caracterización de parámetros eléctricos de los...

Caracterización de parámetros eléctricos de los piezoeléctricos

PZT y PVDF utilizados en el mercado colombiano.

Andres Felipe Barrera Cuestas.

Marlon Giovany Mantilla Castañeda

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad Tecnológica - Tecnología en Electricidad

Bogotá D.C., Colombia

2017

Caracterización de parámetros eléctricos de los piezoeléctricos

PZT y PVDF utilizados en el mercado colombiano.


Marlon Giovany Mantilla Castañeda.

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

2017

3

Para Dios, mis padres, y mis amigos, por su

paciencia, su fortaleza y sus palabras de ánimo.


Ante todo quiero darle gracias a mi familia,

quienes me han apoyado durante todo este

recorrido.

A mi mamá, Doris Georgett Castañeda Romero,

quien con su apoyo, esfuerzo y dedicación ha

permitido que culmine satisfactoriamente esta

primera etapa de mi vida.

A mis compañeros en general, los cuales han

sido de gran ayuda en la superación de cada

obstáculo presentado.

Marlon Giovany Mantilla Castañeda.

4

AGRADECIMIENTOS

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

confianza para que fuésemos nosotros quienes desarrolláramos este proyecto, sus consejos,

apoyo y paciencia consiguieron alcanzar esta meta.

Al Ing. Diego Armando Giral Ramírez, al Tlgo. David Alejandro Aguilar Arevalo y al Tlgo.

Michael Jair Velasquez Garzón quienes con su apoyo no solo lograron contribuir en la

finalización del proyecto, sino que además, consiguieron transmitir sus conocimientos aun

sabiendo las limitaciones que teníamos en algunos conceptos.

5

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 9

METODOLOGÍA ............................................................................................................... 10

Etapa 1: Consulta bibliográfica. ........................................................................................ 10

Etapa 2: Selección de la tecnología piezoeléctrica. .......................................................... 10

Etapa 3: Diseño experimental. .......................................................................................... 12

Etapa 4: Ensayos y análisis matemático. .......................................................................... 14

RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................ 16

PVDF. ............................................................................................................................... 16

Barrido de frecuencia .................................................................................................... 16

Curva de carga a distintas temperaturas ........................................................................ 18

Energía almacenada en el condensador......................................................................... 19

PZT. .................................................................................................................................. 20

Barrido de frecuencia .................................................................................................... 20

Curva de carga a distintas temperaturas ........................................................................ 22

Energía almacenada en el condensador......................................................................... 23

Análisis comparativo. ....................................................................................................... 24

CONCLUSIONES ............................................................................................................. 26

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 27

6

LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Tipos de piezoeléctricos encontrados en el mercado colombiano.

.............................................................................................................................................. 11

Tabla 2: Valores de tensión alcanzados a las distintas frecuencias (PVDF).

.............................................................................................................................................. 18

Tabla 3: Valores de tensión alcanzados a las distintas temperaturas (PVDF).

.............................................................................................................................................. 19

Tabla 4: Constantes de la regresión y energía acumulada en el condensador para cada

temperatura (PVDF). ............................................................................................................ 20

Tabla 5: Valores de tensión alcanzados a las distintas frecuencias (PZT).

.............................................................................................................................................. 22

Tabla 6: Valores de tensión alcanzados a las distintas temperaturas (PZT).

.............................................................................................................................................. 23

Tabla 7: Constantes de la regresión y energía acumulada en el condensador para cada

temperatura (PZT). ............................................................................................................... 24

7

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Piezoeléctricos seleccionados, PVDF (Izquierda) y PZT (Derecha).

.............................................................................................................................................. 12

Figura 2: Mecanismo para la realización de la fase experimental de los dispositivos PVDF.

.............................................................................................................................................. 13

Figura 3: Mecanismo para la realización de la fase experimental de los dispositivos PZT.

.............................................................................................................................................. 13

Figura 4: Circuito rectificador de media onda con el sistema de medición.

.............................................................................................................................................. 14

Figura 5: Circuito amplificador y conmutador de señales.

.............................................................................................................................................. 14

Figura 6: Gráfica de Tensión vs Tiempo a distintas frecuencias de oscilación mecánica

(PVDF). ................................................................................................................................ 17

Figura 7: Gráfica de Tensión vs Tiempo a distintas temperaturas (PVDF).

. ............................................................................................................................................. 18

Figura 8: Gráfica de Energía vs Tiempo a distintas temperaturas (PVDF).

