Cermicos Piezoelctricos para la Obtencin de Energa

Cermicos Piezoelctricos para la Obtencin de Energa

MATEMATICA IV Universidad Nacional del CallaoEscuela Profesional de Ing. En Energa

Ao de Promocin de la Industria Responsable y del Compromiso ClimticoUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

ESCUELA PROFESIONAL DE ING. EN ENERGIA

MATEMATICA IV ALUMNO: Moran Reynaga, Pedro Manuel TITULO:Cermicos Piezoelctricos para la Obtencin de Energa CICLO:IV.

2014

INDICE

AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

INTRODUCCIONLa palabra piezo se deriva de la palabra Griega: que significa estrechar, apretar u oprimir. En 1880, Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar presin a un cristal de cuarzo se establecan cargas elctricas en ste; ellos llamaron a este fenmeno el efecto piezoelctrico. Ms tarde ellos verificaron que un campo elctrico aplicado al cristal proporcionaba una deformacin al material. Este efecto era referido como efecto piezo inverso. Los materiales piezoelctricos, por lo tanto, pueden ser utilizados para convertir energa elctrica en energa mecnica y viceversa.Despus de su descubrimiento pasaron varias dcadas antes de que se utilizara el fenmeno piezoelctrico. La primera aplicacin comercial fue en detectores ultrasnicos para submarinos desarrollados durante la 1 Guerra Mundial y en la dcada de los cuarenta los cientficos descubrieron que el titanato de bario (cermico) puede comportarse como material piezoelctrico en presencia de un campo elctrico.Proporcionar energa eficiente y limpia es un reto tanto para dispositivos micro electrnico como convencionales. En los ltimos aos ha habido avances significativos en el desarrollo de fuentes de alimentacin tales como cmaras de combustin, clulas solares, pilas de combustible, dispositivos termoelctricos o micro bateras , la generacin suministro y consumo de energa siguen siendo un obstculo en el avance de nuevos dispositivos, como por ejemplo las nuevas MEMS como elementos complementarios a los CMOS puesto que el avance implicara alejarse de la Ley de Moore que relaciona la capacidad de almacenamiento con el tamao del dispositivo y su consumo de energa. Pero el reto de la energa no se limita a los dispositivos a micro escala donde tanto el tamao como la masa de las fuentes de alimentacin convencionales, actan como barreras de avance para el desarrollo de dispositivos electrnicos miniaturizados. Los cermicos piezoelctricos son ampliamente usados para sensores, actuadores, transductores, alarmas y otros dispositivos electrnicos. Recientemente, ha surgido la necesidad de materiales que operen a temperaturas mayores que las disponibles actualmente para reas como la automotriz, aeroespacial y aplicaciones industriales relacionadas (> 400 C). En tales aplicaciones, los cermicos piezoelctricos deben poseer alta temperatura de Curie (TC), alta permisividad dielctrica, estabilidad trmica en el desempeo elctrico y un alto coeficiente de acoplamiento electromecnico.Los cermicos zirconato titanato de plomo (PZT) son soluciones de xidos de plomo, zirconio y titanio. Estos cermicos tienen un alto desempeo ferro elctrico, coeficientes piezoelctricos y constantes dielctricas excepcionalmente altos, caractersticas por las cuales han dominado las aplicaciones en sensado, posicionamiento, actuadores y transductores. Sin embargo, el alto contenido de plomo en la familia de cermicos PZT ( 60% peso) ha generado graves problemas ambientales por los desechos de estos productos, adems de que la alta volatilidad de vapores txicos de plomo u xido de plomo hace peligrosa la produccin de este tipo de compuestos. Esto ha motivado la bsqueda de cermicos piezoelctricos libres de plomo con propiedades iguales o superiores a las mostradas por los materiales base plomo.A pesar de los notables avances en el desarrollo y la evaluacin de tecnologas de energa sostenible en procesos macroscpicos (por ejemplo, clulas solares, hidroelctrica, elica, biocombustibles y geotermia), aproximadamente el 86% de la energa consumida por los Estados Unidos se deriva de los combustibles fsiles, y slo el 14% procede de energas renovables (EE.UU. Departamento de Energa de EE.UU. y la Agencia de Proteccin del Medio Ambiente, 2005), porcentaje que en Europa es algo mayor sin llegar al 20% y lejos de reducirse, el consumo de energa en el mundo, aumenta de manera continua.

