Universidad de Santiago de ChileFacultad de ingenieríaDepartamento de Ingeniería Eléctrica

Construcción de una baldosa piezoeléctrica para uso doméstico

Nombre: Arian Romo Manríquez.

Profesor guía: Francisco Watkins

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, y la necesidad de generar ésta misma ha llevado a la explotación de recursos no renovables como el carbón, el gas y el petróleo como fuentes de energía, todo con tal de satisfacer la urgente demanda de algo básico hoy en día como es la electricidad.

Esto ha sido muy productivo para las persona, llevando a cabo su propósito de facilitarnos la vida, o más bien hacerla más amena y cómoda, pero esto también trae consigo una gran problemática, la cual es la gran contaminación ambiental que afecta día a día nuestro planeta.

La acumulación de gases de efecto invernadero trae consigo nefastas consecuencias. El incremento de la temperatura global que conlleva la disminución de los hielos, tanto en los casquetes árticos como antárticos, y la continua disminución de los glaciares continentales. A su vez, se experimentan bruscos cambios climáticos e incrementos de sequías, huracanes e inundaciones, aún en lugares donde no se registraban estos fenómenos.

Más aún, tal explotación de estos recursos no renovables, desencadenan enfrentamientos bélicos para obtener el dominio de la ya escasa cantidad que queda de ellos.

De todo esto surge el planteamiento de recurrir a otras formas de obtención energética, que el daño al planeta sea prácticamente nulo al igual que la intervención en el ecosistema, que cumpla con las mismas demandas de los recursos ya antes mencionados y que sean más económicos y por sobre todo inagotables. He aquí la necesidad de las energías renovables tales como la eólica, solar, hidráulica y energía oceánica entre otras.

La energía piezoeléctrica surge como una alternativa, a nivel mundial, como una fuente de generación eléctrica bastante competente. El principio de la energía piezoeléctrica es simple, al ser sometidos determinados cristales a tensiones mecánicas (presión) adquiere una polarización eléctrica en su masa, creándose un campo eléctrico y a su vez una diferencia de potencial.

De esta manera se puede generar energía eléctrica de algo tan común como lo es caminar por la calle, saltar, correr, en las carreteras producto del tránsito de automóviles, movimiento de las olas, en fin, una infinidad de aplicaciones.

2) Descripción del problema

Los avances y mejoras en la tecnología piezoeléctrica aún se encuentran siendo testeados en países como Estados Unidos, Japón e Israel, entre otros. Debido a esto, en Chile aún no se ha estudiado e incorporado esta tecnología en el ámbito de generación de electricidad, pese a que su implementación está disponible en artefactos de uso cotidiano.Es por esto que se necesitan estudios de referencia para proyectos futuros.

Debido a que es una tecnología bastante nueva, aún se encuentra en proceso de testeo y pruebas preliminares, por ende es algo costoso adquirir estos avances.

3) Revisión del estado del arte

El material piezoeléctrico es bastante común encontrarlo en artefactos del hogar, como por ejemplo en chisperos, micrófonos, pantallas táctiles, entre otros.

Los primeros hallazgos relacionados con el efecto piezoeléctrico fueron publicados en 1880 por los hermanos Pierre y Jacques Curie. Ellos midieron cargas en la superficie de cristales (turmalina, topacio, cuarzo y azúcar de caña entre otros) los que eran sometidos a esfuerzos mecánicos.

En esta primera etapa los hermanos Curie describieron que este efecto era producto de ligeras asimetrías en la estructura atómica de los cristales, sin embargo no cuestionaron el efecto contrario, donde al aplicar una carga eléctrica al cristal, este se deforma. Esta propiedad se dedujo matemáticamente a partir de los principios fundamentales de la termodinámica por Lippmann en el año 1881.

En los próximos 25 años se continuó con la investigación de este fenómeno, especificando 20 clases de cristales naturales en los que se presenta el efecto piezoeléctrico y se definieron los 18 coeficientes piezoeléctricos.En 1910 Voigt publicó "Lerbuch der Kristallphysik", documento que describe la piezoelectricidad hasta esos entonces. Pero realmente se hizo uso de este fenómeno, en plena Primera Guerra Mundial (1917), donde se desarrolló un sonar a partir de finos cristales de cuarzo, así con este desarrollo inicial entre 1920 y 1940 se dio paso al desarrollo de otras tecnologías, entre las que se encuentran casi todas las aplicaciones del efecto piezoeléctrico que vemos hoy en día (acelerómetros, transductores ultrasónicos, actuadores, filtros de señales, pantallas táctiles, etc).

