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1.-ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL TEMA

1.1.- QUE ES LA ENERGÍA?Se denomina energía a la propiedad que le permite a los objetos físicos realizar algún trabajo .Todos los cambios o transformaciones de la naturaleza que puede percibir el hombre son producidos por algún tipo de energía podemos afirmar entonces que la energía es la fuente de todo movimiento. Cada vez que asistimos a una transformación de algún tipo, esta se expresa con cambios físicos y/o químico.

1.2.- QUE ES LA ENERGÍA ELÉCTRICA?La energía eléctrica es una fuente de energía renovable que se obtiene mediante el movimiento de cargas eléctricas (electrones positivos y negativos) que se produce en el interior de materiales conductores.Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos —cuando se les coloca en contacto por medio de un conductor eléctrico. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.

1.3.-¿COMO SE PRODUCE LA ENERGÍA ELÉCTRICA?En general, la generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía química, mecánica, térmica o luminosa, entre otras, en energía eléctrica. Para la

generación industrial se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas.

a) Por acción QuímicaLas substancias químicas pueden combinarse con ciertos metales para iniciar una actividad química en la cual habrá transferencia de electrones produciéndose cargas eléctricas. El proceso se basa en el principio de la electroquímica. Un ejemplo es la pila húmeda básica. Cuando en un recipiente de cristal se mezcla ácido sulfúrico con agua (para formar un electrolito) el ácido sulfúrico se separa en componentes químicos de hidrogeno (H) y sulfato (SO4), pero debido a la naturaleza de la acción química, los átomos de hidrógeno son iones positivos (H+) y (SO4-2). El número de cargas positivas y negativas son iguales, de manera que toda la solución tiene una carga neta nula. Luego, cuando se introducen en la solución barras de cobre y zinc, estas reaccionan con ella. El zinc se combina con los átomos de sulfato; y puesto que esos átomos son negativos, la barra de zinc transmite iones de zinc positivos (Zn+); los electrones procedentes de los iones de zinc quedan en la masa de zinc, de manera que la barra de zinc tiene un exceso de electrones, o sea una carga negativa. Los iones de zinc se combina con los iones de sulfato y los neutralizan, de manera que ahora la solución tiene más cargas positivas. Los iones positivos de hidrogeno atraen a electrones libres de la barra de cobre para neutralizar nuevamente la solución. Pero ahora la barra de cobre tiene una deficiencia de electrones por lo que presenta una carga positiva.

b) Por acción mecánica

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Una carga eléctrica se produce cuando se frotan uno con otro dos pedazos de ciertos materiales; por ejemplo, se da y una varilla de vidrio, o cuando se peina el cabello. Estas cargas reciben el nombre de electricidad estática, la cual se produce cuando un material transfiere sus electrones a otro. Esto es algo que aún no se entiende perfectamente. Pero una teoría dice que en la superficie es un material existen muchos átomos que no pueden combinarse con otros en la misma forma en que lo hacen, cuando están dentro del material; por lo tanto, los átomos superficiales contienen algunos electrones libres, esta es la razón por la cual os aisladores, por ejemplo vidrio, caucho, pueden producir cargas de electricidad estática. La energía calorífica producida por la fricción del frotamiento se imparte a los átomos superficiales que entonces liberan los electrones, a esto se le conoce como efecto triboeléctrico.

c) Por calorDebido a que algunos materiales liberan fácilmente sus electrones y otros materiales los acepta, puede haber transferencia de electrones, cuando se ponen en contacto dos metales distintos, por ejemplo: Con metales particularmente activos, la energía calorífica del ambiente a temperatura normal es suficiente para que estos metales liberen electrones. Los electrones saldrán de los átomos de cobre y pasaran al átomo de cinc. Así pues, el cinc adquiere un exceso de electrones por lo que se carga negativamente. El cobre, después de perder electrones tiene una carga positiva. Sin embargo, las cargas originadas a la temperatura ambiente son pequeñas, debido a que no hay

suficiente energía calorífica para liberar más que unos cuantos electrones. Pero si se aplica calor a la unión de los dos metales para suministrar más energía, liberaran mas electrones. Este método es llamado termoelectricidad. Mientras mayor sea el calor que se aplique, mayor será la carga que se forme. Cuando se retira la fuente de calor, los metales se enfrían y las cargas se disparan.

d) Por luzLa inciden sobre un material, liberan energía. En algunos materiales la energía procedente de los fotones puede ocasionar la liberación de algunos electrones de los átomos. Materiales tales como potasio, sodio, selenio, germanio, cadmio y sulfuro de plomo, reaccionan a la luz en esta forma. El efecto fotoeléctrico se puede usar de tres maneras:1.-Fotoemisión: La energía fotónica de un rayo de la luz puede causar la liberación de electrones de la superficie de un cuerpo que se encuentran en un tubo al vació. Entonces una placa recoge estos electrones.2.-Fotovoltaica: La energía luminosa que se aplica sobre una de dos placas unidas, produce la transmisión de electrones de una placa a otra. Entonces las placas adquieren cargas opuestas en la misma forma que una batería.3.-Fotoconducción.- La energía luminosa aplicada a algunos materiales que normalmente son malos conductores, causa la liberación de electrones en los metales, de manera que estos se vuelven mejores conductor es luz en sí misma es una forma de energía y muchos científicos la consideran formada por pequeños paquetes de energía llamados fotones.