.............................................................................................................................................. 19

Figura 9: Gráfica de Tensión vs Tiempo a distintas frecuencias de compresión (PZT).

.............................................................................................................................................. 21

Figura 10: Gráfica de Tensión vs Tiempo a distintas temperaturas (PZT).

.............................................................................................................................................. 22

Figura 11: Gráfica de Energía vs Tiempo a distintas temperaturas (PZT).

. ............................................................................................................................................. 23

Figura 12: Gráfica de Tensión vs Tiempo a 20°C, 40°C y 60°C (PVDF y PZT).

. ............................................................................................................................................. 25

8

RESUMEN--- Con el fin de dar cumplimiento al objetivo general del proyecto el cuál se

estableció como: caracterizar el comportamiento de las variables eléctricas de los

piezoeléctricos PZT y PVDF adquiridos en el mercado colombiano, el proyecto se dividió en

cuatro etapas (Consulta bibliográfica, selección de la tecnología piezoeléctrica, diseño

experimental y ensayos y análisis matemático) por las cuales se logró llegar a un resultado

importante, el cual refleja que el aumento de temperatura en el ambiente afecta positivamente

al piezoeléctrico de tipo PVDF, logrando consigo establecer que desde la temperatura

ambiente hasta una temperatura que oscila entre 40 °C y 50 °C, la energía eléctrica

almacenada en el condensador sea cada vez mayor, lo cual hace inferir que es gracias a la

propiedad piroeléctrica que estos poseen que se logra disminuir hasta en un 30% de su

funcionamiento en temperaturas superiores a las mencionadas. A diferencia de los anteriores,

en los PZT se logró establecer que el aumento en la temperatura afecta negativamente la

generación de energía eléctrica en el dispositivo, conteniendo en consecuencia que a una

temperatura de 20°C, se consiga almacenar la mayor cantidad de energía eléctrica en el

condensador, bajo esta primicia, se consigue determinar que a altas temperaturas el

piezoeléctrico pierde hasta en un 30% su capacidad de generación de energía eléctrica.

Palabras claves--- PVDF; PZT; temperatura; frecuencia; piezoelectricidad, recolección de

energía.

ABSTRACT--- In order to fulfill the general objective of the project, which was established

as: characterize the behavior of the electric variables of the piezoelectric PZT and PVDF

acquired in the Colombian market, the project was divided in four stages (Bibliographic

consultation, selection of the piezoelectric technology, experimental design and

mathematical tests and analysis), which led to an important result, which reflects that the

increase in temperature in the environment positively affects the piezoelectric type PVDF,

achieving to establish that from room temperature to a temperature that oscillates between

40 ° C and 50 ° C, the electrical energy stored in the condenser is increasing, which makes

infer that it is thanks to the pyroelectric properties that these possess that it is possible to

reduce up to 30% of its temperatures higher than those mentioned. Unlike the previous ones,

in the PZT it was possible to establish that the increase in the temperature negatively affects

the generation of electrical energy in the device, containing consequently that at a

temperature of 20 ° C, it is possible to store the greatest amount of electric energy in the

condenser, under this first, it is possible to determine that at high temperatures the

piezoelectric loses up to 30% its capacity of electric power generation.

Keywords--- PVDF; PZT; temperature; frequency; piezoelectricity, energy harvesting.

9

1. INTRODUCCIÓN.

Con la revolución industrial y la explotación desmedida de los hidrocarburos con el fin de

poder satisfacer no solo la demanda de petróleo para la producción de combustible, sino

también para la iluminación de las grandes ciudades en esa época, la concentración de CO2

en la Tierra es cada vez más alta logrando realizar algunos cambios en su entorno, es el caso

del cambio climático, el cual, además de alterar la temperatura del planeta, y según cifras del

sitio web de CO2.Earth, el año 2016 se convirtió en el año más caluroso al incrementarse la

temperatura del planeta en un 0,96°C con respecto al siglo XX y en un 0,04°C con respecto

al año 2015 (McGee, 2017) cifras que posiblemente sigan en aumento en los siguientes años.