Entre 1940 y 1965 se produjo una evolución por separado en países como Japón, Estados Unidos y la Unión Soviética, en el periodo de la Segunda Guerra Mundial y después de ella. El principal cambio de esta época radica en el comienzo del desarrollo de materiales piezoeléctricos, sin embargo no se fomentaron las tecnologías en función de los materiales disponibles, sino que se progresó en función de las necesidades. En este periodo de guerra, se acrecentaron las investigaciones en forma secreta.

Entre 1965 y 1980 en Japón el desarrollo de nuevos conocimientos, nuevos procesos y nuevas tecnologías fue mucho mayor que en el resto del mundo, donde se podría decir que las tecnologías piezoeléctricas estaban en receso. En este período es donde se crearon los materiales piezoeléctricos más comunes que se usan hoy en día. Después de 1980 el mundo vio como en Japón había acrecentado un mercado y tecnología para los materiales piezoeléctricos, y de ahí hasta hoy en día la cantidad de investigación en muchas partes del mundo ha aumentado, y se sigue buscando un mejor elemento piezoeléctrico[1].

En el 2009Laurence Kemball-Cook[2], un londinense de 26 años tuvo la idea de diseñar baldosas que recogen energía de las pisadas. Esta idea se concretó y hoy PavegenSystem fabrica estascerámicas, las que miden 45 x 60 [cm], cuando se pisan se produce una flexión en su superficie de unos 5 [mm], convirtiendo la energía cinética de la pisada en unos 5 o 7 [W] dependiendo de la deformación producida. Este tipo de baldosas, fabricadas con material piezoeléctrico, 100% caucho reciclado y hormigón polímero, pueden generar unos 20 [kWh] dependiendo del tránsito. Están pensadas para zonas en las que se concentra mucha gente, como estaciones de tren, de metro, de autobús, aeropuertos, colegios y centros comerciales, 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, señalización,zonasWi-Fi y anuncios digitales o publicidad, también puede ser almacenada en las baterías instaladas en el propio elemento.

Figura 1: Baldosas generadoras de energía.

En Reino Unido y Europa se han llevado a cabo 30 proyectos de Pavegen(*), tanto permanentes como temporales. Desde hace un par de años cuatro de estas baldosas, colocadas en la SimonLangtonGrammarSchool para chicos, cerca de Canterbury, obtienen energía de las pisadas de sus 1.100 estudiantes para mantener la iluminación del pasillo. Igualmente, han sido de utilidad en festivales de música para cargar teléfonos móviles y encender luces de tecnología LED.

La East JapanRailwayCompany [3], en el 2009 instalo un pavimento piezoeléctrico para la generación de energía eléctrica en el paso de torniquetes y puertas de entrada en dos

estaciones de metro en Tokio, Japon. La superficie total utilizada abarca aproximadamente 25 [m2]y se estima que genera 1400 kW por día.

Figura 2: Pavimento piezoeléctrico instalado en torniquetes, estacón de metro en Tokio.

(*) Pavegen es una empresa de innovación ubicada en Londres, desarrollan la tecnología de fabricación de pavimentos que convierte la energía cinética pérdida de pisada humana en electricidad renovable.

El Instituto de investigación Technion y posteriormente la empresa Innowatech [4], ha desarrollado generadores piezoeléctricos patentados, que emplea la energía mecánica impartida por ferrocarriles, en carreteras y caminos peatonales donde el tráfico que normalmente se disipa en forma de calor residual y la convierte en electricidad. 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.

Figura 3: Tipos de generadores piezoeléctricos.

Los generadores piezoeléctricos se diseñaron en Israel, por ingenieros del centro tecnológico Innowattech, los que crearon estos dispositivos, basado en cristales piezoeléctricos, para aprovechar la energía cinética del paso de los vehículos. El material puede extenderse por todo tipo de superficies de tránsito con un grosor muy fino. Sus responsables calculan que puede generar unos 400 [kW] por kilómetro. Además permiten el pesaje preciso de cualquier automóvil y a cualquier velocidad, al mismo tiempo permite el suministro de la energía eléctrica necesaria para hacer funcionar el sistema de monitoreo y comunicarlo al órgano competente. 

