análisis del estado actual de la tecnología energy...
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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
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HOJA DE ACEPTACIÓN
_____________________________________
_____________________________________
_____________________________________
_____________________________________
Nota de aceptación
Ing. Luis Antonio Noguera Vega.
Ing. Diego Armando Giral Ramírez.
Bogotá D.C. Junio, 2018
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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.
.
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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).
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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.
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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
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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).
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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).
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• 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
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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.
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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.
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