Dicho esto, el ser humano ha venido buscando soluciones para mitigar esta problemática,

uno de ellos es el protocolo de Kioto y el Acuerdo de París, acuerdos entre 192 y 175 países

respectivamente, que buscan apuntar a metas con el objetivo de reducir y combatir con el

cambio climático (ONU, 2016). Un propósito que a nivel mundial ha venido cogiendo fuerza

es la aplicación de energías alternativas en diversos países (Espitia & Hernández, 2011)

(Morales & Contreras, 2016), tal es el caso de Chile, China, Estados Unidos y Brasil, que

han buscado la manera de invertir masivamente en estas tecnologías y contribuir al desarrollo

de la nación. En cuanto a Colombia, el estado a través de la Unidad de Planeación Minero

Energética (UPME) y la ley 1715 de 2014 ha buscado la forma de promover el desarrollo y

la utilización de estas fuentes de energía por parte de los mismos ciudadanos (UPME, 2014),

los cuales mediante las plataformas del Sistema de Información Eléctrico Colombiano

(SIEL) y el Sistema de Información de Eficiencia Energética y Energías Alternativas

(SI3EA) pueden estar informados de la implementación de estas tecnologías en el territorio

nacional (UPME, 2016) (UPME, 2017).

Una tecnología para la generación de energía eléctrica que ha venido tomando fuerza en las

últimas décadas ha sido la piezoelectricidad, efecto que fue descubierto por Pierre y Jacques

Curie en 1881, quienes lograron realizar aportes importantes en el desarrollo de la materia,

que van desde la definición del concepto de piezoelectricidad (Gusarov, 2015) hasta la

demostración y clasificación de algunos materiales que cumplen estas propiedades, causando

después de casi un siglo que en diferentes partes del mundo se le preste atención a este nuevo

tipo de tecnología, logrando así que el estudio de sus características, eficiencia y

funcionamiento sea cada vez más una prioridad y los proyectos que se puedan realizar con

esta tecnología se conviertan en una visión y traigan consigo no solo la evolución de estos

dispositivos sino que además de los materiales con los que se fabrican, destacándose los de

Titanato de Zirconato de Plomo (PZT) y los de Polifluoruro de Vinilideno (PVDF) (Faust &

Lakes, 2015) (Hooker, 1998) (Mazzalai et al., 2014), a los cuales aunque se les hayan

realizado diferentes estudios para determinar sus constantes piezoeléctricas (Lian & Sottos,

2000) y sus características mecánicas (Miclea et al., 2007) y eléctricas (Vela, 2013) aún les

queda un amplio campo de estudio.

Es por lo que este proyecto busca la caracterización de los piezoeléctricos PZT y PVDF

mediante la relación entre la capacidad de la generación de energía eléctrica y las condiciones

de temperatura, a su vez se espera conseguir el apoyo en el desarrollo de un proyecto de

10

investigación a nivel posgrado por medio de identificar el potencial de generación de energía

eléctrica con piezoeléctricos adaptados al tráfico vehicular.

2. METODOLOGÍA.

Para el desarrollo del proyecto, se planteó una metodología que enmarca cuatro etapas, en

las cuales se contempló la revisión bibliográfica, el diseño y desarrollo de los prototipos y

algunos criterios iniciales que permitieron definir un alcance y forma de desarrollo, en el que

se establecieron dos tecnologías de piezoeléctricos para realizar el proyecto.

2.1.Etapa 1: Consulta bibliográfica.

Con el fin de profundizar el alcance del estudio, se realizó una revisión bibliográfica en bases

de datos a nivel mundial, de las cuales se obtuvo información importante para centralizar el

proyecto y enfocar el desarrollo a dos tecnologías de piezoeléctricos.

2.2.Etapa 2: Selección de la tecnología piezoeléctrica.

Una revisión en el mercado nacional se encontró que los piezoeléctricos que se consiguen y

que pueden ser empleados para la generación de energía eléctrica son los PZT y PVDF, a su

vez se realizó una clasificación de estos dispositivos partiendo de los siguientes criterios:

Características técnicas.

Geometría.

Factor Económico.

De lo anterior en la Tabla 1 se hace una relación de los piezoeléctricos que se consiguieron

en el mercado nacional.

11

Empresa Producto Precio

(COP) Disponibilidad

Hoja

Técnica Dimensiones

Calle 19 #

(Centro de Bogotá)

Piezoeléctrico 75 $ 3.500 ø = 35 mm

Buzzer 3-24V 78 $ 4.500 ø = 27 mm

Buzzer mini 12V $ 1.500 ø = 15 mm

Buzzer 12 V $ 3.500 ø = 27 mm

Piezoeléctrico 35 mm $ 1.200 ø = 35 mm

Piezoeléctrico 27 mm $ 1.000 ø = 27 mm

Piezoeléctrico 15 mm $ 800 ø = 15 mm

Microelectrónicos (Bogotá)