La empresa Innowattech como se menciona anteriormente,también dispone de almohadillas y azulejos peatonales. Las almohadillas van localizadas bajo maquinaria, 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. Los azulejos peatonales, han sido desarrollados para ser utilizados en lugares con un gran número de peatones, como lo son las principales estaciones de transporte público, por ejemplo, tren, autobús, metro, centros comerciales, entre otros.

1.2.3.

1.

2.

3.COEFICIENTES PIEZOELECTRICOS

Cuando se diseña un material piezoeléctrico, éste debe ser polarizado para que obtenga sus propiedades piezoeléctricas. De acuerdo a esta polarización es que se identifican tres direcciones análogas a los ejes de coordenadas cartesianas XYZ. Acá el eje 3 siempre se elegirá paralelo al sentido de la polarización, indicada en la Figura 4 por el vector P, que va desde el polo positivo al polo negativo[5].

Figura 4.

Coeficientes Piezoeléctricos

Como se dijo anteriormente hay ciertos coeficientes quedeterminan las propiedades físicas y eléctricas de los materialespiezoeléctricos.Los coeficientes piezoeléctricos con dos subíndices unencantidades mecánicas y eléctricas. El primer subíndice da la dirección delcampo eléctrico asociado al voltaje aplicado, la carga o voltajeproducido. Mientras que el segundo subíndice da la dirección del stressmecánico o la tensión.

Coeficiente piezoeléctrico de carga (d)

La constante d piezoeléctrica es una relación de la carga eléctricagenerada

por unidad de área a una fuerza aplicada, expresado a través de la siguiente relación:

d ik=Coulomb /metro2

Newton /metro2 =CoulombNewton

(1)

O bien:

d ik=metro /metrovolt /metro

=metrovolt

(2)

Figura 5. Figura 6.

Por ejemplo, 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 d31

se usa cuando la carga secolecta en la misma cara anterior, pero la fuerza se aplica en unadirección ortogonal al sentido de la polarización (Figura 6).

Coeficiente piezoeléctrico de voltaje (g)

El coeficiente g es la relación del campo eléctrico producido a latensión mecánica aplicada y se expresa:

gik=Volt /metro

Newton /metros2=Volt∗metro

Newton(3)

O bien:

gik=metro /metro

coulomb/metro2 =metro2

coulomb(4)

Constante dieléctrica

La constante dieléctrica relativa se define como la relación entre lapermitividad del material y la permitividad de espacio vacío.

Factor de pérdida dieléctrica

Es una medida de la pérdida dieléctrica del material. Se definecomo la tangente del ángulo de pérdida.

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.

Constantes de frecuencia (N)

La constante de frecuencia N es el producto de la frecuencia deresonanciay la dimensión lineal que gobierna la resonancia. También esigual a la mitad de la velocidad del sonido en la misma dirección.

Coeficiente de acoplamiento piezoeléctrico

Este coeficiente es definido como la proporción de la energíamecánicaacumulada en respuesta a una entrada eléctrica o viceversa.Es decir, es un índice de la efectividad de un material piezoeléctrico paraconvertir energía mecánica en energía eléctrica, y viceversa.

k=√ energ í amec á nicaacumuladaenerg í ael é ctricaaplicada

(5)

k=√ energ í aelé ctricaacumuladaenergí amec á nicaaplicada

(6)

Módulo de Young

El módulo de elasticidad o módulo de Young es un parámetro quecaracteriza el comportamiento de un material elástico, según ladirección en la que se aplica una fuerza.

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.

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, costos, cantidad, etcétera).

Planteamiento para la construcción de la baldosa piezoeléctrica.

Boceto y planificación de la baldosa.

Construcción y ensayo de la baldosa.

5) Desarrollo y alcance de trabajo de titulación

Para llevar a cabo este proyecto, dividiré este trabajo netamente en 2 etapas: investigación y construcción.

La primera será de investigación, análisis y cálculos sobre este tipo de tecnología.

