Propuesta de diseño de un piso generador de energía eléctrica

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

“PROPUESTA DE DISEÑO DE UN PISO GENERADOR

DE ENERGÍA ELÉCTRICA”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

P R E S E N T A N

CORTÉS HERNÁNDEZ ADRIANA ENSAZTIGA PEREZ ERICK MANUEL PINEDA FLORES MARCO ANTONIO

ASESORES

ING. ENRIQUE GALINDO IBARRA

ING. ERIKA VIRGINIA DELUCIO RODRÍGUEZ ING. GUILLERMO BASILIO RODRÍGUEZ

Resumen:

Dedicatorias y agradecimientos:

Doy infinitamente gracias a mis asesores por su guía a lo largo de la tesis y acompañarme en este camino que hoy culmina en el presente proyecto, por compartir sus conocimientos conmigo e inspirar en mi mucha admiración.

De igual forma, a mis padres, quienes han sabido formarme con buenos sentimientos, hábitos y valores, lo cual me ha ayudado a salir adelante buscando siempre el mejor camino.

Pero especial mente a mis hermanos y amigos que han estado incondicionalmente en mi camino y que hoy es un honor reconocerlos:

Claudia Pineda Flores, Melina Pineda Flores, Yancarlo Melgar Flores, Adan Tena Pineda, Adriana Cortés Hernández, Darío Cortes Cortes, David Ruiz Bravo, Erick Manuel Ensaztiga Pérez, Jorge Vázquez Espinosa, José Ricardo Leal flores, Juan Carlos García Galindo, Roberto Carlos Ferreira Espinosa, Rogelio Jonathan Olvera Gutiérrez, Salatiel Elías arenas, Israel Hidalgo Gama, Alejandro Santiago Guerra, Vicente Nuñes López,

Porque gracias a ellos sé lo que es la amistad verdadera, valor importante en mi vida, gracias por estar conmigo estos años, por aconsejarme, regañarme, compartir risas, compartir llantos en todo este tiempo, Por ayudarme y estar conmigo a lo largo de la carrera, por permitirme conocerlos y ser parte de mi vida.

Para empezar quisiera agradecer a esta gran institución que me dio la oportunidad de ser parte de ella, que sin pedir nada más que responsabilidad cobijo mis esperanzas y que sin saber quién era permitió que yo estuviera en sus aulas.

A mis profesores y en especial a mis asesores de tesis, porque siempre estuvieron ahí para apoyar y levantar este proyecto sin saber incluso que respuesta iban a tener, porque nunca dejaron que la vela se apagara y me mantuvieron con la cabeza arriba.

A mis padres porque nunca me dejaron solo, aguantaron tanto que no tendré tiempo suficiente para compensar todo lo que hicieron por mí, este proyecto va por ellos y todos mis logros son para ellos, porque su fe en mi fue tal, que mi carrera y este proyecto fue posible. A mi madre por aguantar mi rebeldía, porque entendió que nunca dejaría este proyecto y que solo eran mis medios de distracción para no estar presionado. A mi padre, porque su fortaleza me ayudo a sacar esto adelante, porque sus palabras me hicieron entender muchas cosas y su esfuerzo ha valido para que yo, hoy termine algo más en mi vida.

A mis pequeños hermanos, Tavo y Vic, que los quiero y los respeto, porque a pesar de ser pequeños, sabían lo difícil que era esto y supieron respetar mi espacio cuando lo necesitaba, porque cada vez que estaba presionado supieron alegrarme el camino y ponerme de buen humor con tan solo mirarme, porque quiero ser un ejemplo para ellos, gracias pequeños.

Y al final, pero no menos importante, a todos mis amigos, que siempre estuvieron ahí, porque nunca bajaron los brazos y siguieron este camino junto a mí, porque sé que cuando los necesite van a estar ahí y porque sé que jamás se van a olvidar de mí, muchas gracias amigos.

Dedico esta tesis a mi familia y a ti mi amigo incondicional, pues sin su guía, amor, apoyo y paciencia no sería yo exactamente la persona que soy.

Agradezco al equipo de trabajo conformado para realizar el proyecto, entre risas, desvelo y presiones, finalmente tenemos presente el fruto de nuestro esfuerzo.

Al Ingeniero Enrique Galindo Ibarra por la confianza depositada en la realización del proyecto, por compartir sus conocimientos teniendo siempre presente esa chispa que contagia y alienta a esforzarse sin pensar en darse por vencido gracias mil.

Al Ingeniero Guillermo Basilio Rodríguez que nunca consideró una opción escoger otro tema para realizar el proyecto gracias por no dejarnos tirar la toalla.

A la ingeniera Erika Virginia DeLucio Rodríguez por las observaciones y propuestas tan objetivas que hizo a nuestro trabajo para mejorarlo.

A los asesores gracias por la confianza, dedicación y paciencia.

Al señor Cornelio Cortés Medina por ser un padre digno de la admiración de su hija gracias por ser mi ejemplo de fortaleza.

A mi madre María de Lourdes Hernández no hay más que decir gracias y expresarte que mi agradecimiento hacia ti comienza en esta hoja escrito con tinta pero no tiene fin.

A mis hermanas Clau, Sandy, Ale y Liz gracias por todos los momentos juntas, Ale especialmente te agradezco por haber traído a ese angelito a iluminar aun más mi vida.

A mis amigos y amigas que siempre enviaron buena vibra al proyecto y a mi persona. Por esos momentos inolvidables que hemos pasado juntos gracias.

Porque sin importar las circunstancias siempre estoy en el lugar correcto y rodeada de la gente indicada.

Índice

TEMA Página

Introducción 1

Objetivos 2

Justificación 3

CAPITULO 1 GENERALIDADES

1.1 Análisis y evaluación de la situación actual 5

1.2 Propuesta de solución 6

1.3 Alcances 7

CAPITULO 2 MARCO CONCEPTUAL

2.1 Generación de energía eléctrica 9

2.2 Contaminación 11

2.2.1 Tipos de contaminación 11

- Contaminación del agua - Contaminación del aire - Contaminación del suelo - Contaminación radiactiva

2.3 Energías limpias 13

2.3.1 Tipos de energías limpias 14

2.3.1.1 Energías limpias renovables 14

- Energía solar - Energía eólica - Energía geotérmica - Energía hidráulica - Biomasa

- Energía mareomotriz

2.3.1.2 Energías limpias no renovables 17

- Gas natural

2.5 Nuevas tecnologías de generación alternas o limpias 19

2.5.1 Planta generadora de energía eléctrica termo-solar 19

2.5.1.1 Torre de concentración solar 20

2.5.1.2 Tecnología de canal solar 20

2.5.2 Pilas de hidrogeno 22

CAPITULO 3 MATERIALES PIEZOELECTRICOS

3.1 Antecedentes 24

3.1.1 Efecto piezoeléctrico 26

3.2 Tipos de piezoeléctricos 29

3.2.1 Naturales 29

- Cuarzo - Azúcar

- Sal de Rochelle - Topacio

- Minerales de Turmalina

3.2.2 Artificiales (Ferroeléctricos) 30

- Sulfato de litio - Titanato de bario - Metaniobato de bario - Zirconato titanato de plomo

