TCSI.2013.2239154

Damaschke, J. M. (1996). Design of a low input voltage converter for thermoelectric

generator. https://doi.org/10.1109/APEC.1996.500539

Dhakar, L. (2017). Triboelectric Devices for Power Generation and Self-Powered Sensing

Applications. https://doi.org/10.1007/978-981-10-3815-0

Di Paolo Emilio, M. (2016). Microelectronic Circuit Design for Energy Harvesting

Systems. Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-319-47587-5

Elhalwagy, A. M., Ghoneem, M. Y. M., & Elhadidi, M. (2017). Feasibility Study for Using

Piezoelectric Energy Harvesting Floor in Buildings’ Interior Spaces. Energy Procedia,

115, 114–126. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.05.012

Elliott, R. S. (1999). Electromagnetics: History, Theory, and Applications. (1999 Wiley,

Ed.) (reimpresa). Wiley.

Erturk, A. (2009). Electromechanical Modeling of Piezoelectric Energy Harvesters. Health

San Francisco, 291. Retrieved from http://hdl.handle.net/10919/29927

Fadhil, N., & Saber, D. (2013). Energy Harvesting Using Nano Scale Dual Layers PVDF

Film for Blood Artery. IEEE, 2–7. https://doi.org/10.1109/LISAT.2013.6578250

Farmer, J. R. (2007). A comparison of power harvesting techniques and related energy

storage issues by A comparison of power harvesting techniques and related energy

storage issues. Mechanical Engineering, 135, 2930–2946.

https://doi.org/10.1016/j.renene.2010.06.014

Fernández, J. F., Durán, P., & Moure, C. (1993). Materiales cerámicos ferroeléctricos y sus

aplicaciones. Boletín de La Sociedad Española de Cerámica Y Vidrio, 32(1), 5–15.

Retrieved from http://boletines.secv.es/upload/199332005.pdf

36

Gallego-Juarez, J. A. (1989). Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers

Piezoelectric ceramics and u It rason ic transducers. J. Phys. E: Sci. Instrum. J. Phys.

E: Sci. Instrum, 22(22), 804–816. https://doi.org/10.1088/0022-3735/22/10/001

Gherca, R., & Olaru, R. (2011). Harvesting Vibration Energy by Electromagnetic

Induction. Annals of the University of Craiova, Electrical Engineering Series, (35), 7–

12.

Haertling, G. H. (1999). Ferroelectric Ceramics: History and Technology. Journal of the

American Ceramic Society, 82(4), 797–818. https://doi.org/10.1111/j.1151-

2916.1999.tb01840.x

Hande, A., Polk, T., Walker, W., & Bhatia, D. (2007). Indoor solar energy harvesting for

sensor network router nodes. Microprocessors and Microsystems, 31(6), 420–432.

https://doi.org/10.1016/j.micpro.2007.02.006

Harne, R. L., & Wang, K. W. (2017). Harnessing Bistable Structural Dynamics: For

Vibration Control, Energy Harvesting and Sensing. In John Wiley (Ed.) (p. 408).

https://doi.org/10.1002/9781119128052.ch4

He, X., & Gao, J. (2013). Microelectronic Engineering Wind energy harvesting based on

flow-induced-vibration and impact. Microelectronic Engineering, 111, 82–86.

https://doi.org/10.1016/j.mee.2013.02.009

Hehn, T., & Manoli, Y. (2015). CMOS Circuits for Piezoelectric Energy Harvesters, 38.

https://doi.org/10.1007/978-94-017-9288-2

Hudak, N. S., & Amatucci, G. G. (2008). Small-scale energy harvesting through

thermoelectric, vibration, and radiofrequency power conversion. Journal of Applied

Physics, 103(10). https://doi.org/10.1063/1.2918987

Inman, D. J. (2011). Piezoelectric Energy (JohnWiley).