Sensor de vibración y fuerza

piezoeléctrico de filme LTD0-028K $ 15.500 25 mm x 13 mm

Sensor de fuerza piezoeléctrico DT2-

052K $ 36.000 41 mm x 16 mm

Buzzer chicarra piezoeléctrica 12VDC

AI-4228-TF-LW140-3-R $ 15.000 ø = 41,8 mm

Buzzer de 5V $ 1.800 ø = 15 mm

I+D Electrónica (Medellín)

Buzzer piezoeléctrico de 27 mm $ 600 ø = 27 mm

Buzzer piezoelectrico de 35 mm $ 700 ø = 35 mm

Sensor de vibración piezoelectrico

LTD-028K $ 10.900 25 mm x 13 mm

Sensor de vibración piezoelectrico $ 5.500 ø = 20 mm


LTDM-028K $ 11.000 25 mm x 13 mm


LTDC-V $ 12.300 17,8 mm x 6 mm


LTDC-M $ 12.300 17,8 mm x 6 mm

Módulo buzzer piezoeléctrico KY006 $ 6.000 18,5 mm x 15 mm

Electrónicos Caldas (Manizales)


LTD-028K $ 11.250 25 mm x 13 mm


LTDM-028K $ 12.100 25 mm x 13 mm


LTDC-V $ 14.211 17,8 mm x 6 mm

Tabla 1: Tipos de piezoeléctricos encontrados en el mercado colombiano. Fuente: Elaboración propia.

La selección fue realizada teniendo en cuenta como factores principales el económico y la

disponibilidad de los dispositivos, siendo así se seleccionaron el sensor de vibración

piezoeléctrico LTD-028K por parte de los PVDF y los piezoeléctricos de 35 mm por parte

de los PZT que se ilustran en la Figura 1.

12

Figura 1: Piezoeléctricos seleccionados, PVDF (Izquierda) y PZT (Derecha).

Fuente: Elaboración propia.

2.3.Etapa 3: Diseño experimental.

En esta etapa se diseñaron y construyeron dos prototipos electromecánicos con el propósito

de someter a ensayos de frecuencia de oscilación y presión los dispositivos PVDF y PZT

respectivamente, en función de la temperatura. Para esto se estableció un rango que va desde

los 20°C hasta los 60°C, cuyo propósito es establecer la tensión eléctrica que se podía generar

en cada intervalo y cómo la temperatura afecta a los elementos.

En las Figura 2 y 3, se aprecian los prototipos construidos, el primero es el sistema de soporte

e impacto de los PVDF, este consta de un motor DC 12 V, junto con un disco al cual se le

han añadido seis ejes con el fin de aumentar la frecuencia de impacto en elemento y un

soporte en el cual se apoyó el PVDF. El segundo, es el sistema de soporte e impacto de los

PZT, de esta se destaca el solenoide de 24 VDC, además, debido a las limitaciones que

presentaba el generador de señales RIGOL DG2021A fue requerido realizar un circuito

conmutador y amplificador de la señal de entrada cuadrada con un transistor MOSFET

IRF510 como se muestra en la Figura 5. Cabe resaltar que para mantener la temperatura

adecuada en los elementos durante las pruebas, se construyó una caja con ambiente

controlados que será el lugar idóneo para cumplir este propósito.

13

Figura 2: Mecanismo para la realización de la fase experimental de los dispositivos PVDF. Fuente: Elaboración propia.

Figura 3: Mecanismo para la realización de la fase experimental de los dispositivos PZT. Fuente: Elaboración propia.

Con respecto al almacenamiento de la energía eléctrica y el sistema de medida en ambos

sistemas fue el mismo; Tal y como se puede apreciar en la Figura 4, se diseñó e implementó

un circuito rectificador de media onda con un diodo Super Fast Recovery SF54, el valor del

condensador fue seleccionado debido a que se tiene una relación proporcional entre el valor

de la capacitancia y la energía eléctrica almacenada, siendo así, entre mayor valor de

capacidad mayor energía eléctrica almacenara, bajo este criterio se seleccionó un valor el

cual relacionara el factor económico, su disponibilidad en el mercado y el tiempo de duración

de cada prueba, seleccionando así, un condensador de 63µF, el cual se conectó en paralelo al

14

Multímetro Fluke 289 con el objetivo de registrar la energía eléctrica almacenada en este

elemento durante un tiempo de 1200 segundos.

Figura 4: Circuito rectificador de media onda con el sistema de medición.


Figura 5: Circuito amplificador y conmutador de señales. Fuente: Elaboración propia.

2.4.Etapa 4: Ensayos y análisis matemático.

