Universidad Autnoma de Ciudad JurezInstituto de Ingeniera y Tecnologa
Energa Elctrica Producida por Dispositivos PiezoelctricosDEPARTAMENTO DE ELCTRICA Y COMPUTACIN
Carolina Nohem Salgado Castro Alejandra Lugo Rangel
Asesor: Dr. Roberto C. Ambrosio1
Contenido Introduccino o o o Motivacin Aplicaciones Objetivo Marco Teorico
Desarrolloo Modelo mecnico o Modelo elctrico o Diagrama rectificador
Resultados Conclusiones2
Contenido Introduccino Motivacin o Aplicaciones o Objetivo
Desarrolloo Modelo mecnico o Modelo elctrico o Esquema rectificador
Resultados Conclusiones3
Motivacin
Dispositivos de datos inalmbricos, pequeos, de bajo consumo de potencia y de bajo costo se estn desarrollando cada vez mas un el mundo. El desecho de las bateras comunes contaminantes4
Energas Cosechadoras Elica (viento) Hidrulica (agua) Solar ( luz solar) Vibratoria (movimiento)
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Materiales Piezoelctricos
Materiales piezoelctricos naturales: Cuarzo Turmalina Sal de rochelle.
Materiales piezoelctricos fabricados artificialmente: PZT ZnO PVDF
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Cosechamiento en un humanoEnerga en una paso: Laminas de metal unidas a un piezoelctrico PVDF semiflexible bajo el taln. En el movimiento del taln 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
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Piso generador de Energa
La produccin de electricidad alcanza un mximo de 10,000 watts por segundo al da.
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 Introduccino Motivacin o Aplicaciones o Objetivo
Desarrolloo Modelo mecnico o Modelo elctrico o Esquema rectificador
Resultados Conclusiones9
Aplicaciones
-Pastillas electrnicas Actuadores: Bocinas Impresoras de inyeccin de tinta -Bats inteligentes -Controles de activacin en helicpteros10
Sensores: Ultrasonido Acelermetros Micrfonos
ContenidoIntroduccinMotivacin Aplicaciones Objetivo
DesarrolloModelo mecnico Modelo elctrico Esquema rectificador
Resultados Conclusiones11
Objetivo Implementacin de un circuito de acondicionamiento de seal para cosechadores de energa basados en generadores piezoelctricos. Objetivos particulares: o Estudio y caracterizacin de generadores piezoelctricos. o Diseo e implementacin del circuito acondicionador para los generadores.12
ContenidoIntroduccinMotivacin Aplicaciones Objetivo Marco terico
DesarrolloModelo mecnico Modelo elctrico Esquema rectificador
Resultados Conclusiones13
Piezoelectricidad
a) Efecto piezoelctrico Directo (sensor)
b) Efecto piezoelctrico Inverso (actuador)14
Efecto piezoelctrico
Dominio de dipolos elctricos1) Cermico sin polarizar 2) Durante la polarizacin 3) Despus de la polarizacin Unidad de celda del PZT (PbZrTiO3) 1) Celda en su estado simtrico por arriba de la temperatura de Curie 2) Celda no centro-simtrica por debajo de la temperatura de Curie15
Direccin de PolarizacinD=dT+ET1 = tensin normal en la direccin X, T2 = tensin normal en la direccin Y, T3 = tensin normal en la direccin Z.T= F/A
d = coeficiente piezoelctrico D = desplazamiento elctrico = constante dielctrica E = campo elctrico
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Piezoelctrico (Bender Cantilever)
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Conexin en serie y paralelo PZT
Serie: Capacitancia baja - Corriente baja - Voltaje alto
Paralelo: Capacitancia alta - Corriente alta - Voltaje bajo
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Diseo de sensor de fuerza
1, max
Mt (2 I )
Flt viga 2 I viga V E3t piezo D3t piezo Flt vigat piezo 2 I viga
D3 d31
1,max
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FASE I Transferencia de la energa mecnicaEnerga de excitacin del medio ambiente
FASE II Transformacin de la energa mecnica a elctrica
FASE III Transferencia de la energa elctrica
Energa de vibracin mecnica
Energa elctrica generada
Energa elctrica de salida
Perdida de la energa mecnica
Perdida durante la transduccin de la energa mecnica a elctrica
Perdida de la energa elctrica