Ismail, N., & Ghani, R. A. (2013). Advance Devices Using Piezoelectric Harvesting

Energy, (December), 16–17. https://doi.org/10.1109/SCOReD.2013.7002629

Jain, A., & Bhullar, S. (2012). Emerging Dimensions in the Energy Harvesting. IOSR

Journal of Electrical and Electronics Engineering, 3(1), 70–80.

https://doi.org/10.9790/1676-0317080

Jamadar, V., Pingle, P., & Kanase, S. (2017). Possibility of harvesting Vibration energy

from power producing devices: A review. International Conference on Automatic

Control and Dynamic Optimization Techniques, ICACDOT 2016, 496–503.

https://doi.org/10.1109/ICACDOT.2016.7877635

Jasim, A., Wang, H., Yesner, G., Safari, A., & Maher, A. (2017). Optimized Design of

37

Layered Bridge Transducer for Piezoelectric Energy Harvesting from Roadway.

Energy. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.10.005

Jiang, W., Yuan, D., Xu, S., Hu, H., Xiao, J., Sha, A., & Huang, Y. (2017). Energy

harvesting from asphalt pavement using thermoelectric technology. Applied Energy,

205(February), 941–950. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.08.091

Jiang, X., Li, Y., Li, J., Wang, J., & Yao, J. (2014). Piezoelectric energy harvesting from

traffic-induced pavement vibrations. Journal of Renewable and Sustainable Energy,

6(4), 1–16. https://doi.org/10.1063/1.4891169

Jiménez, B. (1995). Materiales piezoeléctricos : formas de presentación , ventajas y

desventajas en las aplicaciones. Boletín de La Sociedad Española de Cerámica Y

Vidrio, 276(34), 272–276.

Jiménez, B., Pardo, L., & Carmona, F. (1991). Materiales compuestos («composites»)

piezoelectrícos. Bol.Soc.Esp.Ceram.Vidr, 30(5), 8–11.

Junior, O. H. A., Maran, A. L. O., Henao, N. C., Silva, E. A., & Schaeffer, L. (2016). Use

of the Seebeck Effect for Energy Harvesting, 14(9), 4106–4114.

https://doi.org/10.1109/TLA.2016.7785940

Katzir, S. (2003). Measuring constants of nature: Confirmation and determination in

piezoelectricity. Studies in History and Philosophy of Science Part B - Studies in

History and Philosophy of Modern Physics, 34(4), 579–606.

https://doi.org/10.1016/S1355-2198(03)00064-9

Katzir, S. (2010). War and Peacetime Research on the Road to Crystal Frequency Control.

Society for the History of Technology, 51(January), 99–125.

https://doi.org/10.1353/tech.0.0413

KATZIR, S. (2003). The Discovery of the Piezoelectric Effect. Archive for History of Exact

Sciences, 57, 61–91. https://doi.org/10.1007/s00407-002-0059-5

Kawahara, Y., Tsukada, K., & Asami, T. (2009). Feasibility and potential application of

power scavenging from environmental RF signals. IEEE Antennas and Propagation

Society, AP-S International Symposium (Digest), (l), 3–6.

https://doi.org/10.1109/APS.2009.5171785

Kim, M., Dugundji, J., & Wardle, B. L. (2015). Efficiency of piezoelectric mechanical

vibration energy harvesting. Smart Materials and Structures, 24(5), 55006.

https://doi.org/10.1088/0964-1726/24/5/055006

Kim, S., Vyas, R., Bito, J., Niotaki, K., Collado, A., Georgiadis, A., & Tentzeris, M. M.

(2014). Ambient RF energy-harvesting technologies for self-sustainable standalone

wireless sensor platforms. Proceedings of the IEEE, 102(11), 1649–1666.

38

https://doi.org/10.1109/JPROC.2014.2357031

Kokkinopoulos, A., Vokas, G., & Papageorgas, P. (2014). Energy harvesting implementing

embedded piezoelectric generators – The potential for the Attiki Odos traffic grid.

Energy Procedia, 50, 1070–1085. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.06.126

Ku, M., Li, W., Chen, Y., Member, S., & Liu, K. J. R. (2016). Advances in Energy

Harvesting Communications : Past , Present , and Future Challenges. 1384 Ieee

Communications Surveys & Tutorials, 18(2), 1384–1412.

https://doi.org/10.1109/COMST.2015.2497324

Lee, J., & Choi, B. (2014). Development of a piezoelectric energy harvesting system for

implementing wireless sensors on the tires. Energy Conversion and Management, 78,

32–38. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.09.054

Leonov, V., & Fiorini, P. (2007). Thermal matching of a thermoelectric energy scavenger

with the ambience. Proceedings of the 5th European Conference on Thermoelectrics

(ECT 07), (3), 129–133.