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Cuando los fotones de un rayo luminoso.

e) Por presiónCuando se aplica presión a algunos materiales, la fuerza de la presión pasa a través del material a sus átomos, desalojando los electrones de sus orbitas y empujándolos en la misma dirección que tiene la fuerza. Estos huyen de un lado del material y se acumulan en el lado opuesto. Así cesa la presión, los electrones regresan a sus órbitas. Los materiales se cortan en determinad formas para facilitar el control de las superficies que habrán de cargarse; algunos materiales reaccionaran a una presión de flexión en tanto que otros responderán a una presión de torsión. Piezoelectricidad es el nombre que se da a las cargas eléctricas producidas por el efecto de la presión. El efecto es más notable en los cristales, por ejemplo sales de Rochelle y ciertas cerámicas como el titanito de bario.

1.4.- Fuentes de energía

a) NO RENOVABLES Mediante las expresiones energía no renovable o energías convencionales, se alude a fuentes de energía que se encuentran en la naturaleza en cantidades limitadas, las cuales, una vez consumidas en su totalidad, no pueden sustituirse, ya que no existe sistema de producción o de extracción económicamente viable. De esta índole de energías existen dos tipos:Energías fósiles Energía nuclearEnergía fósilLa mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los combustibles fósiles, estos son

recursos no renovables: no se reponen por procesos biológicos.

*PetróleoEl petróleo es un líquido oleoso compuesto de carbono e hidrógeno en distintas proporciones. Se encuentra en profundidades que varían entre los 500 y los 4.000metros Actualmente, las refinerías y las industrias petroquímicas extraen del petróleo diferentes productos para distintas aplicaciones: gas licuado, gasolina, diésel, aceites lubricantes, además de numerosos subproductos que sirven para fabricar pinturas, detergentes, plásticos, cosméticos, fertilizantes y otros muchísimos artículos

*CarbónEl carbón que corresponde al combustible fósil es aquel que conocemos como carbón mineral. Se extrae desde minas bajo tierra, y no necesita ser refinado para utilizarse.

*Gas naturalEl gas natural está compuesto principalmente por metano, un compuesto químico hecho de átomos de carbono e hidrógeno. Se encuentra bajo tierra, habitual mente en compañía de petróleo. Se extrae mediante tuberías, y se almacena directamente en grandes tanques. Luego se distribuye a los usuarios a través de gasoductos. Como es inodoro e incoloro, al extraerlo se mezcla con una sustancia que le da un fuerte y desagradable olor. De este modo, las personas pueden darse cuenta de que existe una filtración o escape de gas.

Energía nuclearLa energía nuclear procede de reacciones de fisión o fusión de átomos

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en las que se liberan gigantescas cantidades de energía que se usan para producir electricidad.

Producción de electricidad en la central nuclear.Una central nuclear tiene cuatro partes

El reactor en el que se produce la fisión

El generador de vapor en el que el calor producido por la fisión se usa para hacer hervir agua

La turbina que produce electricidad con la energía contenida en el vapor

El condensador en el cual se enfría el vapor, convirtiéndolo en agua líquida.

La reacción nuclear tiene lugar en el reactor, en el están las agrupaciones de varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que están hechas de un material que absorbe los neutrones. Introduciendo estas barras de control más o menos se controla el ritmo de la fisión nuclear ajustándolo a las necesidades de generación de electricidad. En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua en el que esta se calienta por la fisión del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en el que el agua circula bajo presión, para que permanezca líquida a pesar de que la temperatura que alcanza es de unos 293ºC.Con el agua del circuito primario se calienta otro circuito de agua, llamado secundario. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión que es conducido a una turbina. El giro de la turbina mueve a un generador que es el que produce la corriente eléctrica.Finalmente, el agua es enfriada en torres de enfriamiento, o por otros procedimientos

Imagen:http://energia-nuclear.net/Para uso didactico

b)RenovablesLas fuentes renovables de energía se basan en los flujos y ciclos naturales del planeta. Son aquellas que se regeneran y son tan abundantes que perdurarán por cientos o miles de años, las usemos o no; además, usadas con responsabilidad no destruyen el medio ambiente. La electricidad, calefacción o refrigeración generadas por las fuentes de energías renovables, consisten en el aprovechamiento de los recursos naturales como el sol, el viento, los residuos agrícolas u orgánicos.