A continuación, se describirán los criterios que se tuvieron para la realización de los ensayos

y las pruebas además del análisis matemático que se realizó para el desarrollo del proyecto:

Criterios de los ensayos y pruebas.

Se realizó un barrido de frecuencia en ambos dispositivos a temperatura ambiente, se

sometieron a pruebas los piezoeléctricos de tipo PVDF y PZT por medio del prototipo

electromecánico estableciendo la frecuencia eléctrica por medio del Osciloscopio Tektronix

TBS1202B-EDU y del Generador de Señales Rigol DG1022 para cada caso respectivamente.

Además, para la realización del barrido de frecuencia para los PVDF se tuvo en cuenta

15

algunos aspectos limitantes como la tensión requerida para el arranque del motor DC y la

máxima frecuencia eléctrica con la que el dispositivo sufriera un desgaste o daño

considerable y para los PZT se tuvo en cuenta el aspecto limitante de la máxima frecuencia

eléctrica del sistema electromecánico ya que a frecuencias más altas el sistema de pruebas

funcionaba incorrectamente llegando a qué se aplicara una compresión casi indetectable por

el dispositivo y no generara energía eléctrica. Una vez seleccionada la frecuencia a la cual

los dispositivos trabajaran de manera óptima se procedió a realizar el ensayo para determinar

el comportamiento de los parámetros eléctricos (tensión y energía) a temperatura variable en

un rango de 20°C hasta 60°C.

Para mejorar la confiabilidad de los ensayos realizados a los piezoeléctricos de tipo PZT y

PVDF, se realizaron tres (3) veces para cada intervalo, esto, con el propósito de comparar si

la carga final almacenada en el condensador una vez transcurridos 20 minutos era similar. Si

esto no llegó a ser así, se realizó la prueba nuevamente, seleccionando así las curvas

registradas en el documento.

Análisis matemático.

Para la obtención de la curva de energía almacenada en el condensador en el ensayo con

temperaturas variables, como se muestra en la Ecuación (1):

𝐸 =1

2 𝐶 𝑉(𝑡)

2 (1)

Donde:

𝐸: Energía

𝐶: Valor del condensador

𝑉(𝑡): Tensión del condensador

Realizando un proceso de tabulación, en el cual, se remplazó el valor de tensión de cada

muestra en la Ecuación (1).

La energía acumulada en el condensador al terminar cada una de las pruebas con

temperatura variable fue hallada con el apoyo del software Matlab, aplicando una regresión

a las curvas de energía obtenidas, concluyendo que la que mejor se ajustaba a las curvas era

de tipo polinómica de grado 3, como se muestra en la Ecuación (2):

𝐸(𝑡) = 𝑎 𝑡3 + 𝑏 𝑡2 + 𝑐 𝑡 + 𝑑 (2)

Con la regresión de las curvas de energía obtenidas, se procedió a determinar la energía total

almacenada dentro del condensador recurriendo a plantear la integral definida con el fin de

hallar el área bajo la curva de cada una de ellas, formula evidenciada en la Ecuación (3):

𝐸 = ∫ 𝐸(𝑡) 𝑑𝑡 (3)𝑡2

𝑡1

16

Donde:

𝑡1: Tiempo inicial de la prueba.

𝑡2: Tiempo final de la prueba.

𝐸(𝑡): Regresión obtenida de las curvas de energía para cada temperatura.

El periodo de tiempo en el que se realizó cada una de las pruebas fueron 20 minutos, lo que

equivale a 1200 segundos, teniendo 𝑡1 = 0 𝑠 y 𝑡2 = 1200 𝑠.

Finalizadas las cuatro etapas se pudo obtener información importante que permitió realizar

un análisis de resultados y concluir sobre estos.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Se realizaron ensayos de barrido de frecuencia y el del comportamiento de los parámetros

eléctricos con temperatura variable, realizando un análisis de cada uno por separado y luego

en conjunto.

3.1.PVDF.

Barrido de frecuencia.

Realizando en el ensayo de barrido de frecuencia se obtuvieron las curvas de carga

evidenciados en la Figura 6.

17

Figura 6: Gráfica de Tensión vs Tiempo a distintas frecuencias de oscilación mecánica (PVDF). Fuente: Elaboración propia.

Observando la Figura 6 se da paso a seleccionar la curva de carga que mejor comportamiento

presente, y a su vez, que a la frecuencia mecánica a la cual vaya a girar el motor no consiga

deteriorar el piezoeléctrico PVDF. Dicho esto, se define así que la frecuencia eléctrica a

trabajar en los ensayos finales será de 140 Hz, esto debido a si se contrastan con las

frecuencias superiores, el comportamiento de la gráfica fue mucho más limpia, no generaba

desgastes físicos considerables en el dispositivo y registró un valor de tensión de 7,529 V el

cual es superior a las frecuencias inferiores.