Li, D., Wu, Y., Da, A., & Xiang, J. (2016). Progress in Aerospace Sciences Energy

harvesting by means of fl ow-induced vibrations on aerospace vehicles. Progress in

Aerospace Sciences. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2016.08.001

Lu, F., Lee, H. P., & Lim, S. P. (2004). Modeling and analysis of micro piezoelectric power

generators for micro-electromechanical-systems applications. Smart Materials and

Structures, 13(1), 57–63. https://doi.org/10.1088/0964-1726/13/1/007

Lu, X., Wang, P., Niyato, D., Kim, D. I., & Han, Z. (2015). Wireless networks with rf

energy harvesting: A contemporary survey. IEEE Communications Surveys and

Tutorials, 17(2), 757–789. https://doi.org/10.1109/COMST.2014.2368999

Luo, Z., & Wang, Y. (2016). Design and Simulation of Wind Power Generation Device By

Pvdf Piezoelectric Thin Film. https://doi.org/10.1109/SPAWDA.2016.7830039

Mah, O. (1998). Fundamentals of Photovoltaic Materials. National Solar Power Research

institute,Inc, 1–10.

Mateu, L., & Moll, F. (2005). Review of energy harvesting techniques and applications for

microelectronics (Keynote Address). Microtechnologies for the New Millennium 2005,

359–373. https://doi.org/10.1117/12.613046

Maya, L. S., & Useche, L. (2004). Materiales compuestos inteligentes, (25), 143–148.

https://doi.org/10.22517/23447214.7225

Mitcheson, P. D., Green, T. C., & Yeatman, E. M. (2007). Power processing circuits for

electromagnetic, electrostatic and piezoelectric inertial energy scavengers.

39

Microsystem Technologies, 13(11–12), 1629–1635. https://doi.org/10.1007/s00542-

006-0339-0

Nishikawa, R., & Satoh, N. (2016). Frequency characteristics of the piezoelectric device for

the floor-vibration generation. IEEE, 4.

Niyato, D., Hossain, E., Rashid, M., & Bhargava, V. (2007). Wireless sensor networks with

energy harvesting technologies: a game-theoretic approach to optimal energy

management. IEEE Wireless Communications, 14(4), 90–96.

https://doi.org/10.1109/MWC.2007.4300988

Nolas, G. S., Sharp, J., & Goldsmid, J. (2001). Thermoelectrics: Basic Principles and New

Materials Developments. Springer Berlin Heidelberg.

Ordóñez, P. (2011). Estudio del comportamiento de una céramica piezoeléctrica mediante

elementos finitos., 59.

Orrego, S., Shoele, K., Ruas, A., Doran, K., Caggiano, B., Mittal, R., & Hoon, S. (2017).

Harvesting ambient wind energy with an inverted piezoelectric flag. Applied Energy,

194, 212–222. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.03.016

Paing, T., Shin, J., Zane, R., & Popovic, Z. (2008). Resistor emulation approach to low-

power RF energy harvesting. IEEE Transactions on Power Electronics, 23(3), 1494–

1501. https://doi.org/10.1109/TPEL.2008.921167

Pal, H., Ghosh, S., Chatterjee, R., Mahapatra, R., & Chatterjee, S. (2016). Piezoelectric

energy harvesting devices for recharging cell-phone batteries. International

Conference on Microelectronics, Computing and Communication, MicroCom 2016,

3–5. https://doi.org/10.1109/MicroCom.2016.7522540

Park, J., Lee, S., & Kwak, B. M. (2012). Design optimization of piezoelectric energy

harvester subject to tip excitation. Journal of Mechanical Science and Technology,

26(1), 137–143. https://doi.org/10.1007/s12206-011-0910-1

Piñuela, M., Mitcheson, P. D., & Lucyszyn, S. (2013). Ambient RF energy harvesting in

urban and semi-urban environments. IEEE Transactions on Microwave Theory and

Techniques, 61(7), 2715–2726. https://doi.org/10.1109/TMTT.2013.2262687

Poulin, G., Sarraute, E., & Costa, F. (2004). Generation of electrical energy for portable

devices: Comparative study of an electromagnetic and a piezoelectric system. Sensors

and Actuators, A: Physical, 116(3), 461–471.

https://doi.org/10.1016/j.sna.2004.05.013

Prasad, R. V., Devasenapathy, S., Rao, V. S., & Vazifehdan, J. (2014). Reincarnation in the

Ambiance: Devices and networks with energy harvesting. IEEE Communications

Surveys and Tutorials, 16(1), 195–213.