3.3 Aplicaciones de los materiales piezoeléctricos 32

3.4 Zirconato Titanato de Plomo (PZT) 32

3.4.1 Fabricación 34

CAPÍTULO 4 DESARROLLO DE LA PROPUESTA DE SOLUCIÓN

4.1 Pruebas realizadas al piezoeléctrico 36

4.2 Unidad y configuración de piezoeléctricos 47

4.3 Desarrollo del piso generador de energía eléctrica 48

4.4 Pruebas realizadas al piso generador de energía eléctrica 57

4.4.1 Prueba de tensión al piso generador de energía eléctrica 57

ANALISIS DE FACTIBILIDAD

- Costos de los materiales piezoeléctricos 64

CONCLUSIONES

75

GLOSARIO

77

ANEXOS

82

REFERENCIAS

Introducción

La generación de energía eléctrica mediante fuentes alternas ha ganado terreno en la actualidad, tanto que se pretende que a futuro sean tan eficientes como los procesos convencionales de generación de energía eléctrica (hidroeléctrica, termoeléctrica, etc.), estas nuevas formas de generación quizá no sustituyan a las formas convencionales por completo, pero bien podrían complementarlas,

Teniendo en cuenta la existencia de materiales que posibilitan el desarrollo de nuevas fuentes de generación, este proyecto se enfoca a los materiales piezoeléctricos, que son cristales naturales o sintéticos.

Considerando a los piezoeléctricos como un elemento importante en el sistema alterno de generación de energía eléctrica, mismo que funciona gracias a la presión ejercida al caminar sobre una superficie constituida por estos materiales, la energía eléctrica producto de este proceso es almacenada y posteriormente utilizada para alimentar cargas que así lo requieran.

Objetivos

Justificación

Hoy día, los métodos de obtención de energía eléctrica se han tornado nocivos para el entorno ambiental, si bien ésta no es la causa principal, sí es una razón de peso para pensar en la posibilidad de desarrollar medios alternos de generación de energía eléctrica, capaces de satisfacer la demanda necesaria y que además sean amigables con el medio ambiente.

El desarrollo de nuevas fuentes de generación menos contaminantes ha dado paso a lo que se conoce como energías limpias, que permiten la obtención de energía eléctrica a partir de las fuerzas de la naturaleza, en conjunto con sistemas adecuados para su captación y transformación.

El hombre en su condición de ser social, se desplaza con frecuencia de un lugar a otro por diversas razones (trabajo, diversión, etc.), para realizar este trabajo, hace uso de su capacidad motriz, en este proyecto se aprovechará la energía mecánica producida por el hombre al caminar, ya que ejerce presión en la superficie sobre la que se desplaza.

Conjuntando la presión mecánica producida por el cuerpo humano con materiales piezoeléctricos situados debajo de la superficie que se encontrará sometida a dicha presión (atendiendo a la característica que poseen los materiales piezoeléctricos de generación de energía eléctrica bajo un esfuerzo mecánico), se constituirá un sistema de generación de energía eléctrica mediante un proceso alternativo y limpio, en el que la fuente de generación tiene un tiempo de vida prolongado.

CAPÍTULO 1

1.1 Análisis y evaluación de la situación actual

Los procesos de generación de energía eléctrica por los métodos tradicionales (hidroeléctricas, termoeléctricas, nucleoeléctricas), producen contaminación, por ejemplo, las centrales termoeléctricas, pues su funcionamiento depende de la quema de combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) que son sumamente contaminantes, pues la combustión emite gases de invernadero, en especial el

dióxido de carbono (CO2) considerado como el principal responsable del

calentamiento de la Tierra. Los procesos convencionales de generación de energía eléctrica, sobreexplotan los recursos naturales, en especial el petróleo que es el energético más importante del planeta, por la gran variedad de productos

que pueden obtenerse del mismo.1

Figura 1.1 El mundo sin contaminación2

El aumento de la población, significa un incremento en la demanda de energía eléctrica, que, para ser abastecida exige a las centrales generadoras elevar su nivel de producción; para lograrlo, se necesita más combustible y por tanto se produce más contaminación.

Echando un vistazo al panorama actual, sin restarle importancia al petróleo como energético principal y natural; se promueve el uso de otros recursos naturales que no deban ser sometidos a procesos contaminantes para obtener de ellos energía eléctrica, pues son capaces de generarla directamente.

1

1.2 Propuesta de solución

Se expone el diseño de una fuente alterna de generación de energía eléctrica como propuesta de solución a las consecuencias negativas que trae consigo la generación de energía eléctrica mediante el uso de combustibles fósiles; la propuesta consiste en producir energía eléctrica por medio de materiales piezoeléctricos, atendiendo a la propiedad que poseen de producir una diferencia de potencial en su superficie al aplicarle una presión mecánica, este efecto polariza su estructura y mediante dos electrodos es posible almacenar la tensión que se genera.

El diseño consiste en un arreglo conformado por elementos piezoeléctricos interconectados, este conjunto se localiza bajo una superficie plana previamente determinada formando módulos, agrupándolos y constituyendo de esta manera un “piso generador de energía eléctrica” que funciona con sólo caminar sobre él, por esta razón el sistema debe ser instalado en lugares concurridos.

1.3 Alcancesy limitaciones

Partiendo de que la información sobre materiales piezoeléctricos aplicados a la generación de energía eléctrica es reducida, se optó por llegar únicamente a la propuesta de diseño del sistema de generación.

Los materiales piezoeléctricos de alta calidad para la generación de energía eléctrica (piezoeléctricos de potencia), tienen un precio elevado en el mercado, por esta razón se utilizaron materiales económicos que tienen las mismas propiedades piezoeléctricas pero al ser de menor calidad, generan menor tensión y corriente.

CAPÍTULO 2

2.1 Generación de energía eléctrica

La generación de electricidad consiste en transformar alguna clase de energía no eléctrica, sea química, mecánica, térmica o luminosa, en energía eléctrica.

La generación de energía eléctrica requerida para cubrir la demanda poblacional, de la industria, la agricultura, el comercio y los servicios, se realiza en diferentes tipos de centrales, dependiendo de la fuente primaria de energía utilizada son clasificadas como sigue:

 Centrales hidroeléctricas

La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.

Figura. 2.1 Esquema general de central hidroeléctrica. 3

3

 Centrales termoeléctricas

La función de una central Termoeléctrica es utilizar la energía de la combustión de los combustibles fósiles en una caldera generando energía calorífica y luego en eléctrica.

Figura. 2.2 Esquema general de central termoeléctrica.4

 Centrales nucleares

La función de una Nucleoeléctrica es utilizar la energía liberada en las reacciones

de fisión nuclear generando energía calorífica y luego en eléctrica.

Figura. 2.3 Esquema general de central nucleoeléctrica5

4

Jenijos. Centrales hidroelectricas. http://www.jenijos.com/CENTRALESTERMICAS/centrales_termicas.htm

5

 Centrales eólicas

La función de una central Eólica es utilizar la energía del viento como energía primaria para la producción de energía mecánica y luego en eléctrica.

Figura. 2.4 Esquema general de central eólica6

2.2 Contaminación

Es la transmisión y difusión de humos o gases tóxicos a medios como la atmósfera y el agua, también se llama así, a la presencia de polvos y gérmenes microbianos provenientes de los desechos de la actividad del ser humano.

En la actualidad, el resultado del desarrollo y progreso tecnológico ha originado diversas formas de contaminación, las cuales alteran el equilibrio físico y mental del ser humano. Debido a esto, la actual contaminación se convierte en un problema más crítico que en épocas pasadas.

