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.