Universidad de Santiago de ChileFacultad de ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica Construcción de una baldosa piezoeléctrica para uso doméstico Nombre: Arian Romo Manríquez. Profesor guía: Francisco Watkins y la continua disminución de los glaciares continentales. tanto en los casquetes árticos como antárticos. De todo esto surge el planteamiento de recurrir a otras formas de obtención energética. todo con tal de satisfacer la urgente demanda de algo básico hoy en día como es la electricidad. hidráulica y energía oceánica entre otras. huracanes e inundaciones. correr. creándose un campo eléctrico y a su vez una diferencia de potencial. desencadenan enfrentamientos bélicos para obtener el dominio de la ya escasa cantidad que queda de ellos. El principio de la energía piezoeléctrica es simple. y la necesidad de generar ésta misma ha llevado a la explotación de recursos no renovables como el carbón. La acumulación de gases de efecto invernadero trae consigo nefastas consecuencias. o más bien hacerla más amena y cómoda. una infinidad de aplicaciones. El incremento de la temperatura global que conlleva la disminución de los hielos. De esta manera se puede generar energía eléctrica de algo tan común como lo es caminar por la calle. como una fuente de generación eléctrica bastante competente. que el daño al planeta sea prácticamente nulo al igual que la intervención en el ecosistema. al ser sometidos determinados cristales a tensiones mecánicas (presión) adquiere una polarización eléctrica en su masa. a nivel mundial. Esto ha sido muy productivo para las persona. Más aún. saltar. tal explotación de estos recursos no renovables. el gas y el petróleo como fuentes de energía. solar.1) Origen y necesidades del tema Desde hace más de 300 años que el humano ha querido controlar la electricidad para nuestro uso y conveniencia. se experimentan bruscos cambios climáticos e incrementos de sequías. aún en lugares donde no se registraban estos fenómenos. en las carreteras producto del tránsito de automóviles. que cumpla con las mismas demandas de los recursos ya antes mencionados y que sean más económicos y por sobre todo inagotables. La energía piezoeléctrica surge como una alternativa. A su vez. la cual es la gran contaminación ambiental que afecta día a día nuestro planeta. en fin. llevando a cabo su propósito de facilitarnos la vida. pero esto también trae consigo una gran problemática. movimiento de las olas. . He aquí la necesidad de las energías renovables tales como la eólica. aún se encuentra en proceso de testeo y pruebas preliminares. Debido a esto. . Japón e Israel.2) Descripción del problema Los avances y mejoras en la tecnología piezoeléctrica aún se encuentran siendo testeados en países como Estados Unidos. en Chile aún no se ha estudiado e incorporado esta tecnología en el ámbito de generación de electricidad. entre otros. por ende es algo costoso adquirir estos avances.Es por esto que se necesitan estudios de referencia para proyectos futuros. pese a que su implementación está disponible en artefactos de uso cotidiano. Debido a que es una tecnología bastante nueva. especificando 20 clases de cristales naturales en los que se presenta el efecto piezoeléctrico y se definieron los 18 coeficientes piezoeléctricos.3) Revisión del estado del arte El material piezoeléctrico es bastante común encontrarlo en artefactos del hogar. micrófonos. en el periodo de la Segunda Guerra Mundial y después de ella. así con este desarrollo inicial entre 1920 y 1940 se dio paso al desarrollo de otras tecnologías. En esta primera etapa los hermanos Curie describieron que este efecto era producto de ligeras asimetrías en la estructura atómica de los cristales. pantallas táctiles. se acrecentaron las investigaciones en forma secreta. donde se desarrolló un sonar a partir de finos cristales de cuarzo. actuadores. sin embargo no se fomentaron las tecnologías en función de los materiales disponibles. documento que describe la piezoelectricidad hasta esos entonces. y de ahí hasta hoy en día la cantidad de investigación en muchas partes del mundo ha aumentado. El principal cambio de esta época radica en el comienzo del desarrollo de materiales