RESUMENLa piezoelectricidad es un fenmeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecnicas adquieren una polarizacin elctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas elctricas en su superficie.Junto con el avance de la tecnologa, la demanda de energa elctrica crece cada vez ms es por eso que el hombre ha buscado como obtener esta energa aprovechando los recursos renovables que tiene a su alrededor ya que somos una sociedad que sigue dependiendo mucho de los combustibles fsiles. Es por eso que debemos buscar nuevas fuentes de produccin de energa. La piezoelectricidad es una solucin muy innovadora ya que podemos utilizar materiales que tienen propiedades nicas aparte de que son muy resistentes y tienen una gran durabilidad.

CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En estos ltimos das hemos estado sufriendo la carencia de la energa elctrica en nuestras comunidades, situacin que trae como consecuencia una serie de problemas como le descomposicin de la comida en nuestros refrigeradores o la imposibilidad de encender aparatos y equipos caseros de todo tipo. Tal parece que tenemos una excesiva dependencia hacia este tipo de energa que, por lo dems, su produccin ocasiona graves daos a nuestro medio ambiente. Es por ello que es momento de plantarse las opcionesque puedan sustituir esta dependencia hacia la energa elctrica pero que ademssea autosustentable y amigablecon el medio ambiente en el que vivimos.El mundo que conocemos hoy da se basa en el consumo de energa. Ya sea para poder producir energa elctrica, calentar nuestras casas o simplemente para mover nuestros coches e ir a trabajar. Necesitamos energa pero, qu energa podemos utilizar? De dnde proceden? Cul usamos ms?La piezoelectricidad es aplicada como generadores de energa elctrica, tambin para otros productos como sensores, actuadores, entre otros.Cmo podra ser aplicada esta tecnologa para que interactuara en nuestra vida cotidiana?La empresa Pavegen System ha diseado una baldosa que recoge energa de las pisadas. Cuando se pisa se produce una flexin en su superficie de unos 5 mm, convirtiendo la energa cintica de la pisada en unos 5 o 7 W dependiendo de la deformacin producida. La energa generada puede ser utilizada para aplicaciones de baja potencia no conectadas a la red elctrica como instalaciones de iluminacin LED, sealizacin y publicidad, tambin puede ser almacenada en las bateras instaladas en el propio elemento.Se estima que la instalacin de este tipo de baldosas, fabricadas con caucho 100% reciclado y hormign polmero, pueden generar unos20 kilovatios-hora(kWh) dependiendo del trnsito.

OBJETIVOEl aprovechamiento de la energa ambiental que est constantemente disponible y es desperdiciada, como la energa que se genera por la deformacin del suelo por el trnsito de personas, vehculos o vibraciones de las mquinas, es una fuente de energa renovable con alto potencial de aplicacin. JUSTIFICACIONActualmente, el mundo se encuentra en un periodo de crisis energtica, ya que dentro de algunos aos, la produccin mundial de petrleo convencional empezara a disminuir, al haber alcanzado actualmente el lmite de produccin. Mientras tanto, la demanda mundial no deja de aumentar.Por eso se est buscando nuevas formas de cmo ir reemplazando a las energas tradicionales. CAPITULO II ANTECEDENTESActualmente, el mundo se encuentra en un periodo de crisis energtica, ya que al pasar de los aos, la produccin mundial de petrleo comenzar a disminuir, al haber alcanzado actualmente el lmite de produccin. As que debemos comenzar a buscar soluciones para ponerlas en accin, antes que se agoten los combustibles fsiles y el tiempo. La visible mejora en la calidad de vida de los pases industrializados, mayores consumistas, hace que los pases en vas de desarrollo, quieran seguir su modelo. Es por esto que, la mayor parte de la estructura de oferta de energa primaria, est basada en petrleo y gas en casi el 90% a nivel mundial. El incremento de individuos (superpoblacin) consigue acelerar la dependencia excesiva.La situacin energtica actual debe ser planteada como una crisis. Definitivamente, no podemos continuar con este modelo de desarrollo que no cumple con su rol principal, el cual no es la ganancia empresarial, sino asegurar que los habitantes tengan acceso a los recursos energticos para garantizar buenas condiciones de vida, y por supuesto, cuidar el medio ambiente. Necesitamos encontrar una estrategia de salida de la era de los combustibles fsiles, para asegurar nuestro futuro. Teniendo en cuenta que las megas empresas de energa, de electricidad y servicios pblicos, siguen trabajando sin un anlisis adecuado de investigacin y desarrollo suficientes para explorar alternativas energticas nuevas y sustentables.El modelo energtico peruano actual como un modelo insostenible, altamente vulnerable y dependiente de recursos fsiles (externos e internos). La dependencia externa del petrleo expone a la boyante economa del Per a la volatilidad y especulacin con la que se establecen los precios del crudo.