2.2.1 Tipos de contaminación

Los tipos de contaminación más importantes son los que afectan a los recursos naturales básicos: el aire, los suelos y el agua. Algunas de las alteraciones medioambientales mas graves relacionadas con los fenómenos de contaminación son los escapes radioactivos, el smog, el efecto invernadero, la lluvia acida, la destrucción de la capa de ozono, la eutrofización de las aguas o las mareas negras.

Existen diferentes tipos de contaminación que dependen de determinados factores y que afectan distintamente a cada ambiente. A continuación se muestran y definen los principales tipos de contaminación:

 Contaminación del agua: el ciclo natural del agua tiene una gran capacidad de purificación. Pero esta misma facilidad de regeneración del agua, y su aparente abundancia, hace que sea el vertedero habitual en el que arrojamos los residuos producidos por nuestras actividades.

Primero fueron los ríos, las zonas portuarias de las grandes ciudades y las zonas industriales las que se convirtieron en sucias cloacas, cargadas de productos químicos, espumas y toda clase de contaminantes. Con la industrialización y el desarrollo económico, este problema se ha ido trasladando a los países en vías de desarrollo, a la vez que en los países desarrollados se producían importantes mejoras.

 Contaminación del aire: es uno de los problemas ambientales mas importantes, y es resultado de las actividades del hombre. Las causas que originan esta contaminación son diversas, pero el mayor índice es provocado por las actividades industriales, comerciales, domesticas y agropecuarias.

La combustión empleada para obtener calor, generar energía eléctrica o movimiento, es el proceso de emisión de contaminantes mas significativo. Existen otras actividades, tales como la fundición y la producción de sustancias químicas, que pueden provocar el deterioro de la calidad del aire si se realizan sin control alguno.

 Contaminación del suelo: consiste en introducir sustancias contaminantes, ya sea en el suelo, debido al uso de pesticidas para la agricultura, por riego con agua contaminada, por el polvo de zonas urbanas y las carreteras, o por los relaves mineros y desechos industriales derramados en su superficie, depositados en estanques o enterrados.

 Contaminación radioactiva: es toda aquella contaminación tanto en el aire, el suelo o el agua, producida por el uso de sustancias radioactivas de origen natural o artificial, sustancias derivadas de la energía nuclear y las centrales termonucleares.

2.3 Energías limpias

La producción de energía eléctrica está dirigida a facilitar las actividades humanas. Sin embargo, es necesario reconocer que los medios por los que se obtiene la energía eléctrica también causan graves inconvenientes pues el uso de combustibles fósiles, recursos minerales y la energía nuclear han provocado un aumento inmoderado y niveles peligrosos de contaminantes ambientales, con el consecuente perjuicio de la salud y el deterioro del ecosistema.

La conciencia ecológica ha dejado de ser una moda, para convertirse en una necesidad apremiante. Si no modificamos las formas de obtener energía, estaremos condenando irremisiblemente nuestro presente y el futuro de la

humanidad y del planeta.7

Las llamadas energías limpias representan la alternativa más prometedora para mejorar las fuentes energéticas sin los riesgos actuales, ya que las energías limpias son aquellas que no generan residuos como consecuencia directa de su utilización, básicamente se puede decir que son aquellas que respetan el medio ambiente y son consideradas como una energía en pleno desarrollo en vista de

nuestra preocupación actual por la preservación del medio ambiente.8

Figura. 2.5 Energías limpias8

7

iESPANA. (1996-2009). energias alternas. http://miquelgisbert.iespana.es/miquelgisbert/penya/pagines/rsu.htm

2.3.1 Tipos de energías limpias

Las energías limpias son consideradas energías renovables, sin embargo no solo las energías renovables son limpias, sino que también existen energías no

renovables que son consideradas dentro de la clasificación de energía limpia.9

Figura. 2.6 Tipos de energías limpias10

Es por ello identificar estas energías limpias como:

Energías limpias renovables Energías limpias no renovables

2.3.1.1 Energías limpias renovables

Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, unas por la inmensa cantidad de energía que contienen, y otras porque son capaces de regenerarse por medios naturales.

9

Jódar, M. La energia, Energias alternas/Energias limpias. http://www.manueljodar.com/pua/pua4.htm

10

Las principales energías limpias renovables se enuncian a continuación:

 Energía solar: el sol emite a cada instante cantidades importantes de radiación luminosa y calorífica.

Es el recurso energético más abundante del planeta. La energía que suministra el sol es ilimitada, inagotable y limpia.

Desde hace algún tiempo se han estado construyendo colectores para aprovechar la radiación que presenta el sol.

Se ha demostrado que la energía solar puede aprovecharse para producir energía mecánica y eléctrica, aunque queda por investigar las repercusiones medioambientales que pueden surgir en la fabricación de los elementos fotovoltaicos, su impacto sobre el medio, evidentemente, es positivo.

 Energía eólica: el viento es uno de los recursos renovables más atractivos, a pesar de su naturaleza intermitente y variable.

Actualmente se usa para la producción de electricidad, generada por las aspas de gigantescas turbinas, que transforman la fuerza del viento en energía eléctrica. Para que su productividad sea óptima, han de ser de uno tamaño considerable y emplazados en lugares muy expuestos al viento.

 Energía geotérmica: se sabe que el núcleo de la tierra conserva una temperatura muy alta. En ocasiones se forma los llamados pozos geotérmicos que no son otra cosa que formaciones rocosas que han atrapado agua.

Esta agua se calienta y puede presentarse en forma de vapor o posiblemente en forma de líquido caliente. En la actualidad existen plantas generadoras de electricidad que utilizan la energía geotérmica. Los estudios sobre sus aplicaciones presentan un futuro prometedor.

Esta modalidad energética es aceptable ecológicamente, siempre y cuando se apueste por la construcción de minipresas, cuyo principio es idéntico al de los grandes embalses, sin embargo, su impacto ambiental es reducido y su rendimiento, aunque menor, es perfectamente almacenable y válido para consumo. Lo ideal es la creación de una red de minicentrales hidroeléctricas que abastezcan de agua y electricidad a zonas rurales muy limitadas. De esta forma la diversificación y la eficacia será mayor y el impacto ecológico mucho más reducido.

 Biomasa: constituye en muchos aspectos la opción más compleja de energía renovable. Consiste en la transformación de materia orgánica, como residuos agrícolas e industriales, desperdicios varios, aguas negras, residuos municipales, residuos ganaderos, troncos de árbol, restos de cosechas, en energía calórica o eléctrica.

Se describe frecuentemente como una sustancia orgánica, renovable, de origen animal o vegetal. La radiación solar que llega al planeta es la fuente de energía que contiene la biomasa. Puede ser utilizada como combustible en diversos aprovechamientos energéticos.

Una de las formas más frecuentes de utilizar la biomasa es construir digestores de biomasa, donde se hace fermentar la materia orgánica en ausencia del aire. Conforme el proceso se va desarrollando se generan gases combustibles, como el metano.

 Energía Mareomotriz: se describe como la energía proporcionada por las mareas se aprovecha para generar electricidad. Esta circunstancia se produce en un número muy reducido de localizaciones.

Constituye una energía muy limpia, pero plantea algunas cuestiones por resolver, sobre todo a la hora de construir grandes instalaciones:

 Impacto visual y estructural sobre el paisaje costero.

 Efecto negativo sobre la flora y la fauna.

