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    AlumnoJavier Ibez Garca

    Presentacin del PFCJunio 2012

    E-STEP: Diseo de un prototipo para generacin energtica mediante tecnologa piezoelctrica. Aplicacin a escaleras.

    PROYECTO FINAL DE CARRERA DE INGENIERA INDUSTRIAL

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    INTRODUCCIN PROYECTO DESENLACE

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    De dnde nace una idea as? Que la inspiracin te coja trabajando o no.

    Estaba corriendo en la cinta del gimnasio porque

    IDEA! Pavimento que al correr captara la energa cintica del movimiento

    humano para convertirla en electricidad reutilizable a posteriori.

    TODO OCURRE POR ALGUNA RAZN...

    1. Batera

    2.Luz

    3.Mquinas

    4. Seales

    5. Sonido

    6. Displays

    7. Puertas

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    ICO CIENCIA: EL PODER DE LA INNOVACIN

    La Humanidad ha cambiado mucho en los ltimos 100 aos y lo seguir haciendo

    cada vez ms rpido Cul ser la prxima revolucin? Empieza por Ener

    La Ciencia tiene el poder para cambiar la Sociedad del Futuro.

    Poltica: Obama y el uso del microtargeting va Google Hangout.

    Economa: Acciones de Apple de 10$ (2003) a 700$ (2012) y a 400$ (2013).

    Impacto Low Technologies.

    Social: Las Redes Sociales sustituirn a la familia?

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    ICO EL FUTURO EST EN NUESTRAS MANOS...

    Prototipos: de la Idea a la Realidad.

    La Fruta Madura de Richard Muller, asesor

    energtico de Obama (Fsica para presidentes).

    Qu os parecera si?

    Tecnologa Hptica: Limpia, Sostenible y til.

    Touch is Everywhere

    Sector R est de moda QUE SIGA!

    Rentabilidad econmica: Energa porttil Low-Cost.

    Eficiencia energtica: ratio /W ( & W)

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    INTRODUCCIN PROYECTO DESENLACE

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    o Realizacin del prototipo E-STEP:Estudio de los antecedentes y nuevas caractersticas a ofrecer por el producto (precio low-cost vs energa producida).

    Seleccin y colocacin del material piezoelctrico a utilizar.

    Clculo y diseo mecnico: distribucin de esfuerzos en la estructura, enfocado a la optimizacin energtica.

    Clculo y diseo electrnico/elctrico: optimizacin de la transferencia de energa mecnica (entrada) a elctrica (salida).

    Ensayos de caracterizacin del aparato: fatiga y carga mxima de rotura.

    ALCANCE: LMITES DEL PROYECTO

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    o ConceptoRecolectar (micro)energa existente en la Naturaleza

    Accin de caminar: actividad saludable y energtica. Por qu no utilizar el trabajo realizado para generar electricidad?

    ENERGY HARVESTING: BALDOSA E-STEP

    Baldosa encargada de captar y almacenar la energa residual de las pisadashumanas para producir electricidad de un nivel bajo de potencia.til para cubrir necesidades de presentes en la sociedad:

    Carga de mviles (almacenamiento de energa). Envo de seales inalmbricas (campo de la seguridad). Sealizacin mediante iluminacin con aparatos de bajo consumo (LED).

    E-STEP ELECTRICIDAD

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    o Generacin de energa: conversin de energa en electricidad a partir de las diferentes fuentes de energa de la Naturaleza.

    TIPOLOGA DE ENERGY HARVESTERS

    Generadores Trmicos:

    Calor (Diferencia Temperatura) Electricidad

    Generadores Fotovoltaicos:

    Radiacin Solar Electricidad

    Generadores Piezoelctricos:

    Energa Mecnica (Vibracin) Electricidad

    Generadores Electromagnticos:

    Induccin Magntica Electricidad

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    o Energa Piezoelctrica y Potencial Energtico

    ENERGY HARVESTING: ESTADO DEL ARTE

    3 mJ = 3mWs (~3 pisadas/s)= 10mW

    4,63 W/cm2E-STEP

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    o Cmo capturan la energa mecnica y lo convierten en energa elctrica?

    Poner en contacto una cermica piezoelctrica con un material metlico.VENTAJAS:

    Gran Simplicidad. Pequeez (caber en sistemas micro electromecnicos MEMS). Larga Vida til. Reducir el peso de la batera. Satisfacer determinadas aplicaciones (mviles, porttiles, tablets,)

    INCONVENIENTES: Poco explotados: poca electricidad generada a la salida. Agrupacin que optimice la produccin de energa elctrica no trivial.

    ENERGY HARVESTER PIEZOELCTRICO

    o Materiales piezoelctricos existentes en el mercado: Naturales: Cuarzo, Turmalina, Sal de Rochelle,...Artificiales: PZT, ZnO, PVDF (Polyvinylidene Fluoride),...