*Centrales eólicasEs la fuente de energía que está creciendo más rápidamente y, si los gobiernos le aseguran el apoyo necesario, podría cubrir en el 2020 el 12% de toda la electricidad mundial. La energía eólica requiere condiciones de intensidad y regularidad en el régimen de vientos para poder aprovecharlos. Se consideran vientos con velocidades promedio entre 5 y 12.5 metros por segundo, que son los aprovechables. El viento contiene energía cinética (de las masas de aire en movimiento) que puede convertirse en energía mecánica o eléctrica por medio de aereoturbinas, las cuales están integradas por un

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arreglo de aspas, un generador y una torre, principalmente.

*Centrales solaresUna central térmica solar o central termo solar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para la generación de energía eléctrica.Constructivamente, es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 º C hasta 1000 º C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico.

Imagen: http://www.unesa.es/Para uso didactico

*Centrales fotovoltaicasLas centrales fotovoltaicas producen electricidad sin necesidad de turbinas ni generadores, utilizando la propiedad que tienen ciertos materiales de generar una corriente de electrones cuando incide sobre ellos una corriente de fotones. La clave del funcionamiento de las células fotovoltaicas está en la disposición en forma de sándwich de materiales dopados de diferente forma, de manera que unos tengan exceso de electrones y otros, por el contrario, "huecos" con déficit de electrones. Los

fotones de la luz solar portan una energía que arranca los electrones sobrantes de una capa y los hace moverse en dirección a los "huecos" de la otra capa. El resultado es la creación de flujo de electrones excitados, y por lo tanto, un voltaje eléctrico. Este voltaje conseguido es muy pequeño: por ejemplo, una iluminación con una potencia de 1 Kw por metro cuadrado genera apenas un voltaje de 0,5 voltios. La solución consiste en conectar en serie gran número de células: en el ejemplo anterior, conectando 36 células obtendremos una tensión de 18 voltios. Conectando gran número de células, podremos alcanzar el voltaje que deseemos. En la práctica, muchas instalaciones fotovoltaicas son pequeñas y se usan para propósitos específicos: por ejemplo, para apoyar el suministro eléctrico de una casa, o para señalizaciones de carretera. Pero también existen algunas grandes instalaciones más o menos experimentales.

*Energía geotérmicaSe llama energía geotérmica a la que se encuentra en el interior de la tierra en forma de calor, como resultado de:La desintegración de elementos radiactivos. El calor permanente que se originó en los primeros momentos de formación del planeta. Esta energía se manifiesta por medio de procesos geológicos como volcanes en sus fases póstumas, los geiseres que expulsan agua caliente y las aguas termales. Conversión de la energía geotérmica en eléctrica. La conversión de la energía geotérmica en electricidad consiste en la utilización de un vapor, que pasa a través de una turbina que está conectada a un generador, produciendo electricidad. El principal problema es la

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corrosión de las tuberías que transportan el agua caliente. Usos de la energía geotérmica:•Balnearios: Aguas termales que tienen aplicaciones para la salud.•Calefacción y agua caliente.•Electricidad

Imagen:http://www.energias.bienescomunes.org/2012/06/26/que-es-la-energia-geotermica/Para uso didactico

*Central hidroeléctricaUna central hidroeléctrica es aquella que utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda .En general estas centrales aprovechan la energía potencial que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual trasmite la energía a un generador el cual la convierte en energía eléctrica.

*Energía PiezoeléctricaPiezoelectricidad es el nombre que se da a las cargas eléctricas producidas por el efecto de la presión.

La piezoelectricidad es la propiedad que presentan ciertos materiales llamados piezoeléctricos. Estos generan una tensión eléctrica (voltaje) cuando son golpeados o deformados. Además, si un material piezoeléctrico es expuesto a una tensión eléctrica, experimentará una deformación mecánica.Estos dos fenómenos se estimulan mutuamente, lo que significa que si se golpea o deforma un material con cualidades piezoeléctricas, esa deformación provocará un voltaje que a su vez deformará el material, generando nuevamente una tensión eléctrica, y así sucesivamente. Esto se conoce como oscilación. Este proceso oscilatorio no perdura infinitamente, se va amortiguando hasta desaparecer después de un cierto tiempo.

1.5.- Cristales piezoeléctricosEl principio básico de los cristales de cuarzo es convertir las vibraciones mecánicas en voltajes eléctricos a una frecuencia específica. Muchas sustancias cristalinas poseen propiedades piezoeléctricas, pero solamente algunas se usan a escala industrial; entre éstas, el cuarzo, la Sal de Rochelle, el titanato de bario, el fosfato dihidrogenado de amonio (ADP), etc..De los cristales piezoeléctricos se cortan láminas que se usan fundamentalmente como patrones (o controles) de frecuencia, o como transductores.Estas láminas, que se cortan siguiendo determinadas reglas, vinculadas a los ejes cristalográficos, se suelen llamar simplemente cristales.

