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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.
Andres Felipe Barrera Cuestas.
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.
Andres Felipe Barrera Cuestas.
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
Sensor de vibración piezoelectrico
LTDM-028K $ 11.000 25 mm x 13 mm
Sensor de vibración piezoelectrico
LTDC-V $ 12.300 17,8 mm x 6 mm
Sensor de vibración piezoelectrico
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)
Sensor de vibración piezoelectrico
LTD-028K $ 11.250 25 mm x 13 mm
Sensor de vibración piezoelectrico
LTDM-028K $ 12.100 25 mm x 13 mm
Sensor de vibración piezoelectrico
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.
Fuente: Elaboración propia.
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).
Fuente: Elaboración propia.
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.
En la Tabla 3 se puede encontrar registrados los valores de tensión alcanzados a las distintas
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).
Fuente: Elaboración propia.
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).
Fuente: Elaboración propia.
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.
En la Tabla 5 se puede encontrar registrados los valores de tensión alcanzados a las distintas
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).
Fuente: Elaboración propia.
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
En la Tabla 6 se puede encontrar registrados los valores de tensión alcanzados a las distintas
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).
Fuente: Elaboración propia.
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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