40

https://doi.org/10.1109/SURV.2013.062613.00235

Psoma, S. D., Tzanetis, P., & Tourlidakis, A. (2017). ScienceDirect Symposium on

Flexible Organic Electronics A practical application of energy harvesting based on

piezoelectric technology for charging portable electronic devices. Materials Today:

Proceedings, 4(7), 6771–6785. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.07.004

Rocha, J. G., Goncalves, L. M., Rocha, P. F., Silva, M. P., & Lanceros-Mendez, S. (2010).

Energy harvesting from piezoelectric materials fully integrated in footwear. IEEE

Transactions on Industrial Electronics, 57(3), 813–819.

https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2028360

Roshani, H., Dessouky, S., Montoya, A., & Papagiannakis, A. T. (2016). Energy harvesting

from asphalt pavement roadways vehicle-induced stresses : A feasibility study.

Applied Energy, 182, 210–218. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.08.116

Saha, C. R., O’Donnell, T., Wang, N., & McCloskey, P. (2008). Electromagnetic generator

for harvesting energy from human motion. Sensors and Actuators, A: Physical,

147(1), 248–253. https://doi.org/10.1016/j.sna.2008.03.008

Sepúlveda, E. (2014). Diseño de un Colector de Energía Piezoeléctrico (Energy Harvesting)

Mediante Optimización Topológica que Maximice la Transformación de Energía

Mecánica en Eléctrica Generada por un Ser Humano al Caminar, 210. Retrieved from

http://www.bdigital.unal.edu.co/47308/

Shaikh, F. K., & Zeadally, S. (2016). Energy harvesting in wireless sensor networks: A

comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 55, 1041–1054.

https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.11.010

Sharapov, V. (2011). Piezoceramic Sensors. https://doi.org/10.1007/978-3-642-15311-2

Singh, J., Rani, S., Rohini, & Parida, A. (2014). Generation of piezoelectricity from the

human body. 2014 Annual International Conference on Emerging Research Areas:

Magnetics, Machines and Drives, AICERA/iCMMD 2014 - Proceedings, 1–5.

https://doi.org/10.1109/AICERA.2014.6908277

Smith, J. R. (2013). Wirelessly Powered Sensor Networks and Computational RFID.

Springer New York.

Sodano, H. A., Inman, D. J., & Park, G. (2005). Comparison of Piezoelectric Energy

Harvesting Devices for Recharging Batteries. Journal of Intelligent Material Systems

and Structures, 16(10), 799–807. https://doi.org/10.1177/1045389X05056681

Song, J., & Tan, Y. K. (2012). Energy consumption analysis of ZigBee-based energy

harvesting wireless sensor networks. 2012 IEEE International Conference on

Communication Systems (ICCS), 468–472.

41

https://doi.org/10.1109/ICCS.2012.6406192

Songsukthawan, P. (2017). Generation and Storage of Electrical Energy from Piezoelectric

Materials. IEEE, 1–4. https://doi.org/10.1109/IFEEC.2017.7992403

Spiess, J., Joens, Y. T., Dragnea, R., & Spencer, P. (2014). Using Big Data to Improve

Customer Experience and Business Performance. Bell Labs Technical Journal, 18(4),

3–17. https://doi.org/10.1002/bltj

Stoopman, M., Member, S., & Keyrouz, S. (2014). Co-Design of a CMOS Recti fi er and

Small Loop Antenna for Highly Sensitive RF Energy Harvesters. Ieee Journal of

Solid-State Circuits, 49(3), 622–634. https://doi.org/10.1109/JSSC.2014.2302793

Sudevalayam, S., & Kulkarni, P. (2011). Energy harvesting sensor nodes: Survey and

implications. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 13(3), 443–461.