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Los cristales se usan como patrones de frecuencia, cuando la frecuencia de resonancia mecánica de los mismos es muy estable (por ejemplo, láminas convenientemente cortadas de un cristal de cuarzo); estos cristales al vibrar generan una tensión proporcional a la amplitud de la vibración, y de la misma frecuencia que ésta; y provistos de electrodos convenientes, tienen las características de un circuito resonante de muy alto Q y alta relación L/C, y se utilizan en circuitos filtros, o como elementos de realimentación selectiva en circuitos osciladores, entre otras aplicaciones.El circuito equivalente de un cristal es el siguiente:

Imagen:http://ayudaelectronica.com/materiales-piezoelectricos/Para uso didacticoLos cristales piezoeléctricos se usan también como transductores, debido a que el efecto piezoeléctrico posibilita la conversión de energía mecánica en eléctrica o viceversa; ejemplos típicos son los cristales piezoeléctricos usados en micrófonos, fonocaptores, patrones de deformación, etc.. Para algunas de estas aplicaciones se usa el cuarzo, pero su efecto piezoeléctrico es relativamente débil, por lo que es más común el uso de la Sal de Rochelle, de las cerámicas piezoeléctricas, etc.

a) El cuarzo El cuarzo, bióxido de silicio (Si–O2), es una sustancia que cristaliza en el sistema romboédrico, a simetría

ternaria, es decir formando prismas hexagonales cerrados en sus extremos por romboides, con un eje óptico Z, tres ejes eléctricos X, paralelos a los lados del hexágono, y tres ejes mecánicos Y, perpendiculares a los lados del hexágono.La estructura cristalográfica del cuarzo permite obtener, mediante cortes, láminas con propiedades piezoeléctricas. Estas láminas (cristales), con sus correspondiente electrodos, tienen las características de un circuito resonante con Q varias veces mayor que el que puede obtenerse con un circuito convencional de constante concentradas; la frecuencia de resonancia es, fundamentalmente, función de las dimensiones del cristal, del montaje y de la orientación del corte; esto último determina además, la actividad, el coeficiente de temperatura, y otras características del cristal.Un cristal de cuarzo tiene varias resonancias, pues las oscilaciones pueden ser, longitudinales, transversales, de corte o de flexión.Dando al cristal, y al soporte del mismo, formas adecuadas, pueden acentuarse un modo de resonancia y atenuarse las llamadas resonancias secundarias.

Imagen:http://ayudaelectronica.com/materiales-piezoelectricos/Para uso didactico

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Los primeros cristales utilizados, se obtienen de cortes perpendiculares a los ejes X e Y, cortes X e Y respectivamente. El corte Y, tiene un coeficiente de temperatura elevado y discontinuo; el corte X un coeficiente de temperatura también alto, pero mucho más continuo, lo que permite obtener una buena estabilidad cuando se usan hornos termostáticos. Sin embargo, este corte es menos activo que el Y.Los cristales se cortan utilizando discos de acero con esquirlas de diamante engarzadas en su periferia, o bien utilizando discos de acero de 0,5mm de espesor, alimentados con agua y glicerina con carborúndum (carburo de silicio artificial, utilizado como abrasivo) en polvo en suspensión. Los cristales obtenidos, después de los sucesivos cortes, son rigurosamente examinados y pulidos hasta obtener las dimensiones deseadas.

b) Cristales solubles

Son cristales artificiales que se obtienen por cultivo.Se parte de soluciones saturadas en caliente, y por enfriamiento o evaporación se forman y crecen dentro de la misma, los cristales.El crecimiento debe ser lento si se desean obtener cristales perfectos. Para acelerar el proceso, se puede partir de trozos cortados de cristales grandes que actúan como gérmenes.

De los cristales solubles, el más corriente es la Sal de Rochelle (Sal de Seignette), tartrato doble de sodio y potasio (K, Na, C4 O6 H2O).Fue obtenido por primera vez, por un farmacéutico de la Rochelle (Francia), de nombre Seignette. Es un cristal ortorrómbico que debe sus propiedades físicas al ácido tartárico del cual proviene.La sal de Rochelle es estable entre el 35% y el 85% de humedad relativa.Por encima del 85% de humedad el cristal absorbe agua de la atmósfera y se disuelve lentamente. Para aminorar los efectos de la humedad se cubren los cristales con ceras que retardan, más bien, que evitan la deshidratación. La máxima temperatura a que puede estar expuesto este cristal es del orden de 45ºC. A los 55ºC pierden de forma permanente sus propiedades piezoeléctricas.