Estos inconvenientes pueden quedar minimizados con la construcción de instalaciones pequeñas, de menor impacto ambiental pero mayor costo de realización.11

11

2.3.1.2 Energías limpias no renovables

Son aquellas energías generadas a partir de fuentes que se encuentran en la naturaleza en cantidad limitada y que, una vez consumidas en su totalidad, no pueden sustituirse, ya que no existe sistema de producción o extracción viable.

La principal energía limpia no renovable se enuncia a continuación:

 Gas Natural: Constituye un tipo de energía no renovable, ligado muy directamente a la industria del petróleo, aunque las consecuencias derivadas de su consumo son menos perjudiciales para el entorno natural.

En realidad, debido a su menor impacto, se podría utilizar como una energía tránsito, capaz de sustituir con éxito al carbón al petróleo, a corto o medio plazo, hasta alcanzar un óptimo desarrollo y aplicación de las energías limpias. Esto representaría una reducción importante en la emisión de contaminantes.

 Ventajas en comparación con otras fuentes energéticas: - Barato.

- Rendimiento energético mayor.

- Suministro permanente que no obliga a almacenamientos ni se arriesga a desabastecimientos.

- Reserva mundial inmensa (superior a la del petróleo).

- Menor contaminación directa, debido a que no contiene azufre y la producción de CO2 es mínima.

- Menor contaminación indirecta, pues no necesita transporte por carretera.

 Inconvenientes:

- No es una fuente energética renovable.

- La instalación de conductos produce impactos ambientales, aunque limitados.

2.4 Energía humana

El ser humano es el portador de características únicas, irrepetibles e insustituibles, que lo diferencian del resto de especies existentes ya que posee el más alto nivel de complejidad y especialización: como la conciencia, la capacidad de expresarse manifestando sus ideas a través del lenguaje, tiene conocimiento sobre sí mismo y su alrededor, conocimiento de sus estados emocionales, tendencia a la autorrealización, capacidad de elección, creatividad y desarrollo en una sociedad, considerando que funciona como una totalidad por que cada órgano, cada tejido, cada sistema del cuerpo de un ser humano se encuentran interrelacionados y es esto entonces lo que le imprime ese equilibrio necesario para desarrollar todas y cada una de estas actividades y es por ello que se le denomina como un organismo bio, psico, social.

Es un ser biológico ya que posee un cuerpo físico que le permite desplazarse dotado de órganos sensibles que le posibilitan el contacto con el mundo exterior, para cumplir las mencionadas funciones como lo es su capacidad de movimiento y locomoción, también el ser humano, es de los más desarrollados y plásticos del reino animal, ya que puede desplegar una infinita gama de movimientos, los cuales además, lo habilitan para desarrollar actividades como por ejemplo la

danza, el deporte, el arte escénico, y hasta el propio caminar entre otras.12

El hombre, produce y genera energía en su tejido celular, nervios, músculos, en el cerebro, esto fue constado hace muchas décadas por varios investigadores como Buntzen y Koemtz, quienes llegaron a construir pilas galvánicas únicamente con ciertos tejidos de carne y nervios.

Esta energía es producida gracias a los alimentos, pues la energía va del alimento hacia el cuerpo, para desarrollar diversas funciones mediante transformaciones de la energía. El cuerpo puede almacenarla, o utilizarla de inmediato para moverse.

El ser humano genera energía en cada una de las actividades que realiza, sin embargo esta cualidad en su totalidad no es considerada y por tanto es desperdiciada, una actividad que presentan los seres humanos frecuentemente es el caminar, este proceso ejerce presión mecánica sobre la superficie que pisa el individuo.

12

2.5 Nuevas tecnologías de generación alternas o limpias

Las energías limpias son fuentes de obtención de energía, sin destrucción del medio ambiente, han sido investigadas y desarrolladas en las últimas décadas.

Una energía alternativa, o dicho de otra manera una fuente de energía alternativa es aquella que puede suplir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de renovación ya que se regeneran de manera natural y cuya tasa de utilización

no afecta la existencia de la fuente energética.13

Las fuentes alternas de energía se originan en la energía solar ó en formas que provienen de la tierra, la energía solar directa permite conversión térmica y conversión fotovoltaica. La biomasa es generada por la conversión fotosintética de la energía solar a energía química almacenada en tejidos de plantas. La energía eólica aprovecha el movimiento de masas de aire inducido por el calentamiento de las masas por la radiación solar.

Las crisis energéticas han cambiado la perspectiva mundial sobre el alto consumo de energía barata y es por ello que empezó a apreciar la insuficiencia de los recursos energéticos, principalmente los combustibles fósiles.

Las fuentes alternas de energía recibieron un apoyo importante en su desarrollo, si bien proporcionalmente su porcentaje de aplicación es todavía limitado.

La conciencia mundial sobre el uso de recursos y la creciente preocupación sobre los impactos ambientales, está aumentando el protagonismo de las fuentes alternas y limpias de energía, sin embargo, esta misma sensibilización ocasiona que los nuevos proyectos de energización con fuentes renovables, sean analizados con una perspectiva más estricta en todos sus impactos, como los que se mencionas a continuación.

2.5.1 Planta generadora de energía eléctrica termo-solar

Las planta generadoras de energía eléctrica termo-solar consisten del mismo funcionamiento que presentan las plantas termoeléctricas solo que esta nueva tecnología genera vapor por medio de la energía solar. Esto se puede lograr por medio de dos maneras distintas:

 Torres de concentración.

 Canal de concentración.

13

2.5.1.1 Torre de concentración solar

En este sistema, la luz del sol es concentrada por espejos a una torre donde se genera vapor o se calienta un líquido que posteriormente se usará para generar vapor y mover las turbinas del generador.

Figura. 2.7 Central termo solar Torre de concentración solar - Vista superior14

Figura. 2.8 Central termo solar Torre de concentración solar – Vista lateral14

2.5.1.2 Tecnología de canal solar

La energía de concentración solar, funciona recalentando un medio líquido por medio de una gran área de espejos parabólicos, generalmente aceite, que es utilizado para calentar agua y generar vapor, que a su vez es usado para mover a una turbina conectada a un generador de electricidad.

14

Dentro de las tecnologías de energía de concentración solar que se han desarrollado el sistema de canales es el más probado y maduro, habiendo demostrado su confiabilidad en instalaciones a gran escala. Estos sistemas han estado funcionando desde la década de los 80´s y teniendo mejoras impresionantes en rendimiento y costo. Actualmente se generan en el mundo más de 300 MW con sistemas de canales, hay 400 MW en construcción y se hacen planes para 6 GW.

Figura. 2.9 Central termo solar Canal solar – Canal de espejos solares15

Al generar la electricidad mediante vapor, este tipo de plantas termoeléctricas solares pueden ser integradas fácilmente con plantas termoeléctricas convencionales o plantas de ciclo combinado a un bajo costo adicional.

Figura. 2.10 Central termo solar Canal solar – Vista superior15

La energía de concentración solar es casi ideal para entregar electricidad en las horas de alta demanda eléctrica, a través del día y el año. Esto es debido al uso de los acondicionadores de aire, debido a que estos aparatos, que son grandes consumidores de electricidad, se encienden durante los días más calurosos; justo cuando las plantas de energía de concentración solar entregan su mayor cantidad de electricidad.

2.5.2 Pilas de hidrogeno

En la búsqueda de energías limpias, se han obtenido las pilas de combustible y especialmente las de hidrógeno como la mejor alternativa de calor y de energías limpias. Este tipo de energía se producirá a partir de las energías renovables como la energía fotovoltaica, la energía solar y la energía eólica y no a partir de los combustibles fósiles como el gas natural o el petróleo.