En la Tabla 2 se puede encontrar registrados los valores de tensión alcanzados a las distintas

frecuencias a las cuales se realizó la prueba.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 200 400 600 800 1000 1200

Ten

sió

n [

V]

Tiempo [s]

Gráfica PVDF de 90 Hz a 230 Hz Tensión [V] vs Tiempo [s]

f = 90 Hz f = 115 Hz f = 140 Hz

f = 150 Hz f = 170 Hz f = 230 Hz

18

Frecuencia [Hz] Tensión [V]

90 5,709

115 6,537

140 7,529

150 8,162

170 9,953

230 16,909 Tabla 2: Valores de tensión alcanzados a las distintas frecuencias (PVDF).


Curva de carga a distintas temperaturas.

Sometiendo los piezoeléctricos de tipo PVDF se obtuvieron las curvas de carga evidenciados

en la Figura 6.

Figura 7: Gráfica de Tensión vs Tiempo a distintas temperaturas (PVDF). Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 7 se puede resaltar la influencia de la temperatura en el dispositivo PVDF,

consiguiendo que en el intervalo de 20°C a 50°C se consiga que a mayor temperatura, mayor

será la capacidad de generación de energía eléctrica del dispositivo, alcanzando en este

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 200 400 600 800 1000 1200

Ten

sió

n [

V]

Tiempo [s]

Gráfica PVDF de 20° C a 60°C Tensión [V] vs Tiempo [s]

T = 20° C T = 30° C T = 40° C T = 50° C T = 60° C

19

último un valor de tensión de 17,288 V, pero es en 60°C donde se tiene un comportamiento

diferente, logrando que su capacidad de generación disminuya y se nivele en 11,546 V.


temperaturas a las cuales se realizó la prueba.

Temperatura [°C] Tensión [V]

20 7,085

30 11,104

40 12,811

50 17,288

60 11,546 Tabla 3: Valores de tensión alcanzados a las distintas temperaturas (PVDF).


Energía almacenada en el condensador.

Se procedió a realizar las curvas de energía almacenada en el condensador por medio de la

Ecuación (1) y se evidencian en la Figura 7.

Figura 8: Gráfica de Energía vs Tiempo a distintas temperaturas (PVDF). Fuente: Elaboración propia.

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

0,009

0,01

0 200 400 600 800 1000 1200

Ener

gía

[J]

Tiempo [s]

Gráfica PVDF de 20° C a 60°C Energía [J] vs Tiempo [s]

T = 20° C T = 30° C T = 40° C T = 50° C T = 60° C

20

Con respecto a la Figura 8, se evidencia la relación de, a mayor tensión registrada en el

condensador mayor será la energía almacenada en este elemento, con esto se consigue

mantener el mismo comportamiento que las curvas de carga de la Figura 7, a su vez que lo

mismo efectos de la temperatura. Dicho esto, se aprecia que a 50°C se obtiene el

funcionamiento óptimo del dispositivo al registrar un valor de Energía de 0,00941 J, lo que

equivalen a 2,6138 µWh.

Con lo antes mencionado, en la Tabla 4 se muestran los resultados de las variables de la

regresión de la Ecuación (2) junto con el resultado de la energía acumulada en el condensador

en Wh determinada con la Ecuación (3).

Temperatura [°C] a b c d Energía [Wh]

20 1,2770E-12 -4,1660E-09 4,6890E-06 -0,0002473 0,000373

30 -3,5970E-12 2,9490E-09 5,0630E-06 -0,0003715 0,000843

40 -5,6700E-12 7,6870E-09 3,2790E-06 -0,0002941 0,000971

50 -1,0490E-11 1,3880E-08 6,4030E-06 -0,0005018 0,001824

60 -4,9600E-12 5,5270E-09 3,9880E-06 -0,0003429 0,000853 Tabla 4: Constantes de la regresión y energía acumulada en el condensador para cada temperatura (PVDF).


3.2.PZT.

Barrido de frecuencia.

Realizando en el ensayo de barrido de frecuencia se obtuvieron las curvas de carga

evidenciados en la Figura 8.

21

Figura 9: Gráfica de Tensión vs Tiempo a distintas frecuencias de compresión (PZT). Fuente: Elaboración propia.