El corte de los cristales de sal de Rochelle como el de cualquier otro cristal soluble, se efectúa preferentemente, con un dispositivo similar a una sierra sinfín, provista de un sutil hilo de acero cuya principal misión es aportar agua, la que por disolución efectúa el corte, en la zona de contacto del hilo con el cristal, ya que el hilo no debe efectuar ninguna acción abrasiva sobre el cristal .

Las láminas de sal de Rochelle pueden montarse para trabajar a la torsión o a la flexión, y según cual sea el montaje, varía la orientación del corte.Después de cortado, y antes de utilizarlo, los cristales se mantienen un cierto tiempo en armarios, a temperaturas controladas.Para poder conectarlo al circuito eléctrico, se pegan a las dos caras de las

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láminas de cristal, electrodos, consistentes en hojitas de estaño o aluminio.Otros cristales piezoeléctricos solubles son: el tartrato de etilendiamonio, tartrato de potasio, etc..

c) Cerámicos El titanato de bario es una cerámica que presenta propiedades piezoeléctricas.Los materiales piezoeléctricos de titanato de bario, se fabrican por procesos cerámicos, y se los polariza enfriándolos desde temperaturas superiores a las de Curie, en un campo eléctrico intenso.Se usan como transductores; su sensibilidad piezoeléctrica es algo inferior a la sal de Rochelle, pero tienen otras ventajas como: gran resistencia mecánica, resistencia a la humedad, y posibilidad de usarse dentro de un rango de temperaturas mayor, (hasta los 70ºC de temperatura; para temperaturas superiores puede usarse el titanato de plomo).

1.6.- EFECTO PIEZOELÉCTRICO El 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 piezoeléctrico directoEl funcionamiento de este efecto es solo por medio de una presión ejercida a dos cristales los cuales al aplicarles presión tiende su estado molecular a deformar se haciendo un choque entre átomos. 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 muchos voltios. Este efecto funciona también a la iinversa: cuando se aplica un campo eléctrico aciertas caras de una formación cristalina, ésta experimenta distorsiones mecánicas (efecto piezoeléctrico 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'

1.7.- APLICACIÓN DE LOS MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS:Una laminilla de cuarzo se deforma mecánicamente y vibra cuando la colocamos en un campo eléctrico oscilante. Una laminilla tallada de una determinada manera vibra sólo a una frecuencia determinada y así puede controlar el tiempo en los relojes digitales. Sus vibraciones son muchos más exactas que las oscilaciones eléctricas que las producen y por lo tanto es buen método para regular las oscilaciones y mantener una medida de tiempo más exacta. Constituyen la base de los relojes digitales actuales. Existen también unos altavoces piezoeléctricos en los que la señal eléctrica se conduce hasta unos electrodos que comprimen el cristal, éste se contrae y se afloja (vibra). La membrana del altavoz está directamente unida al cristal y al vibrar con él transmite sus vibraciones al aire produciendo las ondas sonoras. Con este sistema no se obtiene una buena

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calidad de sonido. Funcionan bien a altas frecuencias como el sonar o los ecógrafos pero no tienen mucha calidad para la sensibilidad del oído humano. 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:•Transductores de presión•Agujas para los reproductores de discos de vinilo•Micrófonos.•Cristales resonadores para los relojes y en osciladores electrónicos de alta frecuencia.•Generadores de chispas en encendedores Tapetes generadores de energía eléctrica Esta última aplicación será la cual analizaremos y estudiaremos para su aplicación en la vida cotidiana ya que usando el efecto piezoeléctrico en estos tapetes generaremos energía eléctrica, la cual será generada a través de la presión que se ejercerá sobre estos por medio de las pisadas.

2.-MARCO TEORICO2.1.-PIERRE AND JACQUES CURIE

Observada por primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881, mientras se dedicaban al estudio de la compresión del cuarzo, la piezoelectricidad es un fenómeno que presentan ciertos cristales al ser sometidos a tensiones mecánicas.Cuando cristales como el cuarzo o la turmalina, entre otros, son sometidos a la acción mecánica de la compresión, adquieren una polarización eléctrica de su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie, que se manifiesta en chispas.

Aunque este fenómeno es conocido y estudiado, faltaba crear un sistema que consiguiera acumular la electricidad emitida por los cristales para reutilizarla en distintas aplicaciones.

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2.2.-PAVEGEN SYSTEMLa empresa Pavegen System ha diseñado una baldosa que recoge energía de las pisadas. Cuando se pisa se produce una flexión en su superficie de unos 5 mm, convirtiendo la energía cinética de la pisada en unos 4-8 vatios dependiendo de la deformación producida. La energía generada puede ser utilizada para aplicaciones de baja potencia no conectadas a la red eléctrica como instalaciones de iluminación LED, señalización y publicidad, también puede ser almacenada en las baterías instaladas en el propio elemento.Se estima que la instalación de este tipo de baldosas, fabricadas con caucho 100% reciclado y hormigón polímero, pueden generar unos 40-80 kilovatios-hora (kWh) dependiendo del tránsito.