https://doi.org/10.1109/SURV.2011.060710.00094

Suslick, K. S. (1989). The Chemical Effects of Ultrasound. Scientific American, 260(2),

80–86. https://doi.org/10.1038/scientificamerican0289-80

Tan, Y. K., & Panda, S. K. (2010). Review of Energy Harvesting Technologies for

Sustainable WSN. Sustainable Wireless Sensor Networks, (February), 15–43.

https://doi.org/10.5772/13062

Torres, E. O., Member, G. S., Rincón-mora, G. A., & Member, S. (2009). Electrostatic

Energy-Harvesting and Battery- Charging CMOS System Prototype, 56(9), 1–10.

https://doi.org/10.1109/TCSI.2008.2011578

Uchino, K. (2010). Advanced Piezoelectric Materials: Science and Technology. Elsevier

Science.

Ulhoa, F. C. P., Magalhaes, P. A. A., De Souza Floriano, R. A., & Coutinho, V. N. (2017).

Electric power generation with piezoelectricity for cargo ships. 2017 12th

International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies, EVER

2017. https://doi.org/10.1109/EVER.2017.7935884

VALAGAN, M. (2015). Piezotransducer Generator Energy Harvesting Bike Vibration,

I(3), 146–149.

Vasic, D., Chen, Y. Y., & Costa, F. (2014). Self-powered piezoelectric energy harvester for

bicycle. Journal of Mechanical Science and Technology, 28(7), 2501–2510.

https://doi.org/10.1007/s12206-014-0407-9

Viet, N. V, Xie, X. D., Liew, K. M., Banthia, N., & Wang, Q. (2016). Energy harvesting

from ocean waves by a fl oating energy harvester. Energy, 112, 1219–1226.

https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.07.019

42

Wei, C., & Jing, X. (2017). A comprehensive review on vibration energy harvesting :

Modelling and realization. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 74(January),

1–18. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.073

Xie, X. D., & Wang, Q. (2015). Energy harvesting from a vehicle suspension system.

Energy, 86, 385–392. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.04.009

Xu, X., Cao, D., Yang, H., & He, M. (2017). Application of piezoelectric transducer in

energy harvesting in pavement. International Journal of Pavement Research and

Technology. https://doi.org/10.1016/j.ijprt.2017.09.011

Yang, H., Wang, L., Zhou, B., Wei, Y., & Zhao, Q. (2018). A preliminary study on the

highway piezoelectric power supply system. International Journal of Pavement

Research and Technology, 11(2), 168–175. https://doi.org/10.1016/j.ijprt.2017.08.006

Yang, S. (2010). Thermal energy harvesting for WSNs. 2010 IEEE International

Conference on Systems, Man and Cybernetics, 3045–3052.

https://doi.org/10.1109/ICSMC.2010.5641673

Yildiz, F. (2007). Potential Ambient Energy-Harvesting Sources and Techniques. The

Journal of Technology Studies, 40–48. https://doi.org/10.21061/jots.v35i1.a.6

Ylli, K., Hoffmann, D., Willmann, A., Becker, P., Folkmer, B., & Manoli, Y. (2015).

Energy harvesting from human motion: exploiting swing and shock excitations. Smart

Materials and Structures, 24(2), 25029. https://doi.org/10.1088/0964-

1726/24/2/025029

Yoon, Y. J., Park, W. T., Li, K. H. H., Ng, Y. Q., & Song, Y. (2013). A study of

piezoelectric harvesters for low-level vibrations in wireless sensor networks.

International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 14(7), 1257–

1262. https://doi.org/10.1007/s12541-013-0171-2

Zhao, D., & Ega, E. (2014). Energy harvesting from self-sustained aeroelastic limit cycle

oscillations of rectangular wings. Applied Physics Letters, 105(10).

https://doi.org/10.1063/1.4895457

Zhao, D., Ji, C., Li, S., & Li, J. (2014). Thermodynamic measurement and analysis of dual-

temperature thermoacoustic oscillations for energy harvesting application. Energy, 65,

517–526. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.10.078

Zhao, D., Ji, C., Teo, C., & Li, S. (2014). Performance of small-scale bladeless

electromagnetic energy harvesters driven by water or air. Energy, 74(C), 99–108.

https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.04.004