En las curvas de la Figura 8 se puede observar que a mayor frecuencia, la carga almacenada

en el condensador es menor, esto se debe a que a frecuencias altas la compresión en los

piezoeléctricos PZT es cada vez menor hasta llegar a ser imperceptible, la frecuencia de 15

Hz se seleccionó para la realización del ensayo de las curvas de carga en el rango de

temperaturas establecido, ya que presenta un ascenso continuo en la carga del condensador,

no provoca daños ni desgastes en el dispositivo piezoeléctrico y se llega a obtener una tensión

de 23,145 V después de ser terminada la prueba.


frecuencias a las cuales se realizó la prueba.

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200

Ten

sió

n [

V]

Tiempo [s]

Gráfica PZT de 5 Hz a 30 Hz Tensión [V] vs Tiempo [s]

f = 5 Hz f = 10 Hz f = 15 Hz f = 20 Hz f = 25 Hz f = 30 Hz

22

Frecuencia [Hz] Tensión [V]

5 19,987

10 21,346

15 23,145

20 15,965

25 10,833

30 3,237 Tabla 5: Valores de tensión alcanzados a las distintas frecuencias (PZT).


Curva de carga a distintas temperaturas.

Sometiendo los piezoeléctricos de tipo PZT se obtuvieron las curvas de carga evidenciados

en la Figura 9.

Figura 10: Gráfica de Tensión vs Tiempo a distintas temperaturas (PZT). Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 10 se puede resaltar la influencia de la temperatura en el dispositivo PZT,

consiguiendo que en 20°C se alcance un valor de tensión de 23,145 V, pero al aumentar la

temperatura en el intervalo de 30°C hasta 60°C se tiene un comportamiento diferente,

logrando que su capacidad de generación disminuya.

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200

Ten

sió

n [

V]

Tiempo [s]

Gráfica PZT de 20° C a 60°C Tensión [V] vs Tiempo [s]

T = 20 °C T = 30° C T = 40° C T =50° C T =60° C

23


temperaturas a las cuales se realizó la prueba.

Temperatura [°C] Tensión [V]

20 23,145

30 21,646

40 21,012

50 19,588

60 17,113 Tabla 6: Valores de tensión alcanzados a las distintas temperaturas (PZT).


Energía almacenada en el condensador.

Se procedió a realizar las curvas de energía almacenada en el condensador por medio de la

Ecuación (1) y se evidencian en la Figura 11.

Figura 11: Gráfica de Energía vs Tiempo a distintas temperaturas (PZT). Fuente: Elaboración propia.

Con respecto a la Figura 8, se evidencia la relación de, a mayor tensión registrada en el

condensador mayor será la energía almacenada en este elemento, con esto se consigue

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0,018

0 200 400 600 800 1000 1200

Ener

gía

[J]

Tiempo [s]

Gráfica PZT de 20° C a 60°C Energía [J] vs Tiempo [s]

T = 20° C T = 30° C T = 40° C T = 50° C T = 60° C

24

mantener el mismo comportamiento que las curvas de carga de la Figura 10, a su vez que lo

mismo efectos de la temperatura. Dicho esto, se aprecia que a 20°C se obtiene el

funcionamiento óptimo del dispositivo al registrar un valor de Energía de 0,0168 J, lo que

equivalen a 4,6667 µWh.

Con lo antes mencionado, en la Tabla 7 se muestran los resultados de las variables de la

regresión de la Ecuación (2) junto con el resultado de la energía acumulada en el condensador

en Wh determinada con la Ecuación (3).

Temperatura [°C] a b c d Energía [Wh]

20 -1,2540E-11 8,6490E-09 2,2180E-05 -0,0016260 0,003472

30 -1,3910E-11 1,4590E-08 1,5210E-05 -0,0011310 0,002996

40 -7,4600E-12 6,9120E-09 1,4510E-05 -0,0010820 0,002573

50 -9,4570E-12 6,5010E-09 1,6340E-05 -0,0012720 0,002522

60 -8,0560E-12 7,5620E-09 1,0480E-05 -0,0007897 0,001883

Tabla 7: Constantes de la regresión y energía acumulada en el condensador para cada temperatura (PZT). Fuente: Elaboración propia.

3.3.Análisis comparativo.

A continuación, en la Figura 11 se presentan los resultados de las curvas de tensión en las

temperaturas 20°C, 40°C y 60°C para realizar un análisis comparativo entre los

piezoeléctricos de tipo PVDF y PZT.

