Universidad Autónoma de Ciudad Juárez Instituto de Ingeniería y Tecnología Energía Eléctrica Producida por Dispositivos Piezoeléctricos DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y COMPUTACIÓN Carolina Nohemí Salgado Castro Alejandra Lugo Rangel Asesor: Dr. Roberto C. Ambrosio 1 Contenido • Introducción o o o o Motivación Aplicaciones Objetivo Marco Teorico • Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Diagrama rectificador • Resultados • Conclusiones 2 Contenido • Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo • Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador • Resultados • Conclusiones 3 Motivación • Dispositivos de datos inalámbricos, pequeños, de bajo consumo de potencia y de bajo costo se están desarrollando cada vez mas un el mundo. • El desecho de las baterías comunes contaminantes 4 Energías Cosechadoras • Eólica (viento) • Hidráulica (agua) • Solar ( luz solar) • Vibratoria (movimiento) 5 Materiales Piezoeléctricos Materiales piezoeléctricos naturales: Cuarzo Turmalina Sal de rochelle. Materiales piezoeléctricos fabricados artificialmente: PZT ZnO PVDF 6 Cosechamiento en un humano Energía en una paso: Laminas de metal unidas a un piezoeléctrico PVDF semiflexible bajo el talón. En el movimiento del talón de una persona que camina, con un peso promedio de 68Kg, se puede producir una potencia de 67 watts. http://www.media.mit.edu/resenv/power/index.html 7 Piso generador de Energía La producción de electricidad alcanza un máximo de 10,000 watts por segundo al día. Un promedio de 800 000 personas pasan por el tapete generador solo en la tercera semana de ser instalado. www.dem.feis.unesp.br/ 8 Contenido • Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo • Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador • Resultados • Conclusiones 9 Aplicaciones -Pastillas electrónicas Sensores: Ultrasonido Acelerómetros Micrófonos Actuadores: Bocinas Impresoras de inyección de tinta -Bats inteligentes -Controles de activación en helicópteros 10 Contenido Introducción Motivación Aplicaciones Objetivo Desarrollo Modelo mecánico Modelo eléctrico Esquema rectificador Resultados Conclusiones 11 Objetivo • Implementación de un circuito de acondicionamiento de señal para cosechadores de energía basados en generadores piezoeléctricos. • Objetivos particulares: o Estudio y caracterización de generadores piezoeléctricos. o Diseño e implementación del circuito acondicionador para los generadores. 12 Contenido Introducción Motivación Aplicaciones Objetivo Marco teórico Desarrollo Modelo mecánico Modelo eléctrico Esquema rectificador Resultados Conclusiones 13 Piezoelectricidad a) Efecto piezoeléctrico Directo (sensor) b) Efecto piezoeléctrico Inverso (actuador) 14 Efecto piezoeléctrico Dominio de dipolos eléctricos 1) Cerámico sin polarizar 2) Durante la polarización 3) Después de la polarización Unidad de celda del PZT (PbZrTiO3) 1) Celda en su estado simétrico por arriba de la temperatura de Curie 2) Celda no centro-simétrica por debajo de la temperatura de Curie 15 Dirección de Polarización D=dT+ɛE T1 = tensión normal en la dirección X, T2 = tensión normal en la dirección Y, T3 = tensión normal en la dirección Z. T= F/A d = coeficiente piezoeléctrico D = desplazamiento eléctrico ε= constante dieléctrica E = campo eléctrico 16 Piezoeléctrico (Bender Cantilever) 17 Conexión en serie y paralelo PZT Serie: Capacitancia baja - Corriente baja - Voltaje alto Paralelo: Capacitancia alta - Corriente alta - Voltaje bajo 18 Diseño de sensor de fuerza 1, max Mt (2 I ) Flt viga 2 I viga V D3 d31 E3t piezo D3t piezo Flt vigat piezo 2 I viga 1,max 19 FASE I Transferencia de la energía mecánica Energía de excitación del medio ambiente FASE II