El siguiente será ya de materializar lo ya investigado y calculado, para luego hacer las pruebas de rigor.

6) Aporte personal:

Desde siempre he tenido la intención de usar mis conocimientos para el bien común, y la idea de la energía renovable es algo que a mi parecer, es una urgencia.

La aplicación de este método como recurso energético es bastante joven, aunque hay países como Japón, E.E.U.U. eIsrael donde la utilización de este beneficio tiene mucho potencial. Se le suma a que nuestro país consta de un gran flujo de persona, vale decir, peatonal en el caso de la región Metropolitana y de las ciudades grandes de Chile como Antofagasta y Concepción por ejemplo. Y además las carreteras siempre están siendo recorridas, sobretodo en días festivos, donde las carreteras se infestan de vehículos.

7) Temario tentativo

1. Introducción General del Tema1.1. Antecedentes1.2. Descripción del problema1.3. Definición de conceptos1.4. Objetivo General1.5. Objetivos Específicos

2. Energía Piezoeléctrica2.1. ¿Qué es la energía piezoeléctrica?2.2. Tecnologías implementadas2.3. Ventajas y desventajas

3. La Baldosa Piezoeléctrica3.1. Marco teórico3.2. Planificación para la construcción3.3. Especificaciones técnicas3.4. Opinión personal

4. Análisis de datos4.1. Ensayo de resistencia mecánica 4.2. Corrección de errores4.3. Medición eléctrica4.4. Análisis de los datos

5. Conclusión

6. Referencias

7. Agradecimientos

8) Bibliografía

[1] Historia Piezoelectricidad: http://www.piezo.com/tech4history.html

[2] Nuevas fuentes energéticas/ NationalGeographic: http://www.nationalgeographic.es/noticias/medio-ambiente/energia/baldosas-energia-pisadas

[3] Construyendo un mundo sostenible: http://blogs.nebrija.es/mundosostenible/2013/01/08/la-energia-piezoelectrica-aplicada-a-suelos-generadores-de-energia/

[4] Innowattech: http://innowattech.co.il/index.aspx

[5] Constantes piezoeléctricas: http://www.americanpiezo.com/knowledge-center/piezo-theory/piezoelectric-constants.html

[6] Pavegen: http://www.pavegen.com/about

[7] G. Kossoff, “The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric ceramic transducers,”I EEE Trans. Son.Ultrason., vol. SU-13, pp. 20-30, Mar. 1966.

[8] J. H. Goll and B. A. Auld, “Multilayer impedance matching schemes for broadbanding of water loaded piezoelectric transducers and high Q electric resonators,” IEEE Pans. Son.Ultrason., vol. SU-22, pp. 52-53, Jan. 1975.

[9] Miguel Cupich “Actuadores piezoeléctricos”, Ingenierías, Enero-Marzo 2000, Vol. III, No 6

[10] DIDIER BOUCHER, MICHEL LAGIER, AND C. MAERFELD, “Computation of the vibrational modes for piezoelectric array Transducers using a

Mixed Finite Element-Perturbation Method”, IEEE TRANSACTIONS ON SONICS AND ULTRASONICS, VOL. SU-28, NO.5, SEPTEMBER 1981

[11] “Elastic, piezoelectric and dielectric constants of polarized barium titanate ceramics and some applications of the piezoelectric equations,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 28, pp. 347-350, May 1956.

[12] Christopher Shawn McGahey, "HARNESSING NATURE’S TIMEKEEPER: A HISTORY OF THE PIEZOELECTRIC QUARTZ CRYSTAL TECHNOLOGICAL COMMUNITY (1880-1959)", Georgia Institute of Technology, May 2009.

[13] Piezoelectric Ceramics : Jaffe B., Cook W., Jaffe H. Academic Press, London, New York.1971.

9) Carta Gantt

      Número de semanas

N° Tareas Duració

n 1 2 3 4 5 6 7 8 910

11

12

13

14

15

16

17

                                       1 Estudio de conceptos 1                                  2 Cálculos eléctricos y mecánicas 4                                  3 Planificación de la baldosa 3                                  4 Construcción de la baldosa 4                                  5 Ensayo y corrección de errores 3                                  6 Escritura de la memoria 2