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Contenido Introduccino Motivacin o Aplicaciones o Objetivo
Desarrolloo Modelo mecnico o Modelo elctrico o Esquema rectificador
Resultados Conclusiones21
FASE I Modelo mecnico
Desarrollo
Base de vibracin
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Contenido Introduccino Motivacin o Aplicaciones o Objetivo
Desarrolloo Modelo mecnico o Modelo elctrico o Esquema rectificador
Resultados Conclusiones23
FASE II
Modelo elctrico inicial
Ideal
Actual
4
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Contenido Introduccino Motivacin o Aplicaciones o Objetivo
Desarrolloo Modelo mecnico o Modelo elctrico o Diagrama rectificador
Resultados Conclusiones25
FASE II
Diagrama de bloques de un Rectificador con filtro
PSI-5A4E
DIODO 1N5820 1N4001
LM7805
LED BATERA MP3
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Contenido Introduccino Motivacin o Aplicaciones o Objetivo
Desarrolloo Modelo mecnico o Modelo elctrico o Esquema rectificador
Resultados Conclusiones27
Instrumentacin y metodologaModelo PSI-5A4E Elemento piezoelctrico conexin en serie y paralelo
(a) Dimensiones (63mm x 31.8mm x .51mm)
(b) Serie T220-A4-503X
(c) Paralelo T220-A4-503Y
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Tablilla para la conexin de las entradas del piezocermico
Generador piezoelctrico montado viga voladizo (Cantilever)Empotrado
Piezo
Viga
Masa
Shaker29
Instrumentos de medicinOsciloscopio Generador de funciones
Amplificador
Circuito acondicionador de energa
Piezoelctrico
Shaker
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Resultados de la caracterizacin de la viga realizada en voladizo
(a) Viga en voladizo con una masa de 25g
(b) Salida de Voltaje del generador
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(a) Salida con 2 imanes de 25g
No fracturado
(b) Salida con 2 imanes y una tuerca 55g
Fracturado32
Simulacin MathLabSimulado
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FASE III
Presentacin en protoboard y su salida de voltaje durante la oscilacin
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Resultados experimentalesVoltaje vs RL Potencia vs RL
35
Resultados cargando bateras en serie y FASE III paralelo(b)
(a)
(c)
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Simulacin y anlisis transitorio
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FASE III
Encendido de un reproductor MP3 Se carg con1.9V en 10 minutos
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Simulacin PZT en Coventor (FEA)Relacin Desplazamiento vs. Potencial100 80
60
Potencial V
40
20
0
0
10
20
30
40
50
Desplazamiento umRelacin Reaccin vs Desplazamiento
Capas del piezoReaccin en el punto fijo uN
3.5x10
5
3.0x10
5
2.5x10
5
2.0x10
5
1.5x10
5
1.0x10
5
5.0x10
4
0.0
0
10
20
30
40
50
Desplazamiento um
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Simulacin Coventor Desplazamiento vs TensinRelacin Desplazamiento vs Mises Stress
Mises Stress
Con un desplazamiento de 5m hasta 50m se obtienen las siguientes graficas de resultados.
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
10
20
30
40
50
Desplazamiento um
40
Contenido Introduccino Motivacin o Aplicaciones o Objetivo
Desarrolloo Modelo mecnico o Modelo elctrico o Esquema rectificador
Resultados Conclusiones41
Conclusiones Realizacin de anlisis y estudio de las propiedades de generador piezoelctrico. Con esto se obtuvieron: o Frecuencias ptimas de 10Hz para el elemento en serie y de 40 Hz para la conexin en paralelo. o Resistencia ptima de 5Kohms para ambas conexiones con un voltaje de 14V en paralelo y 5.5V en serie.
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ContinuacinCon los valores obtenidos anteriormente se logro: El encendido de un diodo emisor de luz (LED) Carga de un Supercapacitor en 10 min Cargar una batera de 1/3 de AAAo 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 1.9V43
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Gracias.
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