generadores piezoelectricos
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IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS GENERADORES DE ELECTRICIDAD DE ALTA
POTENCIA BASADOS EN TECNOLOGIAS PIEZOELECTRICAS
Maria Camila Reyes
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Ingeniería Eléctrica
Diego Felipe Mejia Ruiz
Código: 20092005072
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Ingeniería Electrónica
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Existe una marcada tendencia hacia la producción y descubrimiento de nuevas
formas de obtener energía eléctrica como solución a nuestro desenfrenado uso de
recursos naturales, que como es bien sabido, no son renovables. La miniaturización de
la electrónica así como el desarrollo de nuevos materiales ha permitido hacer un uso
mas eficiente de la energía y ahora encontramos multitud de aparatos de tamaño
reducido con grandes capacidades, otros con aplicaciones tan importantes que van
desde los implantes biomédicos hasta grandes plantas de generación basados en el
aprovechamiento máximo de los recursos, pero aún no tenemos tecnologías que sean
realmente autosuficientes, seguimos dependiendo casi obligatoriamente de
combustibles fósiles, pilas, inclusive grandes construcciones como las represas que
pueden representar peligros ambientales o las plantas nucleares con el mismo
inconveniente.
En la actualidad nuestra sociedad es muy dependiente de la electricidad y con ella de
la electrónica, las fuentes de alimentación son en muchos casos la parte más
voluminosa de estos equipos y la forma de obtención de energía eléctrica no deja de
ser el mayor problema. El reducir los tamaños viene de un requerimiento muy común y
es que estas fuentes deben ser lo mas eficientes posible, también autosuficientes
como ya se dijo, refiriéndonos a que sean fuentes totalmente independientes que
puedan ser utilizadas virtualmente en cualquier lugar y en cualquier momento, con la
salvedad de un costo proporcional a los beneficios que representa. En esencia la
descentralización de las fuentes de energía elimina las limitaciones impuestas por
ejemplo del uso de tendido eléctrico, que dependiendo de la geografía del terreno o las
necesidades de potencia pueden ser difíciles de implementar o inclusive inviables
dejando muchas poblaciones marginadas, si bien ya existen alternativas como la
energía eólica o el uso de paneles solares, es claro que estas fuentes no entregan una
potencia constante, dependen de las variables del clima y esto es un serio problema
cuando se tienen ambientes extremos, adicionalmente son equipos costosos y no es
posible implementarlos en todos los sitios donde se requieren; en consecuencia
seguimos siendo muy dependientes de los métodos tradicionales para generar
grandes cantidades de energía eléctrica.
Existe una tecnología poco implementada pero a la cual se le está dando cada vez
mas protagonismo para la obtención de grandes cantidades de energía, esta es la
aplicación de cristales como fuentes de energía piezoeléctricas. Estos cristales tienen
la capacidad de generar energía eléctrica cuando son sometidos una fuerza mecánica
como un golpe o presión lo suficientemente grande como para deflectar sus
moléculas. Actualmente los cristales son utilizados como resonadores, sensores,
actuadores y otras aplicaciones pero su característica piezoeléctrica no ha sido
realmente aprovechada como fuente de energía alternativa. Su producción es
económica, su mantenimiento es casi nulo, la generación de energía no es
contaminante y debido a su eficiencia casi independiente de su tamaño, pueden ser
utilizados inclusive en implantes biomédicos como una excelente alternativa a baterías
o pilas que representan peligros para la salud de los usuarios con estos implantes.
OBJETIVOS
• Desarrollar métodos de diseño de sistemas de potencia piezoeléctricos a partir de
cristales de cuarzo o elementos similares.
• Crear una clasificación de aplicaciones basada en los tamaños y formas de cristales
para diferentes sistemas de generación de energía eléctrica.
• Desarrollar una plataforma que permita hacer uso eficiente de cristales
piezoeléctricos.
• Implementar un sistema piezoeléctrico en lugares estratégicos para la generación y
distribución de energía eléctrica óptimamente.