Cada vez que una piedra de goma Pavegen se pisa se dobla, la producción de energía cinética que, o bien se almacena en baterías de polímero de litio o distribuido a las luces cercanas, pantallas de información, y mucho más. Sólo cinco losas repartidas en una acera animada tienen la capacidad de generar la energía suficiente para iluminar una parada de autobús a lo largo de la noche. Pero las aplicaciones no se limitan a la calle. Extendido a otros espacios públicos y privados del sistema tiene el potencial de luces eléctricas, ordenadores, puertas automáticas, máquinas expendedoras de billetes, refrigeradores, rótulos de establecimiento, microondas... En función del uso, el periodo de recuperación puede ser tan sólo un año, y cada Pavegen piedra tiene un estimado de vida útil del sistema de cinco años de uso, o 20 millones de pasos.

Construido en acero inoxidable de grado marino y materiales reciclados , la superficie (que viene en una variedad de colores elección) de cada losa características del caucho de neumáticos viejos , y los componentes internos están hechos de aluminio reciclado pudiéndose elegir entre una selección de colores y texturas dependiendo de las características de la vía donde se van a insertar.  

Imagen:www.pavegen.comPara uso didactico

Cada vez que una losa se pisa emite un brillo (que sólo utiliza el 5% de la energía total producida) - esto no sólo informa al transeúnte de su contribución, sino que también refuerza una actitud sostenible y una mayor conciencia de la energía que se crea continuamente y gastados por cada individuo.

“Así que vamos a poner esto en perspectiva. Nosotros medimos la cantidad de energía de una casa utiliza a diario en kilovatios-hora (kWh) y de  acuerdo con eHow , el hogar estadounidense promedio (en 2008) vio un uso diario de poco más de 30 kWh. Esto se traduce en más de mil millones de joules, o es equivalente a la cantidad de energía liberada por la combustión de 100 pies cúbicos de gas natural. En caso de que usted está

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interesado, de acuerdo con  la Ciudad de Westminster's 2010 estimaciones, Oxford Street ve un paso de 4,3 millones de personas cada semana. Así que, ¿cuáles serían 10 azulejos en un día de actividad en opinar Oxford Street parece? Sería suficiente para proporcionar 560 kWh para los estándares de Pavegen. Este sería el poder más de 18 hogares medios estadounidenses para un día.” ( Laurence Kemball-Cook, ipavement conecta gente con ciudades,Urban times, 2012)(Kemball-Cook, 2012)

Imagen:www.gizmag.comPara uso didactico2.3.-INOWWATECH

Ha desarrollado generadores piezoeléctricos patentados únicos que cosecha la energía mecánica impartida a los ferrocarriles, carreteras y caminos peatonales de pasar el tráfico que normalmente se disipa en forma de calor residual y la convierte en electricidad verde. El sistema es especialmente adecuado para el suministro de electricidad para necesidades específicas en sitios remotos que están lejos de la red eléctrica.Para que la generación eléctrica sea posible se emplean discos piezoeléctricos, dispositivos capaces de transformar las tensiones mecánicas en voltaje eléctrico. El resultado no es solamente satisfactorio en términos de generación de energía renovable, sino

también en cuestiones relativas a información y monitoreo sobre la actividad de los sistemas ferroviarios. 

Es que los dispositivos piezoeléctricos no solamente recolectan energía, sino que además pueden recopilar información vital que incluye la velocidad de las unidades ferroviarias, el número de ruedas de cada coche, el peso de cada rueda y el diámetro de las mismas. 

Los primeros resultados de la prueba desarrollada en Israel indican que los sectores de vías por los cuales circulan entre 10 y 20 trenes de 10 vagones por hora pueden generar 120 kilovatios de energía renovable por hora. Esta producción puede emplearse para colaborar en la alimentación eléctrica de los trenes o de las señales ferroviarias. 

Al mismo tiempo, también puede utilizarse para su derivación hacia la red general de suministro eléctrico, desde la cual puede satisfacer necesidades energéticas en otros sitios geográficos.

El mayor avance de esta tecnología tiene que ver con los nuevos generadores piezoeléctricos desarrollados por Innowattech, que poseen habilidades únicas para captar energía a partir del peso, movimiento, vibraciones y cambios de temperatura. Hay generadores específicos para carreteras, vías férreas, pistas de aterrizaje y circulación de peatones. 