MARCO TEORICO

Imagnese que la vibracin de su voz, mientras conversa por telfono, ser capaz de convertirse en electricidad para que el aparato siga funcionando. Aunque parezca ciencia ficcin, un equipo de ingenieros en Estados Unidos est cada vez ms cerca de lograrlo. Los cientficos de la Universidad de Texas A&M ya lograron duplicar la eficiencia de los llamados aparatos piezoelctricos, que son capaces de producir energa a partir del movimiento y la vibracin. El tamao importa. La clave, al parecer, est en el tamao, como sealan los autores del estudio en la revista Physical Review B. Los cientficos descubrieron que cierto tipo de material piezoelctrico puede convertir la vibracin en energa aumentada al 100% cuando se le fabrica a un pequesimo tamao. Y pequeo quiere decir casi 5.000 veces ms delgado que un cabello humano, o 21 nanmetros de espesor. Incluso las alteraciones en la forma de las ondas de sonido podran en el futuro ser recolectadas para producir energa en aparatos nano y micromtrico, segn el Prof. Tahir Cagin.Al estirarlos o comprimirlos se provoca una separacin de carga elctrica a lo ancho y esto provoca un voltaje que puede aprovecharse, dicen los autores. El concepto piezoelctrico no es nuevo, fue descubierto por cientficos franceses en los 1880, quienes lo usaron por primera vez en aparatos sonares durante la primera guerra mundial. Hoy en da, estos materiales se utilizan en encendedores electrnicos y micrfonos, en los cuales puede recolectarse energa con la presin de un dedo pulgar o incluso en una onda de sonido. Actualmente se ha comenzado a estudiar la posibilidad de fabricar aparatos piezoelctricos que recogen energa del movimiento humano o el movimiento de la ropa. E incluso hay muchos clubes en Europa que ya han incorporado materiales piezoelctricos en sus pisos de baile, para reciclar una pequea parte de la energa que transmiten los danzantes. Sin embargo, los cientficos han descubierto que el comportamiento de los materiales en aparatos relativamente grandes puede cambiar radicalmente cuando se le fabrica a escala nanomtrica.

Seguro que ms de una vez nos hemos preguntado porqu al golpear dos piedras de cuarzo entre s, saltan chispas. Este fenmeno tiene un nombre, y se denomina Piezoelectricidad.La piezoelectricidad tiene lugar cuando, al someter a una compresin mecnica a dos piezas de determinado material (cuarzo, turmalina, algunas cermicas y tierras raras entre otros), se produce una polarizacin elctrica, lo cual conlleva una diferencia de potencial, con aparicin de cargas elctricas. La chispa es generada por la aparicin de un arco voltaico.Esta propiedad se ha venido utilizando ampliamente en la industria; los mecheros elctricos, sensores de vibracin, y en los inyectores de motores de combustin interna (apertura de los inyectores para la entrada del combustible).

Esta misma propiedad est llevando hoy da al estudio del aprovechamiento de energa; existen baldosas construdas con materiales piezoelctricos, las cuales, al ser pisadas, transforman la energa mecnica en elctrica, obtenindose de esta forma una fuente de energa limpia. Estas baldosas y pavimentos recuperaran la energa de pisadas e incluso del paso de vehculos, pudindose almacenar la energa elctrica resultante, y ser empleada en aplicaciones de baja potencia. Cada pisada podra generar entre unos 5 y 7 W de potencia.Este mismo sistema se puede emplear en los rales de ferrocarril; situando las piezas con el material piezoelctrico sobre los mismos, el paso de los trenes producira la deformacin del material que generara la polarizacin elctrica, y generacin de energa elctrica.En el caso de aplicacin de la piezoelectricidad a trfico rodado o ferroviario, la potencia generada podra llegar a potencias considerables, pudindose generar la electricidad suficiente para iluminar la va, o centenares de viviendas.Actualmente el costo de instalar estos pavimentos es elevado; se debe considerar su amortizacin teniendo en cuenta la produccin elctrica que generara, y tambin la disminucin de emisiones y residuos contaminantes asociados a otras fuentes generadoras de energa elctrica, pues la propiedad piezoelctrica de los materiales que la poseen es inagotable.