• Dar alcance al estudio de futuras aplicaciones piezoeléctricas en implantes
biomédicos
JUSTIFICACION
El efecto piezoeléctrico de los cristales permite aplicarlos virtualmente en cualquier
lugar donde estos se vean sometidos a fuerzas mecánicas, por más mínimas que sean
es posible aprovechar esta característica para obtener energía limpia y renovable, por
ejemplo utilizar cristales en el cuerpo humano permite utilizar el flujo de la sangre, el
movimiento de los músculos, el rozamiento de la ropa o inclusive el viento que golpea
la piel como métodos para aplicar fuerzas mecánicas sobre cristales para después
aprovechar esa energía e impulsar circuitos electrónicos como pueden ser un
marcapasos; este tipo de aplicaciones, en contraposición con proyectos de grande
envergadura como la alimentación eléctrica de los hogares o incluso la industria, se
basa en el mismo principio de funcionamiento y encuentra mínimos inconvenientes a
la hora de implementarse. La limitante real de esta tecnología es su dependencia a
ambientes donde se vean sometidos a la aplicación de fuerzas, pero visto desde otra
perspectiva se puede convertir esta limitante en una gran ventaja en términos
estéticos: Si se analiza, por ejemplo, que se van a aplicar cristales piezoeléctricos en
la construcción de carreteras, se pueden ubicar estratégicamente junto al asfalto para
sacarle provecho a cada vehículo que pase por encima de ellos, esa energía puede
ser utilizada para la alimentación de bombillas de luz, sistemas de emergencia,
cámaras o inclusive como una planta generadora para pequeñas poblaciones
cercanas a estas carreteras. La energía piezoeléctrica es una forma económica y
eficiente de obtener importantes cantidades de energía aprovechable, que no
dependen del clima, no contaminan el medio ambiente, que es portátil, no ocupan
mucho espacio y pueden ser sumamente eficientes con un buen circuito de potencia
que los respalde.
MARCO TEORICO
Energía Eléctrica
Es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales
conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y
magnético.
Potencial
El trabajo realizado por la fuerza eléctrica al desplazar una carga de prueba q0 dentro
de un campo está dado por:
[1]
De acuerdo a lo expuesto anteriormente, el incremento de la energía potencial está
dado por:
[2]
En general la diferencia de potencial entre dos puntos A y B, se define como el
cambio de energía de potencial entre esos dos puntos dividido entre la carga q0 .
La Generación Eléctrica
Se realiza, básicamente, mediante un generador; si bien estos no difieren entre sí en
cuanto a su principio de funcionamiento, varían en función a la forma en que se
accionan. Explicado de otro modo, en que fuente de energía primaria utiliza para
convertir la energía contenida en ella, en energía eléctrica
Efecto Piezoeléctrico
Es un fenómeno físico que presentan algunos cristales debido al cual, aparece una
diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre ciertas caras del cristal cuando éste se
somete a una deformación mecánica y se denomina efecto piezo-eléctrico directo.
Este efecto funciona también a la inversa: cuando se aplica un campo eléctrico a
ciertas caras de una formación cristalina, esta experimenta distorsiones mecánicas
(efecto piezo-eléctrico inverso). Pierre Curie y su hermano Jacques descubrieron este
fenómeno en el cuarzo y la sal de Rochelle en 1880 y lo denominaron 'efecto
piezoeléctrico' (del griego piezein, 'presionar').
Cuando se comprime el cristal, los átomos ionizados (cargados) presentes en la
estructura de cada celda de formación del cristal se desplazan, provocando la
polarización eléctrica de ella.
Debido a la regularidad de la estructura cristalina, y como los efectos de deformación
de la celda suceden en todas las celdas del cuerpo del cristal, estas cargas se suman
y se produce una acumulación de la carga eléctrica, produciendo una diferencia de
potencial eléctrico entre determinadas caras del cristal que puede ser de muchos
voltios.
En el caso contrario, cuando se somete a determinadas caras del cristal a un campo
eléctrico externo, los iones de cada celda son desplazados por las fuerzas
electrostáticas, produciéndose una deformación mecánica.
Dada su capacidad de convertir la deformación mecánica en voltaje eléctrico, y el
voltaje eléctrico aplicado en deformación mecánica, los cristales piezoeléctricos
encuentran un vasto campo de aplicaciones en:
1. Transductores de presión.
2. Agujas para los reproductores de discos de vinilo.
3. Micrófonos.
4. Cristales resonadores para los relojes y en osciladores electrónicos de alta
frecuencia.
5. Generadores de chispas en encendedores.
6. Otros.
Proceso De Polarización
El tratamiento para conseguir estas propiedades en un material PZT es como sigue.
En principio, tiene que ver con la alineación de los polos de los cristales componentes.
El procedimiento es necesario porque al ser inicialmente manufacturado, el material
piezoeléctrico tiene los polos de sus cristales arreglados en forma aleatoria. En estas
condiciones, tienden a anularse unos con otros, y mayormente no responden a las
características mencionadas previamente. Para que esto ocurra, los polos de los
cristales deben estar permanentemente alineados unos con otros, en un proceso de
alineamiento o polarización.