Las pilas de hidrógeno son un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno, en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería.

Figura. 2.11 Pila de hidrogeno16

Los reactivos típicos utilizados en una pila de combustible son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno en el lado del cátodo.

Por otra parte las baterías convencionales consumen reactivos sólidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad.

Es una realidad que la demanda de energía está creciendo a una velocidad insospechada y que los combustibles fósiles, principales suministros de energía, están presentando problemas serios como la disminución de las reservas de petróleo, la contaminación a consecuencia de gases, la elevación de precios y la

regulación de la política de medio ambiente.16

16

CAPÍTULO 3

3.1 Antecedentes

La palabra piezo se deriva de la palabra griega: “piezein” (πιεζω) que significa estrechar, apretar u oprimir. La primera demostración experimental del efecto piezoeléctrico fue publicada en 1880 por Pierre Curie y Jacques Curie, dos físicos franceses. Descubrieron este fenómeno ya que su experimento consistió en la medición definitiva de las cargas que aparecen en la superficie de cristales especialmente preparados (turmalina, cuarzo, topacio, caña de azúcar y sal de Rochelle, entre otros) que fueron sometidas a esfuerzos mecánicos, ellos llamaron a este fenómeno “efecto piezoeléctrico”.17

En 1881 Lippman dedujo matemáticamente a través de los principios fundamentales de termodinámica el efecto piezoeléctrico inverso. Los Curie de inmediato confirmó la existencia del "efecto contrario", y continuó hasta obtener una prueba cuantitativa de la reversibilidad completa de las electro-deformaciones en los cristales piezoeléctricos. Al aplicar un campo eléctrico al cristal este proporcionaba una deformación al material. Este efecto era referido como efecto “piezoeléctrico inverso” Los materiales piezoeléctricos pueden ser utilizados para convertir energía eléctrica en energía mecánica y viceversa.

En los círculos científicos de la época, este efecto se consideró todo un "descubrimiento" y rápidamente fue apodado como "piezoelectricidad" para distinguirla de otras áreas de la experiencia fenomenológica científicas tales como "electricidad de contacto" (la electricidad generada por la fricción estática) y "piroelectricidad" (electricidad generada a partir de cristales de calefacción).

Los hermanos Curie, afirmaron, que existía una relación uno a uno entre los efectos eléctricos de los cambios de temperatura y la tensión mecánica en un cristal, y que habían utilizado esta correspondencia, no sólo para obtener los cristales para el experimento, y también para determinar los cortes de los cristales.

Después del descubrimiento pasaron varias décadas antes de que se utilizara el fenómeno piezoeléctrico. La primera gran aplicación de trabajo en los dispositivos piezoeléctricos tuvo lugar durante la Primera Guerra Mundial En 1917, por P. Langevin y la cooperación de científicos franceses, comenzaron a perfeccionar un detector ultrasónico de submarinos. Consistía en un mosaico de cristales de cuarzo finamente pegada entre dos placas de acero (con una frecuencia de resonancia de aproximadamente 50 KHz), montados en una caja adecuada para la inmersión. Que logró su objetivo de emitir una alta frecuencia bajo el agua y la medición de profundidad por la detección del eco al retornar. La importancia estratégica de su logro no fue pasada por alto en las naciones industrializadas, desde entonces el desarrollo de elementos piezoeléctricos y materiales no ha cesado.

17

Durante la Segunda Guerra Mundial, en los EE.UU., Japón y la Unión Soviética, grupos aislados de investigación que trabajan sobre los materiales descubrieron que ciertos materiales cerámicos (preparado por sinterización de polvos de óxido metálico) mostraron constantes dieléctricas de hasta 100 veces mayor que los cristales de corte común. Por otra parte, la misma clase de materiales (llamados ferroeléctricos) se hicieron a mostrar mejoras similares en las propiedades piezoeléctricas. El descubrimiento de las cerámicas piezoeléctricas fácilmente fabricado con características de rendimiento asombroso, naturalmente, provocó un renacimiento de una intensa investigación y el desarrollo de los dispositivos piezoeléctricos.

Los avances en la ciencia de los materiales que se hicieron durante esta fase se dividieron en tres categorías:

 La evolución de la familia de titanato de bario de piezo-cerámicos y más

tarde la familia de titanato de plomo zirconato.

 El desarrollo de la comprensión de la correspondencia de la estructura

cristalina de perovskita a la actividad electro-mecánica.

 El desarrollo de una base para el dopaje, tanto de estas familias con

impurezas metálicas con el fin de alcanzar las propiedades deseadas como la rigidez constante dieléctrica, coeficientes de acoplamiento piezoeléctrico.

Todos estos avances han contribuido a establecer un nuevo método de desarrollo de dispositivos piezoeléctricos, a saber, la adaptación de un material para una aplicación específica.

Actualmente el fenómeno piezoeléctrico es a menudo encontrado en la vida diaria, ya que fue hasta principios del siglo XX que los dispositivos prácticos comenzaron a aparecer. Por ejemplo en encendedores de gas para cigarrillos o encendedores para parrillas en estufas de gas; una palanca aplica una presión a un cristal piezoeléctrico creando un campo eléctrico lo bastante fuerte para producir una chispa que encienda el gas. Además relojes con alarma utilizan a menudo elementos piezoeléctricos. Cuando una tensión de C.A. es aplicado, el material piezoeléctrico se mueve a la frecuencia de dicha tensión y el sonido resultante es bastante alto.

El éxito comercial de los esfuerzos de los japoneses ha atraído la atención de la industria en muchos otros países y estimulado un nuevo esfuerzo para desarrollar con éxito los productos piezocerámicos.

A nivel mundial, sin embargo, todavía queda mucho trabajo de investigación pionero teniendo lugar, a dispositivos de invención y las patentes que son

3.1.1 Efecto piezoeléctrico

Los cristales, poseen algunas propiedades de las cuales la más conocida es el efecto piezoeléctrico, es un fenómeno físico que presentan algunos cristales y consiste en la generación de una pequeña diferencia de potencial entre las superficies de un sólido dieléctrico, cuando se aplica una tensión mecánica, lo presentan ciertos cristales, como el cuarzo. En caso que una tensión se aplique el

sólido se distorsiona.19

Figura. 3.1 Efecto piezoeléctrico – Diferencia de potencial presentada en un piezoeléctrico19

Este estrés puede ser causado por golpes o torciendo el material lo suficiente como para deformar su estructura cristalina. El efecto también trabaja en el sentido opuesto, con el material deformado levemente cuando una pequeña corriente eléctrica es aplicada.

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 producen una acumulación de carga eléctrica, produciéndose una diferencia de potencial eléctrico entre las caras del cristal, conectadas en serie pueden proporcionar un nivel de tensión adecuado.

En 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.

19

Cuando no hay tensión aplicada sobre el material, las cargas positivas y negativas están distribuidas de manera uniforme por lo que no hay diferencia de potencial. El efecto piezoeléctrico inverso se produce cuando el campo electrostático creado por una corriente eléctrica provoca que los átomos del material se muevan

ligeramente.20

Este efecto tiene muchas aplicaciones útiles como la producción y ubicación de sonido, generación de altas tensiones, generación de frecuencias electrónicas, microbalances y generación de electricidad.