La mayor cantidad de pruebas y testeos se han realizado hasta el momento en las aplicaciones destinadas a carreteras. La compañía comercializa

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generadores piezoeléctricos que se instalan debajo del asfalto, produciendo electricidad cuando los vehículos pasan sobre ellos. Los generadores se instalan 5 centímetros por debajo de la capa superior de asfalto. En este caso, la presión de los vehículos sobre los dispositivos se convierte en electricidad, abasteciendo por ejemplo las necesidades energéticas de la misma carretera. Las cifras obtenidas en monitoreo avalan la eficiencia del sistema. Por ejemplo, el paso de 600 vehículos viajando a 72 kilómetros por hora de promedio sobre una carretera con generadores piezoeléctricos instalados a lo largo de 1 kilómetro permitiría producir 200 kilovatios por hora. De esta manera, se obtendrían ganancias por medio millón de dólares en un período de entre 3 y 6 años, recuperando así la inversión realizada para la instalación de 6.250 generadores.

2.4.-INGENIOHM

INGENIOHM es una ingeniería especializada en materiales piezoeléctricos para diferentes fines: generación de electricidad, sensores y micro motores.

Nace en 2008 fruto de una idea: aprovechar y transformar el movimiento en electricidad, sobre todo de aquellos movimientos no aprovechados hasta la fecha, como las personas caminando o los vehículos en nuestras carreteras. Estudiamos diferentes alternativas, todas ellas con un alto grado de innovación, y en especial los materiales piezoeléctricos, que nos permiten transformar

movimientos, aunque sean de muy poca fuerza, en energía, pero también lo contrario, es decir a través de alimentación eléctrica disponer de piezas móviles de un tamaño muy reducido.El sistema es aparentemente sencillo. Ingeniohm desarrolla materiales piezoeléctricos, que son aquellos que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica. Estos materiales, colocados el asfalto en las vías urbanas o carreteras, producirían electricidad cada vez que un vehículo pasa por encima de ellos. Esa energía generada puede utilizarse para abastecer farolas, señalizaciones luminosas e, incluso, radares de control de velocidad. El coste de instalación del sistema en una calle, donde se colocarían entre 60 y 100 dispositivos piezoeléctricos, «rondaría unos 60.000 euros», Además de su implantación en las calles, se trabaja en la instalación de este sistema en prendas de vestir. La idea es similar, ya que se trata de la producción de energía aprovechando el movimiento del cuerpo. En este caso, los materiales serían más delgados e irían introducidos en las zonas donde se encuentran las articulaciones. Su aplicación está aún en su fase inicial.

2.5.- GRUPO MARERSAGrupo Marersa es un desarrollador mexicano de energía renovable. La compañía está explotando tecnologías renovables y sostenibles desde el 2009 y se está preparando para lanzar una planta de energía undimotriz de 3MW el 10 de diciembre para la eléctrica nacional CFE.

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Grupo Marersa se ha enfocado en la creación de energía piezoeléctrica usando el impacto de las olas.El impacto de las olas del mar, es tan poderosos, que rompen peñascos, destruyen construcciones y eliminan playas. Esa misma energía, provoca deformaciones mecánicas en nuestras boyas, que a su vez son transmitidas a generadores piezoeléctricos (del griego, piezo: exprimir, deformar) generando energía eléctrica. Esa energía eléctrica es transmitida directamente a la red o a baterías. Como una segunda fase del sistema generador de electricidad piezoeléctrico-mareomotriz, se aprovecha de manera secundaria el empuje que las olas del mar, a través del impacto generado en las boyas, sobre aceite hidráulico que es empujado por un pistón hacia un acumulador de presiones (compresor) hidroneumático que, por medio de una válvula permite que se llegue a una presión determinada para que al llegar a ella, una válvula check envié el aceite hidráulico a un motor que genera la electricidad. Del motor hidráulico el aceite se va a un tanque de almacenamiento, que es succionado al bajar la boya por su propio peso y hacer que el pistón se alargue y enviado nuevamente hacia el acumulador hidráulico o compresor, para cerrar un circulo perfecto de circulación del aceite y hacer que el motor trabaje de manera continua y eficiente.

Al caer la boya por su propio peso, los generadores piezoeléctricos vuelven a sufrir deformaciones mecánicas, generando energía eléctrica, lo que aumenta la generación del sistema, que se va a la red.

3.- PROPUESTA EN ESPACIO ARQUITECTONICO.

Datos generales

Lugar: fes AragónDispositivo: Tapetes y generadores asfalticos.Colocación: accesos peatonales y vehiculares

1.-Observación de todos los hechos

a) Tapetes y generadores piezoeléctricos.

TAPETES:

Construido en acero inoxidable de grado marino y materiales reciclados , la superficie (que viene en una variedad de colores elección) de cada losa características del caucho de neumáticos viejos , y los componentes internos están hechos de aluminio reciclado pudiéndose elegir entre una selección de colores y texturas dependiendo de las características de la vía donde se van a insertar.  