Transformación de la energía mecánica a eléctrica Energía de vibración mecánica Perdida de la energía mecánica FASE III Transferencia de la energía eléctrica Energía eléctrica generada Perdida durante la transducción de la energía mecánica a eléctrica Energía eléctrica de salida Perdida de la energía eléctrica 20 Contenido • Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo • Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador • Resultados • Conclusiones 21 FASE I Desarrollo • Modelo mecánico Base de vibración 22 Contenido • Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo • Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador • Resultados • Conclusiones 23 FASE II • Modelo eléctrico inicial Ideal Actual 4 24 Contenido • Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo • Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Diagrama rectificador • Resultados • Conclusiones 25 FASE II • Diagrama de bloques de un Rectificador con filtro PSI-5A4E DIODO • 1N5820 • 1N4001 LM7805 • LED • BATERÍA • MP3 26 Contenido • Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo • Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador • Resultados • Conclusiones 27 Instrumentación y metodología Modelo PSI-5A4E • Elemento piezoeléctrico conexión en serie y paralelo (a) Dimensiones (63mm x 31.8mm x .51mm) (b) Serie T220-A4-503X (c) Paralelo T220-A4-503Y 28 • Tablilla para la conexión de las entradas del piezocerámico • Generador piezoeléctrico montado viga voladizo (Cantilever) Empotrado Piezo Viga Masa Shaker 29 Instrumentos de medición Generador de funciones Osciloscopio Amplificador Circuito acondicionador de energía Piezoeléctrico Shaker 30 • Resultados de la caracterización de la viga realizada en voladizo (a) Viga en voladizo con una masa de 25g (b) Salida de Voltaje del generador 31 (a) Salida con 2 imanes de 25g (b) Salida con 2 imanes y una tuerca 55g No fracturado Fracturado 32 Simulación MathLab Simulado 33 FASE III • Presentación en protoboard y su salida de voltaje durante la oscilación 34 Resultados experimentales Voltaje vs RL Potencia vs RL 35 • Resultados cargando baterías en serie y FASE III paralelo (b) (a) (c) 36 • Simulación y análisis transitorio 37 FASE III • Encendido de un reproductor MP3 Se cargó con 1.9V en 10 minutos 38 Simulación PZT en Coventor (FEA) Relación Desplazamiento vs. Potencial 100 80 Potencial V 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 Desplazamiento um Relación Reacción vs Desplazamiento Capas del piezo 5 3.5x10 5 3.0x10 5 Reacción en el punto fijo uN 2.5x10 5 2.0x10 5 1.5x10 5 1.0x10 4 5.0x10 0.0 0 10 20 30 40 50 Desplazamiento um 39 Simulación Coventor Desplazamiento vs Tensión Relación Desplazamiento vs Mises Stress 3000 2500 2000 Mises Stress Con un desplazamiento de 5µm hasta 50µm se obtienen las siguientes graficas de resultados. 1500 1000 500 0 0 10 20 30 40 50 Desplazamiento um 40 Contenido • Introducción o Motivación o Aplicaciones o Objetivo • Desarrollo o Modelo mecánico o Modelo eléctrico o Esquema rectificador • Resultados • Conclusiones 41 Conclusiones • Realización de análisis y estudio de las propiedades de generador piezoeléctrico. Con esto se obtuvieron: o Frecuencias óptimas de 10Hz para el elemento en serie y de 40 Hz para la conexión en paralelo. o Resistencia óptima de 5Kohms para ambas conexiones con un voltaje de 14V en paralelo y 5.5V en serie. 42 Continuación…… Con los valores obtenidos anteriormente se logro: • El encendido de un diodo emisor de luz (LED) • Carga de un Supercapacitor en 10 min • Cargar una batería de 1/3 de AAA o Individual con 1.42V en 15 min. o En serie con 2.12 V en 15 min. o En paralelo 1.37V en 15 min. • Encendido de un mp3 con 1.9V 43 44 45 46 Gracias……. 47