Una material piezoeléctrico es aquel que produce una carga eléctrica cuando una tensión mecánica es aplicada (el material es apretado o estirado). Por el contrario, una deformación mecánica (el material se expande o contrae) se produce cuando se aplica un campo eléctrico.

Para explicar esto, tenemos que mirar a las moléculas individuales que componen el cristal. Cada molécula tiene una polarización, es más negativo en un extremo y el otro extremo está cargado positivamente, esto se llama dipolo. Este es el resultado de los átomos que componen la molécula y la forma en que las moléculas se forman. El eje polar es una línea imaginaria que atraviesa el centro

de ambas cargas en la molécula.21

En un monocristal los ejes polares de todos los dipolos viajan en una dirección, se dice que el cristal es simétrico porque si se fuera a cortar el cristal en cualquier punto, los ejes polares resultantes de las dos piezas viajarían en la misma dirección que el cristal original.

Figura 3.2 Esquema de las Moléculas de un Monocristal20

20

En un policristal hay diferentes regiones dentro del material que tienen diferentes ejes polares. Es asimétrico porque no hay un punto en el que el cristal pueda ser

cortado y dejar dos piezas con el mismo eje polar resultante.22

Figura 3.3 Esquema de las moléculas de un Policristal20

De las diversas clases de cristales existentes en la naturaleza, únicamente algunos exhiben el efecto piezoeléctrico, pero solo unos pocos son útiles. Los cristales piezoeléctricos carecen de centro de simetría. Cuando una fuerza los deforma, en su estructura de red, el centro de gravedad de las cargas positivas y negativas en el cristal se separa y producen la diferencia de carga en las superficies.

Figura 3.4 Material piezoeléctrico23

22

Kao, K. C. (2004). Dielectric Phenomena in Solids. USA: Elsevier

23

3.2 Tipos de piezoeléctricos 3.2.1 Naturales

 Cuarzo

Se obtiene a partir de cristales naturales. Posee excelentes características estabilidad térmica, química y eléctrica. Es muy duro y resistente al desgaste así como al envejecimiento. Desafortunadamente, sufre interferencias en el modo de conversión y es el menos eficiente de los generadores de energía acústica. Requiere altas tensiones eléctricas para su manejo a bajas frecuencias. Se debe emplear a temperaturas menores de 550 °C, pues por arriba de ésta pierde sus propiedades piezoeléctricas.

 Azúcar

Se denomina azúcar a la sacarosa, cuya fórmula química es C12H22O11, también

llamado azúcar común o azúcar de mesa. La sacarosa es un disacárido formado por una molécula de glucosa y una de fructosa, que se obtiene principalmente de la caña de azúcar o de la remolacha azucarera.

 Sal de Rochelle

El Tartrato mixto de potasio y sodio KNaC4H4O6, 4H2O llamado comúnmente Sal

de Seignette o Sal de la Rochelle fue descubierto en 1672 por Pierre Seignette, farmacéutico de la Rochelle. Es una de las sales más nobles del Ácido tartárico. Tiene la propiedad piezoeléctrica

 Topacio

Se trata de un mineral cristalizado en el sistema ortorómbico con la fórmula general Al2SiO4 (OH, F)2, indicando el paréntesis alrededor de OH y F que la

 Minerales de Turmalina

La turmalina es un mineral del grupo de los silicatos. Tiene una formulación

química muy compleja (Na,Ca)(Al,Fe,Li)(Al,Mg,Mn)6(BO3)3(Si6O18).(OH,F)4). La

turmalina tiene propiedades tanto piroeléctricas como piezoeléctricas. Esto significa que en los dos extremos se acumulan cargas opuestas tanto bajo presión como al calentarlo. Estas cargas pueden atraer objetos ligeros y han dado nombre al elemento ya que turamali en ceilonés significa piedra que atrae las cenizas.

3.2.2 Artificiales  Sulfato de litio

Este material se considera como uno de los receptores más eficientes. Su ventaja principal es su facilidad de obtener una amortiguación acústica optima lo que mejora el poder de resolución, no envejece y es poco afectado por la interferencia en el modo de conversión. Sus desventajas son que es muy frágil, soluble en agua y se debe emplear a temperaturas menores de 75 °C.

 Titanato de bario

Es un óxido de bario y titanio, que posee la fórmula química: BaTiO3. Se trata de

un material cerámico ferroeléctrico, con propiedades piezoeléctricas y de efecto fotoretractivo. En estado de agregación sólido, posee cinco fases, de acuerdo a su temperatura: hexagonal, cúbica, tetragonal, ortorómbica y romboédrica (estructuras cristalinas ordenadas de acuerdo a temperatura decreciente). En todas las estructuras posee propiedades ferroeléctricas, excepto en la cúbica.

 Metaniobato de bario

Presenta un modulo piezoeléctrico elevado.

 Zirconato Titanato de plomo24

Material que presenta ferroelectricidad y de la piezoelectricidad en los materiales cerámicos, han dominado el campo de los materiales piezoeléctricos para el diseño de la mayoría de los dispositivos requeridos por la industria.

24

MATERIAL VENTAJAS DESVENTAJAS

Cuarzo

Se obtiene a partir de cristales naturales.

Posee excelentes características estabilidad térmica, química y eléctrica. Es muy duro y resistente al desgaste así

como al envejecimiento.

Sufre interferencias en el modo de conversión.

Es el menos eficiente de los generadores de energía acústica.

Requiere alto voltaje para su manejo a bajas frecuencias.

Se debe emplear a temperaturas menores de 550 °C, pues por arriba de ésta pierde

sus propiedades piezoeléctricas.

Sulfato de litio

Receptor más eficiente.

Facilidad de obtener una amortiguación acústica optima.

Mejor poder de resolución. No envejece.

Es poco afectado por la interferencia en el modo de conversión.

Es muy frágil Soluble en agua

Se debe emplear a temperaturas menores de 75 °C.

Cerámicos polarizados

Se obtienen por sinterización y se polarizan durante el proceso de

fabricación.

Se consideran como los generadores más eficientes de energía ultrasónica cuando operan a bajos voltajes de

excitación.

Prácticamente no son afectados por la humedad

Algunos pueden emplearse hasta temperaturas de 300 °C.

Resistencia mecánica relativamente baja. En algunos casos existe interferencia en

el modo de conversión.

Presentan tendencia al envejecimiento. Además poseen menor dureza y resistencia al desgaste que el cuarzo.

Titanato de bario

Es un buen emisor debido a su elevado modulo piezoeléctrico.

Problemas de acoplamiento y amortiguación.

Su empleo está limitado a frecuencias menores de 15 MHz, debido a su baja resistencia mecánica y alta impedancia

acústica.

Presenta interacción entre varios modos de vibración.

Metaniobato de bario

Presenta un modulo piezoeléctrico elevado lo que lo califica como buen

emisor.

Posee excelente estabilidad térmica, similar al cuarzo, lo que le permite ser

empleado a altas temperaturas.

Posee un elevado coeficiente de amortiguación interna, por lo que se considera como el mejor material para

generar impulsos cortos.

Presenta una baja frecuencia fundamental y una mala resistencia mecánica, por lo

que se aplica principalmente a frecuencias altas.

Presenta interacción entre varios modos de vibración.

Zirconato titanato de

plomo

Se considera como el mejor emisor por su alto modulo piezoeléctrico.

Sin embargo, es el más difícil de amortiguar por su alto coeficiente de

deformación.