PropiedadesYa que el efecto piezoelctrico exhibido por materiales naturales tales como el cuarzo, la turmalina, la sal de Rochelle, etc., es muy pequeo, se han desarrollado materiales con propiedades mejoradas, por ejemplo los materiales cermicos ferroelctricos policristalinos, como el BaTiO3 y el Zirconato Titanato de Plomo (PZT).Los cermicos PZT, disponibles en muchas variaciones, son los materiales ms ampliamente usados hoy para aplicaciones como actuadores o sensores. La estructura cristalina del PZT es cbica centrada en las caras (isotrpico) antes de la polarizacin y despus de la polarizacin exhiben simetra tetragonal (estructura anisotrpica) por abajo de la temperatura de Curie, que es aquella en la cual la estructura cristalina cambia de forma piezoelctrica (no-simtrica) a no-piezoelctrica. A esta temperatura los cermicos PZT pierden las propiedades piezoelctricas.

Fig. 1. Celda elemental piezoelctrica; (1) Antes de polarizarse (2) Despus de polarizarse.

La razn del comportamiento de dipolo elctrico es la separacin entre los iones de carga positivo y negativo. Una regin de dipolos elctricos con orientacin similar es llamada dominio. A los grupos de dipolos con orientacin paralela se les llama dominio de Weiss. El dominio de Weiss est orientado aleatoriamente en el grueso del material del PZT, antes de que el tratamiento de polarizacin sea efectuado. Para este propsito se aplica un campo elctrico ( > 2000 V/mm) al piezo cermico (calentado). Con el campo aplicado, el material se expande a lo largo del eje del campo y se contrae perpendicularmente a este eje. Los dipolos elctricos se alinean y permanecen rgidamente alineados hasta su enfriamiento. El material tiene ahora una polarizacin permanente (la cual puede ser degradada s se exceden los lmites mecnicos, trmicos y elctricos del material). Como resultado, hay una distorsin que causa un aumento en las dimensiones alineadas con el campo y una contraccin en los ejes normales al campo.Cuando un voltaje es aplicado a un material piezoelctrico polarizado, el dominio de Weiss aumenta su alineamiento proporcionalmente al voltaje. El resultado es un cambio en las dimensiones (expansin, contraccin) del PZT.

Fig. 2. Dipolos elctricos en el dominio de Weiss (1) cermico ferroelctrico sin polarizar (2) durante y (3) despues de la polarizacin (cermico piezoelctrico).

Desplazamiento de Piezo Actuadores (Tipo pila y tipo contraccin)El desplazamiento de los cermicos PZT es funcin de la intensidad del campo elctrico aplicado E, del material utilizado y de la longitud L del cermico PZT. Las propiedades materiales pueden ser descritas por los coeficientes piezoelctricos de deformacin unitaria dij. Estos coeficientes describen la relacin entre el campo elctrico aplicado y la deformacin mecnica producida.El desplazamiento DL de un piezo actuador de una sola capa, sin carga, puede ser estimado por medio de la ecuacin:

DL = E*dij*Lo

Donde:Lo = longitud del cermico [m]E = intensidad del campo elctrico [V/m]dij = coeficientes piezoelctricos de deformacin unitaria

Fig. 3. Elongacin y contraccin de un disco de PZT cuando se le aplica un voltaje.

Hystresis (PZTs de lazo abierto)Los piezo actuadores de lazo abierto exhiben histresis. La histresis se fundamenta en los efectos de polarizacin cristalina y en la friccin molecular. El desplazamiento absoluto generado por un PZT de lazo abierto depende del campo elctrico aplicado y de la piezo ganancia la cual es relativa a la polarizacin permanente. La histresis es tpicamente del orden de 10 a 15 % del movimiento comandado.

Fig. 4. Curvas de histresis de un piezo actuador de lazo abierto para varios voltajes de pico.

