energía eléctrica producida por dispositivos piezoeléctricos

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


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




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


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


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

20




FASE I Modelo mecnico

Desarrollo

Base de vibracin

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FASE II

Modelo elctrico inicial

Ideal

Actual

4

24


Desarrolloo Modelo mecnico o Modelo elctrico o Diagrama rectificador


FASE II

Diagrama de bloques de un Rectificador con filtro

PSI-5A4E

DIODO 1N5820 1N4001

LM7805

LED BATERA MP3

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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

30

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

33

FASE III

Presentacin en protoboard y su salida de voltaje durante la oscilacin

34

Resultados experimentalesVoltaje vs RL Potencia vs RL

35

Resultados cargando bateras en serie y FASE III paralelo(b)

(a)

(c)

36

Simulacin y anlisis transitorio

37

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




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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