3.3 Aplicaciones de los materiales piezoeléctricos

Pequeños cristales piezoeléctricos pueden producir suficiente tensión para generar una chispa suficientemente grande como para encender a un gas. Estos equipos de encendido se utilizan en aparatos de gas como hornos, parrillas, sala de calentadores, y calentadores de agua. Ellos son aún lo suficientemente pequeños como para caber dentro de los encendedores, aunque la mayoría de los encendedores todavía usa sílex, ya que cuestan menos. Si bien ha habido muchos intentos de generar electricidad a partir de estos efectos, ha resultado impráctico a gran escala.

Los cristales piezoeléctricos se utilizan en relojes electrónicos para mantener el momento y dar la alarma de ruido. Son también llamados relojes de cuarzo ya que el uso de cristal que se hace a menudo de cuarzo. Tiene una frecuencia natural que es ideal para la creación de las oscilaciones necesarias para mantener la hora exacta. Los relojes de cuarzo también se utilizan para organizar el flujo de datos

en ordenadores.25

Algunos discos de materiales piezoeléctricos también se usan para crear altavoces delgados que caben dentro de relojes de pulsera.

Se utilizan también en transductores, los cuales aplican un impulso eléctrico a un cristal piezoeléctrico para crear una onda de presión y, a continuación, producen una corriente cuando la onda reflejada deforma el cristal. El desfase temporal entre las dos corrientes se utiliza para rectificar la distancia de un objeto. Impresoras de inyección de tinta industrial utilizan el efecto piezoeléctrico para

pasar la tinta a través de cientos de boquillas en sus cabezales de impresión.26

3.4 Zirconato Titanato de Plomo (PZT)

Desde el descubrimiento de la ferroelectricidad y de la piezoelectricidad en los materiales cerámicos, en la década de los cuarenta, se ha producido un continuo incremento de nuevos materiales y desarrollo de nuevas tecnologías que han dado lugar a un número significativo de aplicaciones industriales y comerciales, en relación directa con estos fenómenos físicos. Las aplicaciones de los materiales cerámicos piezoeléctricos son muy numerosas.

Los materiales cerámicos basados en titanato circonato de plomo (PZT) han dominado el campo de los materiales piezoeléctricos para el diseño de la mayoría de los dispositivos requeridos por la industria, fundamentalmente en su aplicación como sensores y actuadores, debido por un lado a los elevados valores de sus parámetros piezoeléctricos en las proximidades de la frontera morfotrópica de

25

Arnau, A. (2008). Piezoelectric transducers and applications. USA: New York, Springer

26

fases y por otro lado a la facilidad de modificación de estos parámetros en función de diferentes dopantes.

Sin embargo, la producción en serie para su aplicación industrial, requiere un alto grado de reproducibilidad de las propiedades finales de estos materiales de PZT, relacionados con un adecuado control tanto de los parámetros de procesamiento que conllevan a una microestructura homogénea, inherente a estos materiales.

Las cerámicas piezoeléctricas forman uno de los grupos en que se clasifican como cerámicas electrónicas y constituyen el grupo más importante de las que se conocen como cerámicas avanzadas, también llamadas cerámicas de altas prestaciones, cerámicas finas o cerámicas técnicas. Los materiales cerámicos piezoeléctricos o materiales piezocerámicos, son compuestos de naturaleza cerámica capaces de desarrollar una polarización eléctrica espontanea al someterlos a un esfuerzo mecánico, y viceversa al someterlos a un campo eléctrico, producen deformaciones mecánicas.

Los materiales utilizados para preparar cerámicas piezoeléctricas son, principalmente, el titanato de bario, el circonato-titanato de plomo (PZT), el niobato de plomo, y en menor grado comercial, el titanato de bismuto, el niobato de sodio y el titanato de plomo.

El circonato-titanato de plomo (PZT) es el piezocerámico más ampliamente usado en los últimos años. El PZT es una solución sólida compuesta de titanato de plomo

(PbTiO3) y de circonato de plomo (PbZrO3) y tiene una fórmula general

Pb(TixZry)O3 donde “x” varía entre 0.10 y 0.60 , e “y” varía entre 0.90 y 0.40,

siendo la suma de “x” e “y” igual a 1.27

Ya que el efecto piezoeléctrico exhibido por materiales naturales tales como el cuarzo, la turmalina, la sal de Rochelle, entre otros, es muy pequeño, se han desarrollado materiales con propiedades mejoradas, por ejemplo los materiales cerámicos ferroeléctricos policristalinos, como el Titanato de bario BaTiO3 y el Zirconato Titanato de Plomo (PZT).

Los cerámicos PZT (materiales a utilizar en este proyecto), disponibles en muchas variaciones, son los materiales más ampliamente usados hoy para aplicaciones como actuadores o sensores. La estructura cristalina del PZT es cúbica centrada en las caras (isotrópico) antes de la polarización y después de la polarización exhiben simetría tetragonal (estructura anisotrópica) por abajo de la temperatura de Curie, que es aquella en la cual la estructura cristalina cambia de forma piezoeléctrica (no-simétrica) a no-piezoeléctrica. A esta temperatura los

cerámicos PZT pierden las propiedades piezoeléctricas.28

3.4.1 Fabricación

Diseñar un elemento piezoeléctrico PZT, implica en primer lugar, definir las características generales del mismo, como por ejemplo la frecuencia de operación, diámetro de la cerámica, forma de operación (contacto o inmersión), etc., las cuales se obtienen a partir de su aplicación. Luego se procede a determinar las características de los elementos básicos que lo componen para alcanzar el funcionamiento deseado.

Características del material piezoeléctrico:

Se fabrica una cerámica piezoeléctrica de composición Pb(Zr0.52,Ti0.48)0.99, PZT, por el método convencional de reacción en estado sólido, utilizándose una temperatura de calcinación de 850 ºC durante 3,5 horas, y sinterizada a 1250 ºC durante 3 horas.

CAPÍTULO 4

4.1 Pruebas realizadas al piezoeléctrico

Para realizar pruebas a un material piezoeléctrico se debe conocer la fuerza que se ejercerá al material para obtener una diferencia de potencial en su superficie.

Para ello se considera la fuerza en Newtons, donde un newton (N) es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades, nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su trabajo por su extraordinaria aportación a la Física, especialmente a la Mecánica Clásica.

El Newton se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración

de 1 m/s2 _{a un objeto de 1 kg de masa.}

Considerando que la fuerza que se le aplicará al piezoeléctrico es proporcional a la masa que presenta una persona, de acuerdo a la característica de este peso se tendrán diferentes fuerzas aplicadas al elemento piezoeléctrico, por ello se proponen las siguientes masas:

Figura. 4.2 Masa segunda persona

Figura. 4.3 Masa tercera persona

Considerando la fuerza gravitacional en la tierra que es de 9,80665 Se obtienen las siguientes fuerzas aplicadas al elemento:

Persona

Peso aproximado

(kg)

Fuerza gravitacional de la tierra ( )

Cálculo de la fuerza Fuerza (N)

Primera

persona 52.5 9.80665

Segunda

persona 69 9.80665

Tercera

persona 85 9.80665

Se considerara utilizar la fuerza de 833.56 N que ejerce la tercera persona, ya que permitirá observar cuál es la diferencia de potencial producida a la máxima fuerza.

Las mediciones de tensión pico-pico que obtienen de las terminales del piezoeléctrico, son mediante un osciloscopio de almacenamiento digital TEKTRONIX serie TDS2000 mostrado en la figura 4.4.