25

Figura 12: Gráfica de Tensión vs Tiempo a 20°C, 40°C y 60°C (PVDF y PZT). Fuente: Elaboración propia.

Como se aprecia en la Figura 11 al tener un ambiente que aumente o simplemente se

encuentre a una temperatura superior a 40 °C e inferior a 60 °C (temperatura a la cual

disminuye el funcionamiento del dispositivo) afecta positivamente al dispositivo, logrando

consigo que a mayor temperatura la energía eléctrica almacenada en el condensador sea más

alta, esto, hasta conseguir la temperatura de 40 °C a la que a partir de allí comienza a

disminuir la energía acumulada en el elemento. A diferencia de los PVDF, los piezoeléctricos

PZT requieren de un espacio menos cálido que estos primeros, consiguiendo que a una

temperatura de 20 °C se consiga almacenar más energía eléctrica en el condensador que lo

que se obtendría si se hiciese a 60 °C, lo cual constituye en un valor óptimo para conseguir

ese propósito.

La frecuencia eléctrica a la cual cada uno de los dispositivos fue puesto a prueba, resulta ser

es un factor importante en el almacenamiento de energía eléctrica por parte de cada uno de

los dispositivos. Siendo así que, los piezoeléctricos PZT consiguieron llegar a un máximo de

tensión almacenada en el condensador siempre superior a los piezoeléctricos PVDF, con un

valor de frecuencia eléctrica mucho menor que el requerido y con un desgaste en el elemento

a tener en consideración.

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200

Ten

sió

n [

V]

Tiempo [s]

Gráfica PVDF y PZT de 20°C a 60°CTension [V] vs Tiempo [s]

T = 20°C (PVDF) T = 40°C (PVDF) T = 60°C (PVDF)

T = 20°C (PZT) T = 40°C (PZT) T = 60°C (PZT)

26

4. CONCLUSIONES.

Al realizar la búsqueda y selección de los piezoeléctricos en el mercado nacional, de

cuatro establecimientos que contaban con estos dispositivos se lograron recaudar en

total veintidós dispositivos, diez de ellos corresponden a tecnología PVDF y los doce

restantes a tecnología PZT, de los cuales para estos primeros habían referencias que

se encontraban en dos o tres locales y para los segundos, no se encontraron factores

técnicos realmente diferenciales que hiciesen seleccionar un elemento por encima de

otro, el diámetro fue el único aspecto de relevancia a la hora de selección. Con estos

aspectos, se logra evidenciar que es poca la variedad de dispositivos piezoeléctricos

que se encuentran en el país, lo cual hace entrever que esta sea una posible razón del

poco desarrollo de esta tecnología en el territorio nacional y a su vez, en proyectos

que impulsen a que estos dispositivos sean el foco principal de ellos.

Es necesario tener en cuenta el tipo de uso que se le dará a los piezoeléctricos para la

generación de energía eléctrica, si se implementa en aplicaciones en la que el

dispositivo se verá afectado por grandes fuerzas es recomendable utilizar los PVDF

debido a su alta resistencia a impactos, al contrario de los PZT, que aunque puede

llegar a niveles de carga más altos son muy delicados, en este caso se recomendaría

utilizar un sistema de amortiguación para disminuir la fuerza de impacto sobre este y

evitar daños y fracturas en los dispositivos.

En los piezoeléctricos PVDF se puede resaltar que la temperatura puede llegar a

influir en su capacidad de generación de energía eléctrica, esto se debe a su propiedad

piroeléctrica, que hace que entre mayor sea la temperatura a la que se encuentre

expuesto el dispositivo mayor será la capacidad de generación de energía eléctrica,

en los ensayos realizados se puede observar que en 50°C está el funcionamiento

óptimo del dispositivo analizado, mientras que entre temperaturas mayores o iguales

a 60°C su funcionamiento puede llegar a disminuir aproximadamente un 30% de su

funcionamiento óptimo.

En los piezoeléctricos PZT se puede observar que al igual que a su contraparte la

temperatura influye en su capacidad de generación de energía eléctrica, pero de

manera opuesta, entre mayor es la temperatura a la que se encuentre expuesto el

dispositivo su capacidad de generación de energía eléctrica disminuirá, según los

ensayos realizados se puede observar que el funcionamiento óptimo se encuentra en

20°C, mientras que entre temperaturas mayores su funcionamiento puede llegar a

disminuir aproximadamente un 30% de su funcionamiento óptimo.

27

5. BIBLIOGRAFÍA.

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eléctrica por medio de un dispositivo con efecto piezoeléctrico en las entradas vehiculares de la

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