Cada vez que una piedra de goma Pavegen se pisa se dobla, la producción de energía cinética que, o bien se almacena en baterías de polímero de

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litio o distribuido a las luces cercanas, pantallas de información, y mucho más.

GENERADORES:

b) ¿Cómo se genera la energía piezoeléctrica?

Tapetes Cuando se pisa se produce una flexión en su superficie de unos 5 mm, convirtiendo la energía cinética de la pisada en unos 4-8 vatios dependiendo de la deformación producida.

GeneradoresPara su fabricación se emplean discos piezoeléctricos, dispositivos capaces de transformar las tensiones mecánicas en voltaje eléctrico.Los generadores se instalan 5 centímetros por debajo de la capa superior de asfalto. En este caso, la presión de los vehículos sobre los dispositivos se convierte en energía cinética, para después volverse energía eléctrica.

c) ¿Cómo transformar la energía piezoeléctrica a eléctrica?

Para esto se utilizan sensores que convierten varios parámetros físicos, como la aceleración o la presión en señales eléctricas.

d) Cantidad de energía generada a través de estos dispositivos.

Tapetes: 40-80 kWhGeneradores asfalticos:200 kWh

Propuesta

La FES Aragón cuenta con una población de alumnos 17, 875 y personal académico 1,390 haciendo un total de 19,265, haciendo muy redituable la colocación de un sistema de generación piezoeléctrico.

Se propone la colocación de 30 tapetes de 0.60m*0.60m en 3 hileras de 3m*1.20m en la entrada peatonal de bosques de Aragón, y un generador en la entrada vehicular más la colocación

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de las baterías de litio para su almacenaje.(ver anexo 1)

En la entrada peatonal de rancho seco se colocaran 48 tapetes de 0.60m*0.60m en 3 hileras de 4.8m*1.2m en el acceso peatonal, colocándose de la misma forma en la salida peatonal, más la colocación de las baterías de litio para su almacenaje.(ver anexo 2)

En la entrada vehicular de rancho seco se colocaran 8 generadores en 2 hileras de 4 más la colocación de baterías de litio para su almacenaje.(ver anexo 3)

CONCLUSIONES

La energía piezoeléctrica es una fuente de generación alternativa que se encuentra en un proceso de investigación y de desarrollo, esta fuente sin lugar a dudas es una de las formas más limpias que se pueden proponer para la generación de energía.Sin embargo al encontrarse aun en desarrollo no es factible económicamente, ya que para poder construir los aparatos

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necesarios para la generación de estas se necesita hacer una inversión económica un poco elevada y aun que se asegura que esta será redituable en menos de cinco años, no es nada seguro .Aun que es un hecho muy agradable ver que existen varias empresas tanto nacionales como internacionales que se encuentran proponiendo este sistema, el cual sin lugar a dudas será uno de los más productivos y utilizados en un futuro , ya que con este podremos disminuir el impacto ambiental que tanto daño causa a nuestro planeta.

BIBLIOGRAFÍA

Documentos impresos.

Libros.

Jennifer Carless. Energía renovable : guía de alternativas ecológicas. Edamex 2°edicion, México 256pag,

Antonio Madrid, Energías Renovables: fundamentos, tecnologías y aplicaciones. AMV ediciones, 1° edicion2009, Madrid,España. 378 pag.

José Antonio Domínguez. Energías alternativas.Publidisa 2°edicion 2004,

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Esapaña, 121 pag.

Jose M de Juana. Energias renovables para el desarrollo. Thomson ediciones. Madrid, España .Pag 311.

Tomas Perales Benito. Energía Renovables: guía de instalación. Limusa. Balderas, Mexico 2006, 1° edición 253 pag

Revistas

Laurence Kemball-Cook, ipavement conecta gente con ciudades,Urban times, 2012

Referencias web

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http://www.tecnotopia.com.mx/antecedentes/piezoelectricidad.htm

http://danielrambla.com/content/energ%C3%AD-piezoel%C3%A9ctrica-piezoelectricidad

http://www.pavegen.com/

http://www.innowattech.co.il/techInfo.aspx

http://www.ingeniohm.com/soluciones.html

http://urbantimes.co/magazine/2012/10/footsteps-power-city-sustainably-pavegen-paving-tiles-smart/

http://ayudaelectronica.com/materiales-piezoelectricos/

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http://blogs.nebrija.es/mundosostenible/2013/01/08/la-energia-piezoelectrica-aplicada-a-suelos-generadores-de-energia/

http://www.fisica.unam.mx/noticias_energiapiezoelectrica2012.php

http://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria18/F_L_DT%20Pisando_y_generando.pdf

ANEXOS

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Entrada bosques de africa

Entrada peatonal av. Rancho seco

Acceso vehicular Av. Rancho seco

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