Figura. 4.4 Osciloscopio

Conectando las terminales de material piezoeléctrico al osciloscopio digital se podrán realizar mediciones de tensión producida al aplicarle una fuerza a este.

La primera prueba que se realizó al piezoeléctrico fue solo con la mano para así observar sus propiedades como un elemento piezoeléctrico.

Figura. 4.6 Presión ejercida a piezoeléctrico

La prueba se realizo en repetidas ocasiones, aplicando una fuerza de diferente magnitud en cada una.

Se registran tensiones distintas en cada caso dependiendo la fuerza aplicada a dicho material, figura 4.8 con una tensión de 2.00 volts pico-pico.

Figura. 4.8 Osciloscopio - tensión de 2.00 volts

Se muestra en la figura 4.9 la medición de tensión en la pantalla de osciloscopio digital con un valor de 3.60 volts pico-pico.

Se muestra en la figura 4.10 la medición de tensión en la pantalla de osciloscopio digital con un valor de 3.04 volts pico-pico.

Figura. 4.10 Osciloscopio - tensión de 3.04 volts

Se muestra en la figura 4.11 la medición de tensión en la pantalla de osciloscopio digital con un valor de 3.80 volts pico-pico.

Se muestra como se aplica la fuerza al material piezoeléctrico.

Figura. 4.12 Osciloscopio – piezoeléctrico

Para obtener el valor de tensión rms o tensión eficaz para una señal senoidal se presentan las siguientes ecuaciones:

Donde:

= tensión pico-pico que es el valor máximo de un ciclo.

= tensión pico que es el valor máximo que obtiene la onda.

= tensión eficaz.

Se observa en las mediciones, que la señal que se presenta no es una señal senoidal, ya que la serie de ondas son variables por lo cual utilizaremos la ecuación media cuadrática o valor cuadrático medio que es una medida estadística de la magnitud de una cantidad variable.

Donde:

= tensión pico-pico que es el valor máximo de un ciclo.

= periodo.

Obteniendo como resultado la tensión eficaz en cada una de las pruebas.

Medición Tensión

pico-pico (volts) Tensión pico (volts) Periodo T (µs) Tensión eficaz (volts)

1 2.00 1.00 500 2.00

2 3.60 1.80 500 3.60

3 3.04 1.52 250 3.04

4 3.80 1.90 250 3.80

En la segunda prueba que se realizó se ejerció una fuerza de 833.56 N solo en el material piezoeléctrico, obtenido como resultado los valores en volts pico-pico que se muestran en la siguiente tabla.

Medición

Tensión

pico-pico

(volts)

Medición

Tensión

pico-pico

(volts)

1

10.60

26

11.40

2

8.20

27

12.00

3

9.20

28

13.20

4

12.80

29

8.60

5

7.60

30

13.00

6

14.80

31

15.20

7

13.00

32

10.20

8

8.20

33

7.40

9

14.60

34

8.80

10

10.20

35

13.40

11

11.60

36

12.00

12

10.80

37

15.20

13

8.40

38

15.60

14

10.80

39

10.00

15

14.00

40

14.00

16

16.60

41

15.40

17

15.60

42

13.40

18

15.00

43

13.80

19

13.00

44

14.00

20

13.80

45

14.00

21

16.00

46

15.40

22

11.20

47

15.80

23

16.80

48

15.40

24

12.00

49

14.00

25

10.40

50

11.20

Se muestra en las figuras 4.14 y 4.15 como se aplica presión a un solo elemento piezoeléctrico

Figura. 4.14 Prueba piezoeléctrico

Figura. 4.15 Prueba piezoeléctrico - onda

Se muestra en la figura 4.17 la medición de tensión en la pantalla de osciloscopio digital con un valor de 10.6 volts pico-pico.

Figura. 4.17 Osciloscopio - tensión de 10.6 volts

Se muestra en la figura 4.18 la medición de tensión en la pantalla de osciloscopio digital con un valor de 14.6 volts pico-pico.

Figura. 4.18 Osciloscopio - tensión de 14.6 volts

Con la serie de valores obtenidos se procede a realizar la media aritmética (promedio), para identificar estadísticamente cual es el valor de tensión que genera un material piezoeléctrico.

Con ello poder manejar solo un valor estándar para realizar el diseño del piso generador.

Teniendo como resultado un valor de 12.55 volts pico-pico, con esto procedemos a obtener la tensión rms.

Promedio Tensión pico-pico

(volts)

Tensión pico (volts)

Tensión eficaz (volts)

1 12.55 6.27 12.55

Tabla 4.4 Tensiones resultantes

Con ello se observa que un material piezoeléctrico aplicándole una fuerza de 833.56 N obtenemos una tensión de 12.55 volts eficaces.

4.2 Unidad y configuración de piezoeléctricos

Una vez hechas las pruebas al material Piezoeléctrico PZT y después de habernos arrojado los respectivos valores de tensión que puede generar un elemento piezoeléctrico se realiza analíticamente el cálculo del valor de tensión para el material ya conformado como la unidad de varios elementos piezoeléctricos.

En un circuito eléctrico en serie es una configuración en la que los bornes o terminales de los dispositivos se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente, con lo cual entre las terminales extremos de la asociación se tiene una diferencia de potencial igual a la suma de ambos elementos.

Es por ello que los elementos piezoeléctricos conectados con esta configuración, incrementarán la tensión en las terminales de salida.

Suponiendo que en las terminales de cada piezoeléctrico tenemos una tensión de 4.437 volts eficaces y nueve elementos piezoeléctricos con características idénticas se tiene:

4.3 Desarrollo del piso generador de energía eléctrica

Para la realización del piso generador se utilizó un corte de 20X26 cm de piso laminado seleccionado porque absorbe la presión que se ejerce sobre él al caminar, debido a que cuando éste es instalado se coloca en la parte inferior el llamado “bajo piso”, que es una sábana de hule espuma.

Figura. 4.19 Piso laminado

Figura. 4.20 Piso laminado – corte

Para la fabricación del piso generador se hace uso de materiales sencillos como

pegamento, conductores eléctricos, soladura estaño–plomo, y herramientas como

cautín, pinzas y multímetro.

Además de los elementos más importantes en este proyecto los materiales piezoeléctricos.

Figura. 4.22 piezoeléctrico

Los materiales piezoeléctricos adquiridos tienen un costo de 6,00 pesos cada uno, de la marca Z.

Una vez teniendo todo lo indispensable, se dispone a realizar la distribución de los materiales piezoeléctricos de tal manera que al aplicar una presión sobre el piso se obtenga una mayor cobertura del área para que los materiales piezoeléctricos absorban la fuerza ejercida producida por una persona al hacer contacto con el piso.

Figura. 4.24 Medición de distancias

Se colocarán tantos piezoeléctricos como la superficie lo demande, en este caso se buscó una distribución uniforme de tres por tres para cubrir el área del material.

Figura. 4.25 Medición de distancias – configuración

Para ello se toma el lago del corte y el ancho para la distribución:

Se considera que la distancia de los materiales piezoeléctricos que se encuentran en el perímetro será menor ya que al unirse varios cortes para la unificación de un piso debe ser totalmente distribuida en toda el área es por ello que:

Con esto se pueden marcar cada posición que obtendrá cada uno de los materiales piezoeléctricos.

Figura. 4.26 Marcas de distribución

En una distribución horizontal como una distribución vertical