Tipos de materiales piezoelctricosTodos los materiales piezoelctricos estn enmarcados bajo el nombre de Piexidos, los cual es una constraccin del trmino xidos piezoelctricos, a los cuales nos referimos, para abreviar, como PXE. Existen los siguientes tipos de materiales PXE, cada uno con caractersticas especficas para lograr un propsito particular:

Cermicos Piezoelctricos para la Obtencin de Energa

Facultad de Ingeniera Mecnica - Energa 3

PXE 3:

Es una placa cermica de titanato zirconato de plomo con un coeficiente

de acoplamiento de corte muy alto, una baja constante dielctrica y una alta temperatura Curi. As se logra una pequea despolarizacin por efecto de soldado. Estas propiedades hacen que el PXE 3 sea til en aplicaciones de resonancia de alta frecuencia (bajo esfuerzos de corte o torsin), como por ejemplo transductores de retardo ultrasnico.

PXE 4:

Este tipo es de titanato zirconato de plomo mejorado, el cual tiene

excelentes propiedades para dos importantes campos de aplicacin, que son transductores resonantes de alta intensidad y generadores de alta tensin. La alta fuerza coercitiva y el alto factor Q mecnico unidos a la baja disipacin de calor que produce una onda incidente sobre el material cermico (dielctrico) hacen que el PXE 4 pueda ser llevado a grandes amplitudes de deformacin , lo cual es requerido, por ejemplo, en limpieza ultrasnica y sonares. Tambin soporta fcilmente las cargas repetitivas de las muyn altas fuerzas cuasi estticas y dinmicas necesarias para la generacin de alta tensin.

PXE 5:

Como el anterior, es de Titanato Zirconato de Plomo mejorado. Tiene un

factor Q mecnica bajo, un coeficiente de acoplamiento muy alto y buena sensibilidad de carga. Por esto es el tipo ideal para todas las aplicaciones de sensores mecano elctricos no resonantes, tales como cpsulas pick up, micrfonos, etc. El PXE 5 tiene mejor estabilidad trmica y por envejecimiento que los otros tipos. La resistividads, an a altas temperaturas es extremadamente alta.

PXE 7:Es similar al PXE3 pero con mejores caractersticas de estabilidad. Es utilizada en las lneas de retardo ultrasnico en receptores de TV, sistema PAL.

PXE 10:Tiene una constante dielctrica extremadamente alta y, como el PXE 5, el factor de mrito Q mecnico es bajo, por lo cual es til en aplicaciones mecano elctricas no resonantes que requieran un alto rendimiento de conversin deenerga.

PXE 11:Es un novato de sodio y potasio. Tiene una constante de frecuencia comparativamente alta. Ambas proipiedades hacen del PXE 11 el material ideal para transductores de muy alta frecuencia (fr = 10 100 Mhz), por ejemplo en lneas de retardo.

Cantidades y SmbolosUnidadPXE 3PXE 4PXE 5PXE 7PXE 10PXE 11

Datos Mecnicos

Masa Especfica 103 Kg/m37.8 a 7.957.45 a 7.557.55 a 7.657.67.64.5

Mdulo deElasticidadY1 E111210 N/m0.880.770.650.820.581.2

Y3 E30.790.790.59---

Y5 E50.27-0.260.28-0.41

Calor EspecficoJ/Kg C420420420420420420

Conductividad del CalorW/m C1.21.21.21.21.21.2

Compresin108 N/m2> 6> 6> 6> 6> 6> 6

Tensin 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

Flexin 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Constante de Poisson Numerica 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3

Datos Elctricos

Temperatura Curie(temperatura de transicin)C395265285320185400 (195)

Constante DielctricaRelativa3 T/03Numerica570150017506803000450

1 T/01900-18001050-600

Resistividad Volumtricael (25 C)m101210111014---

Constante de Tiempoel3 T (25 C)3Minutos> 30> 30> 300---

Disipacin Dielctrica,Factor tan (x 10-2)Numrica0.50.62.02.032.5

Datos Electro - Mecnicos

Factores deAcoplamientokP

Numerica0.520.550.620.530.650.73

k310.300.320.36-0.380.25

k330.650.680.70---

K150.71-0.660.66-0.65

Constantes de Carga Piezoelctricad3110-12 C/N-74-141-178-84-275-44.5

d33166265356---

d15385-515350-235

Constante de VoltajePiezoelctricog31-310 Vm/N-14.8-9.4-11.3-14.0-9.1-11.2

g3334.520.023.2---

g1548.5-32.544.2-44.0

Factor de CalidadMecnica (Q E) para modom PradialNumrica30050080Abt.80Abt. 80270

Constantes deFrecuenciaN E PHz.m o m/s230022002000225019003600

N E1168016201460164013902650

N E3156016101390---

N E5930-930970-1500