1. Una característica de los materiales piezoeléctricos es que poseen
una temperatura de Curie. Sometido el material a una temperatura mayor, los
polos de los cristales pueden cambiar de orientación estando el material dentro
de su fase sólida.
2. Existe materiales PZT duros, cuya temperatura de Curie está por encima de
300 grados C. Son difíciles de polarizar, excepto a temperaturas elevadas.
3. Los materiales PZT blandos tienen bajas temperaturas de Curie, por debajo de
los 200 grados C. Pueden ser polarizados a temperaturas ambientales con
campos eléctricos fuertes.
4. Estando el material piezoeléctrico por encima de su temperatura de Curie, se le
aplica un fuerte campo eléctrico, que obliga al alineamiento de los polos.
5. Manteniendo el campo eléctrico, se enfría el material consiguiendo que la
polarización se conserve. Se dice entonces que el material está polarizado.
Características piezoeléctricas
Una vez que el material piezoeléctrico ha sido polarizado, y es mantenido debajo de su
temperatura de Curie, cuando se le aplica un pequeño campo eléctrico (inferior al de la
polarización), se produce una expansiónmacroscópico en el eje de los polos, y la
correspondiente contracción en el sentido transversal.
Para calcular esta expansión y contracción, es necesario conocer el módulo
piezoeléctrico dij, donde i es la dirección del campo eléctrico y j la dirección de la
resultante deformación. Para un material piezoeléctrico típico, estos son los valores
para el módulo piezoeléctrico, en m/V.
Tipo de material piezoeléctrico d33 d31
PZT duro 225 x 10-12 -100 x 10-12
PZT suave 600 x 10-12 -275 x 10-12
De esta manera, en referencia a la figura adjunta de un cubo, y tomando en cuenta la
dimensión t que ahí se indica, las deformaciones resultan:
e33 = d33 (V/t)
e11 = d31 (V/t)
Cuarzo
El cuarzo es el mineral que más vemos en la Tierra, el más común de la corteza
terrestre que se destaca sobre todo por su dureza y belleza. El famoso cuarzo cristal
de roca, blanco, lechoso, el café, el citrino, la amatista, los cuarzos rosados, azules
verdes y muchas otras piedras similares son variedades del cuarzo.
Se supone que el cuarzo eleva la frecuencia de la vibración en el lugar donde está,
absorbe, almacena, libera, desbloquea y regula la energía. Lleva la energía al estado
más elevado, actuando en todos los niveles del Ser.
Cristal Cuarzo
Tiene muchos usos dentro de la Metafísica, pero requiere algunos cuidados, sobre
todo limpiarlo bien y tratarlo con respeto, como se deben tratar todos los objetos de la
naturaleza, máxime un cristal natural que tiene millones de años en su gestación.
Ingeniería Biomédica
Es la integración de los principios de la ingeniería con la medicina, física, química,
biología y matemáticas, para crear soluciones a problemas médicos y biológicos. Los
Ingenieros Biomédicos son quienes diseñan y desarrollan innovaciones en materiales,
procesos, dispositivos y tecnologías informáticas para prevenir, diagnosticar y tratar
enfermedades, rehabilitar pacientes y mejorar la salud y los sistemas de salud en
general.
METODOLOGÍA
El objetivo principal del proyecto es la implementación de un sistema de generación
basado en el efecto piezoeléctrico, se propone la siguiente metodología basada en
etapas para conseguir un prototipo funcional:
• Recopilación bibliográfica de documentos, estudios, cálculos, estado del arte y
demás información relacionada con el aprovechamiento de energía piezoeléctrica.
• Caracterización de los diferentes tipos de cristales con capacidades piezoeléctricas,
así como sus características físicas y mecánicas.
• Estudio a fondo de las formas de obtención de la energía generada por los cristales,
para esta etapa se generarán modelos matemáticos y análisis espectrales del
comportamiento de los piezoelectricos que permitan ver el alcance y las limitaciones
de esta tecnología en aplicaciones biomédicas y de mediana tensión.
• Diseño de la etapa electrónica para el tratamiento de la energía generada, para su
producción, almacenamiento y posterior uso o distribución.
• Estudio y diseño de una plataforma para el sostenimiento de los cristales, para
hacer uso de ellos y protegerlos.
• Desarrollo y construcción de un prototipo funcional a mediana tensión basado en los
diseños mecánicos y de potencia, basado en los resultados pueden hacerse
conclusiones sobre la aplicación de este tipo de generadores en aplicaciones
biomedicas.
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