piezoeléctricos. Pero realmente se hizo uso de este fenómeno. etc).En 1910 Voigt publicó "Lerbuch der Kristallphysik". sino que se progresó en función de las necesidades. cuarzo y azúcar de caña entre otros) los que eran sometidos a esfuerzos mecánicos. transductores ultrasónicos. Esta propiedad se dedujo matemáticamente a partir de los principios fundamentales de la termodinámica por Lippmann en el año 1881. pantallas táctiles. en plena Primera Guerra Mundial (1917). nuevos procesos y nuevas tecnologías fue mucho mayor que en el resto del mundo. y se sigue buscando un mejor elemento piezoeléctrico[1]. Entre 1965 y 1980 en Japón el desarrollo de nuevos conocimientos. En este periodo de guerra. . sin embargo no cuestionaron el efecto contrario. Después de 1980 el mundo vio como en Japón había acrecentado un mercado y tecnología para los materiales piezoeléctricos. Ellos midieron cargas en la superficie de cristales (turmalina. este se deforma. como por ejemplo en chisperos. Estados Unidos y la Unión Soviética. topacio. Los primeros hallazgos relacionados con el efecto piezoeléctrico fueron publicados en 1880 por los hermanos Pierre y Jacques Curie. entre otros. En los próximos 25 años se continuó con la investigación de este fenómeno. donde se podría decir que las tecnologías piezoeléctricas estaban en receso. donde al aplicar una carga eléctrica al cristal. En este período es donde se crearon los materiales piezoeléctricos más comunes que se usan hoy en día. entre las que se encuentran casi todas las aplicaciones del efecto piezoeléctrico que vemos hoy en día (acelerómetros. Entre 1940 y 1965 se produjo una evolución por separado en países como Japón. filtros de señales. de autobús. obtienen energía de las pisadas de sus 1. La East JapanRailwayCompany [3]. colocadas en la SimonLangtonGrammarSchool para chicos. de metro. colegios y centros comerciales. Este tipo de baldosas. En Reino Unido y Europa se han llevado a cabo 30 proyectos de Pavegen(*). Igualmente. fabricadas con material piezoeléctrico. Desde hace un par de años cuatro de estas baldosas. como estaciones de tren. han sido de utilidad en festivales de música para cargar teléfonos móviles y encender luces de tecnología LED. Esta idea se concretó y hoy PavegenSystem fabrica estascerámicas. un londinense de 26 años tuvo la idea de diseñar baldosas que recogen energía de las pisadas. pueden generar unos 20 [kWh] dependiendo del tránsito. convirtiendo la energía cinética de la pisada en unos 5 o 7 [W] dependiendo de la deformación producida. Figura 1: Baldosas generadoras de energía. también puede ser almacenada en las baterías instaladas en el propio elemento. las que miden 45 x 60 [cm]. en el 2009 instalo un pavimento piezoeléctrico para la generación de energía eléctrica en el paso de torniquetes y puertas de entrada en dos .100 estudiantes para mantener la iluminación del pasillo. Están pensadas para zonas en las que se concentra mucha gente. señalización. tanto permanentes como temporales. 100% caucho reciclado y hormigón polímero. cuando se pisan se produce una flexión en su superficie de unos 5 [mm].En el 2009Laurence Kemball-Cook[2]. cerca de Canterbury.zonasWi-Fi y anuncios digitales o publicidad. de esta forma la energía generada puede ser utilizada para aplicaciones de baja potencia no conectadas a la red eléctrica como instalaciones de iluminación LED. aeropuertos. en carreteras y caminos peatonales donde el tráfico que normalmente se disipa en forma de calor residual y la convierte en electricidad. que emplea la energía mecánica impartida por ferrocarriles. Japon. El Instituto de investigación Technion y posteriormente la empresa Innowatech [4].estaciones de metro en Tokio. desarrollan la tecnología de fabricación de pavimentos que convierte la energía cinética pérdida de pisada humana en electricidad renovable. . (*) Pavegen es una empresa de innovación ubicada en Londres. ha desarrollado generadores piezoeléctricos patentados. estacón de metro en Tokio. La superficie total utilizada abarca aproximadamente 25 [m2]y se estima que genera 1400 kW por día. Figura 2: Pavimento piezoeléctrico instalado en torniquetes. El sistema es especialmente adecuado para el suministro de