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    o Efecto piezoelctrico: Fenmeno descubierto por Jacques y Pierre Curie en 1880. Piezo (griego): Presin

    Efecto reversible: aplicar ddp entre sus electrodos DEFORMACIN

    GEN. PIEZOELCTRICOS: PIEZOELECTRICIDAD

    Aplicar Presin

    Desplazamiento cdgconfiguracin cristalina

    Voltaje (muy alto)

    Polarizacin elctrica

    [ ] [ ][ ] [ ][ ][ ] [ ][ ]

    1,2,3

    1...6i im m in n

    i ij j ik k

    D E d T dondei k m

    S s T d E j n

    = + = = =

    = + = =

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    o E-STEP (Generador piezoelctrico): Capturar la energa mecnica del trnsito a pie y convertirla en energa elctrica.

    FUNCIONAMIENTO DE UN PIEZO CONCRETO: WAFER

    Campo Acstico: Speaker de AltavozEsquema Electrodos Piezoelctrico

    Wafers Piezoelctricos

    Estructura simple (1 piezo) y simtrica (2 piezos)Deformada Wafer: CORRIENTE ALTERNA!

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    o Exoesqueleto en forma de estructura mecnica que "maximiza la generacin de energa elctrica a travs de sensores piezoelctricos de mercado tipo wafer

    PATENTE REALIZADA CON XITO!

    INNOVACIN DEL PFC: COMPORTAMIENTO A FLEXIN

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    o Una persona de 68 kg con un porcentaje de grasa corporal del 15% equivale a una energa qumica acumulada de 384 MJ (Starner & Paradiso, Low-power electronics design, New York, 2004).

    ESTUDIO DE LA PISADA HUMANA

    Principal actividad de consumo de energa en forma de energa mecnica: CAMINAR. Hasta 67 W pueden llegar a generarse (persona de 68 kg con una frecuencia de 2 pasos/seg).Bajo nivel energtico: escala del mWLa solucin de pequeos problemas, acaba resolviendo un gran problema

    o Se realizan estudios estticos, cinemticos y dinmicos sobre el prototipo:Aprovechar al mximo la fuerza de cada paso (masa, aceleracin): ERGONOMA.Fuerzas de ACCIN de la pisada y de REACCIN del suelo.Estructura simtrica (deformacin dual de los piezoelctricos)

    Masa corporal: Energa Elctrica por pisada.Frecuencia de paso: Energa Elctrica por pisada.

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    ICO DISEO DEL GENERADOR: FORMA

    o Fuente energtica: Pisada humana.o Superficie pisable: Baldosa rectangular rgida.o Dimensiones: 33x18cm (Largo x Ancho)

    Largo pie estndar humano (talla 43) No desperdiciar energa!Largo huella de escaln estndar (34 cm - Escaleras ETSEIAT)

    o El diseo del generador contendr 3 niveles:Nivel Superficial: pavimento intercambiable que recibe la pisada.Nivel de Generacin: piezoelctricos apoyados en los extremos de la estructura mecnica que permite la flexin de manera simtrica.Nivel Inferior: componentes electrnicos para la conversin de energa (condensadores, rectificadores, cableado, etc.)

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    o Generacin de electricidad en la baldosa piezoelctrica se produce en 3 fases:

    o En cada una de las fases: prdidas por transmisin de energa (mecnica, mecnica-elctrica y elctrica). Rendimiento de la transformacin no es del 100% (ideal).

    o Conexionado elctrico entre los piezoelctricos agrupados en filas:

    Serie: C I Voltaje Paralelo: C I Voltaje

    DISEO DEL GENERADOR: FUNCIN

    1 Fase: Captacin Energa Mecnica de la pisada: Fuerza sobre el generador.

    2 Fase: La compresin (FLEXIN) origina un Voltaje (AC) por efecto piezoelctrico.

    3 Fase: La ddp permite disponer de Energa Elctrica en la salida.

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    o Diagrama de Bloques y Componentes Elctricos

    DISEO DEL GENERADOR: ELECTRNICA ASOCIADA

    o Grficas obtenidas en las diferentes partes del circuito electrnico:Voltaje en la salida del piezoelctrico (1) y tras su rectificacin (2).Posterior al almacenamiento en el condensador (3) y su aplicacin a una cargasituada en la salida del circuito electrnico (4).

    Piezoelctrico: wafer de PZT (PSI-5A4E)Rectificacin mediante Puente de Diodos (Graetz): voltaje de AC a DC.Almacenamiento del voltaje generado en un condensador.Carga que el usuario elija (LED, batera, envo de seal, etc.)

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