energía eléctrica para las necesidades específicas de los sitios remotos que están lejos de la red eléctrica. al mismo tiempo permite el suministro de la energía eléctrica necesaria para hacer funcionar el sistema de monitoreo y comunicarlo al órgano competente. han sido desarrollados para ser utilizados en lugares con un gran número de peatones. Además permiten el pesaje preciso de cualquier automóvil y a cualquier velocidad. Los azulejos peatonales. los que crearon estos dispositivos. metro. para aprovechar la energía cinética del paso de los vehículos.Figura 3: Tipos de generadores piezoeléctricos. El material puede extenderse por todo tipo de superficies de tránsito con un grosor muy fino. La empresa Innowattech como se menciona anteriormente. centros comerciales. . Las almohadillas van localizadas bajo maquinaria. como lo son las principales estaciones de transporte público. tren. este producto ha sido desarrollado para su uso en fábricas que utilizan maquinaria pesada de prensa y aprovecha la energía de los movimientos vibratorios para convertirla en electricidad. basado en cristales piezoeléctricos. entre otros. Los generadores piezoeléctricos se diseñaron en Israel. Sus responsables calculan que puede generar unos 400 [kW] por kilómetro.también dispone de almohadillas y azulejos peatonales. por ejemplo. por ingenieros del centro tecnológico Innowattech. autobús. que va desde el polo positivo al polo negativo[5]. Coeficiente piezoeléctrico de carga (d) La constante d piezoeléctrica es una relación de la carga eléctricagenerada por unidad de área a una fuerza aplicada. indicada en la Figura 4 por el vector P. El primer subíndice da la dirección delcampo eléctrico asociado al voltaje aplicado. Coeficientes Piezoeléctricos Como se dijo anteriormente hay ciertos coeficientes quedeterminan las propiedades físicas y eléctricas de los materialespiezoeléctricos. Acá el eje 3 siempre se elegirá paralelo al sentido de la polarización. De acuerdo a esta polarización es que se identifican tres direcciones análogas a los ejes de coordenadas cartesianas XYZ. expresado a través de la siguiente relación: . Figura 4.COEFICIENTES PIEZOELECTRICOS Cuando se diseña un material piezoeléctrico. éste debe ser polarizado para que obtenga sus propiedades piezoeléctricas.Los coeficientes piezoeléctricos con dos subíndices unencantidades mecánicas y eléctricas. Mientras que el segundo subíndice da la dirección del stressmecánico o la tensión. la carga o voltajeproducido. pero la fuerza se aplica en unadirección ortogonal al sentido de la polarización (Figura 6). Figura 6. Coeficiente piezoeléctrico de voltaje (g) El coeficiente g es la relación del campo eléctrico producido a latensión mecánica aplicada y se expresa: . Por ejemplo.d ik = Coulomb /metro 2 Coulomb = (1) Newton Newton/metro 2 O bien: d ik = metro/metro metro = (2) volt /metro volt Figura 5. el coeficiente d33 se usa cuando la fuerza se aplica enla misma dirección en que se colecta la carga y paralelo al sentido de lapolarización (Figura 5) y el coeficiente d 31 se usa cuando la carga secolecta en la misma cara anterior. Factor de pérdida dieléctrica Es una medida de la pérdida dieléctrica del material. Factor de calidad mecánica (Q) El factor Q es un número que no tiene dimensiones y que da lacalidad de una cerámica como un oscilador armónico. . Se definecomo la tangente del ángulo de pérdida. También esigual a la mitad de la velocidad del sonido en la misma dirección. Constantes de frecuencia (N) La constante de frecuencia N es el producto de la frecuencia deresonanciay la dimensión lineal que gobierna la resonancia.gik = Volt /metro Volt∗metro = (3) 2 Newton Newton/metros O bien: gik = metro/ metro metro 2 = (4) coulomb/metro 2 coulomb Constante dieléctrica La constante dieléctrica relativa se define como la relación entre lapermitividad del material y la permitividad de espacio vacío. es un índice de la efectividad de un material piezoeléctrico paraconvertir energía mecánica en energía eléctrica.Coeficiente de acoplamiento piezoeléctrico Este coeficiente es definido como la proporción de la energíamecánicaacumulada en respuesta a una entrada eléctrica o viceversa. Tasa de envejecimiento La tasa de envejecimiento de un material piezoeléctrico cerámicoes un índice del cambio de ciertos parámetros del material a lo largo deltiempo.Es decir. k= √ energ í amec á nicaacumulada (5) energ í ael é ctricaaplicada k= √ energ í ael é ctricaacumulada (6) energí amec á nicaaplicada Módulo de Young El módulo de elasticidad o módulo de Young es un parámetro quecaracteriza el comportamiento de un material elástico. y viceversa. . según ladirección en la que se aplica una fuerza. Planteamiento para la construcción de la baldosa piezoeléctrica. etcétera). . costos.4) Formulación de objetivos Objetivos Generales: Construcción e implementación doméstica de una baldosa piezoeléctrica Objetivos específicos: Estudio general de una baldosa piezoeléctrica para su construcción (materiales. cantidad. Construcción y ensayo de la baldosa. Boceto y planificación de la baldosa. y la idea de la energía renovable es algo que a mi parecer. 6) Aporte personal: Desde siempre he tenido la intención de usar mis conocimientos para el bien común. Y además las carreteras siempre están siendo recorridas. dividiré este trabajo netamente en 2 etapas: investigación y construcción. es una urgencia.E. . peatonal en el caso de la región Metropolitana y de las ciudades grandes de Chile como Antofagasta y Concepción por ejemplo. análisis y cálculos sobre este tipo de tecnología. vale decir. para luego hacer las pruebas de rigor. El siguiente será ya de materializar lo ya investigado y calculado. La primera será de investigación.U. Se le suma a que nuestro país consta de un gran flujo de persona. E.U.5) Desarrollo y alcance de trabajo de titulación Para llevar a cabo este proyecto. eIsrael donde la utilización de este beneficio tiene mucho potencial. sobretodo en días festivos. aunque hay países como Japón. La aplicación de este método como recurso energético es bastante joven. donde las carreteras se infestan de vehículos. Ventajas y desventajas 3.7) Temario tentativo 1. Energía Piezoeléctrica 2.4.2. Introducción General del Tema 1. Referencias 7. Conclusión 6.1.1.5.4.1.html . Objetivo General 1. Ensayo de resistencia mecánica 4. Tecnologías implementadas 2.2. Marco teórico 3. Análisis de los datos 5.com/tech4history. Definición de conceptos 1. ¿Qué es la energía piezoeléctrica? 2.3.1. Opinión personal 4. Descripción del problema 1.2. Planificación para la construcción 3. La Baldosa Piezoeléctrica 3.2.3.3. Especificaciones técnicas 3. Análisis de datos 4.3. Objetivos Específicos 2. Antecedentes 1. Agradecimientos 8) Bibliografía [1] Historia Piezoelectricidad: http://www. Corrección de errores 4. Medición eléctrica 4.4.piezo. ” IEEE Pans.. Acoust.. New York.americanpiezo.es/mundosostenible/2013/01/08/la-energia-piezoelectricaaplicada-a-suelos-generadores-de-energia/ [4] Innowattech: http://innowattech.nebrija.. SEPTEMBER 1981 [11] “Elastic. . Jaffe H.nationalgeographic.com/knowledgecenter/piezo-theory/piezoelectric-constants. London. H. vol. Cook W. May 2009. SU-22. MAERFELD. Vol. Am. A. “Multilayer impedance matching schemes for broadbanding of water loaded piezoelectric transducers and high Q electric resonators. "HARNESSING NATURE’S TIMEKEEPER: A HISTORY OF THE PIEZOELECTRIC QUARTZ CRYSTAL TECHNOLOGICAL COMMUNITY (1880-1959)". Soc. 1966. SU-28. Son. 20-30. VOL. NO. [12] Christopher Shawn McGahey.. MICHEL LAGIER. Georgia Institute of Technology.il/index. [9] Miguel Cupich “Actuadores piezoeléctricos”. vol.”I EEE Trans.5.Ultrason. Jan. 1975. “Computation of the vibrational modes for piezoelectric array Transducers using a Mixed Finite Element-Perturbation Method”.pavegen. Mar.1971.html [6] Pavegen: http://www. 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May 1956.com/about [7] G. 347-350. pp.es/noticias/medio-ambiente/energia/baldosasenergia-pisadas [3] Construyendo un mundo sostenible: http://blogs. 9) Carta Gantt N° 1 Tareas Estudio de conceptos Número de semanas Duraci 1 1 1 1 1 1 1 1 ón 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 1 . 2 3 4 5 6 Cálculos eléctricos y mecánicas Planificación de la baldosa Construcción de la baldosa Ensayo y corrección de errores Escritura de la memoria 4 3 4 3 2 .
Report "Propuesta Tesis Arian (Baldosa Piezoeléctrica)"