El documento describe un sistema didáctico para generar electricidad renovable a través de materiales piezoeléctricos. El sistema captura la energía cinética del movimiento humano al caminar y la convierte en electricidad. Las pruebas mostraron que el sistema puede generar hasta 24,52 mW por pisada, y que un circuito rectificador de onda completa es efectivo para almacenar la energía en un supercapacitor. El sistema demuestra que la piezoelectricidad es un método ecológico para generar electricidad, aunque se necesita desarrollar

1. INTRODUCCIÓN:
OBJETIVOS:
METODOLOGÍA:
RESULTADOS:
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO MATERIALES
CERÁMICOS PIEZOELÉCTRICOS. (PZT)
Autor: Ordóñez Sánchez Darío Javier
Instituto Superior Tecnológico Tsa´chila
osdj1991@hotmail.com
RESUMEN:
En el siguiente trabajo de investigación describe el desarrollo de un sistema didáctico de un generador de
electricidad. Actualmente, en el Ecuador el 37.29% según la ARCONEL en el mes de Julio/2018 es la
generación efectiva de electricidad (MW) por medios no renovables. En el presente proyecto de
investigación se ha desarrollado un sistema didáctico de generación de energía eléctrica limpia y renovable.
El método de generación se basa en la captación de la energía cinética del movimiento humano a través de
ciertos materiales cerámicos que convierten este tipo de energía mecánica en electricidad limpia y
renovable.
El fundamento científico para lograr este método de generación es el efecto piezoeléctrico directo, el cual
consiste en la propiedad que presentan los materiales denominados igualmente; que pueden ser naturales
o sintéticos, los cuales al ser sometidos a algún tipo de esfuerzo mecánico se deforman generando dipolos
eléctricos o una diferencia de potencial , esto se debe a que el material no tiene un centro de simetría en la
celda unidad, es decir, su centro de cargas negativas no puede coincidir con su centro de cargas positivas a
nivel de la celda unitaria.
El sistema didáctico consiste en dos placas de acero y discos piezoeléctricos PZT(titanato zirconato de
plomo) colocados en forma de baldosa de tal manera que permitan la captación de las pisadas de personas
al caminar, logrando la deformación del material cerámico y produciendo el efecto piezoeléctrico directo.
Los avances tecnológicos han desarrollado un nuevo método de generación de electricidad, como lo es la
piezoelectricidad. En el Ecuador el concepto de energía a través de la captación del movimiento no ha sido
evidenciada, dicha fuente de energía puede ser producida por las personas al moverse, el tránsito vehicular
o las máquinas de una industria en funcionamiento.
El Ecuador según datos de la Agencia de Regulación y Control de Electricidad (ARCONEL) presenta
información acerca de la generación efectiva de electricidad (MW) a nivel nacional, en el mes de julio del
2018 se generó 4687.21 MW mediante fuentes renovables que representa el 62.71% y 2787.13 MW que
representa el 37.29% generado por fuentes no renovables.
El objetivo principal es la generación de energía eléctrica renovable y profundizar la investigación referente
a este nuevo método mediante el análisis de trabajos anteriores de investigación realizados por
universidades del país y de la región. Las cuales solo contemplan un estudio de las características de los
materiales y el nivel de voltaje que genera una determinada pieza piezoeléctrica, la presente investigación
realiza un estudio de la cantidad de carga eléctrica generada por el sistema desarrollado y el medio de
almacenamiento ideal para este método.
Diseñar y construir un sistema didáctico de generación de electricidad renovable y limpia mediante la
captación de la energía cinética producida por una persona al caminar a través de materiales
piezoeléctricos.
• Analizar y determinar los aspectos de diseño que se involucran en los sistemas piezoeléctricos.
• Determinar específicamente cuanta energía produce el sistema desarrollado por pisada captada.
• Realizar un estudio del medio de almacenamiento ideal para la energía generada, evaluando la
cantidad de energía que el sistema basado en su diseño y dimensiones puede proporcionar.
• Analizar y determinar mediante los resultados obtenidos si la aplicación del material piezoeléctrico es
conveniente y eficiente para el desarrollo de un sistema energético alternativo.
El trabajo de investigación tiene un carácter exploratorio ya que permitirá analizar con mayor profundidad
el nuevo método de generación de energía mediante sistemas piezoeléctricos. La exploración nos permitirá
familiarizarnos, recopilar y generar información referente a ésta nueva tecnología que servirá para
desarrollar el sistema didáctico. Además, constituye una guía para el desarrollo de proyectos de generación
de energía mediante este sistema en el País o la Localidad.
Dicho trabajo se basará en generar energía piezoeléctrica, evaluar su conveniencia y eficiencia como un
medio alternativo de generación para sistemas eléctricos de baja potencia. Para ello se realizará un estudio
de la capacidad de carga eléctrica que puede generar el sistema desarrollado y determinar el medio de
almacenamiento de energía ideal para estos sistemas.
Se analizará las variables que influyen en el sistema de generación como lo son la cantidad de fuerza
aplicada, la presión que se ejerza sobre el material piezoeléctrico, las características físicas de la persona,
aspectos que se involucran el diseño de sistemas piezoeléctricos y también características del material
usado.
El factor de estudio principal que abordará este trabajo de investigación es la captación de la energía
mecánica que produce una persona al caminar y su utilización para la generación de piezoelectricidad.
Además de evaluar su conveniencia y eficiencia como un medio alternativo de generación para sistemas
eléctricos de baja potencia.
Una vez desarrollado el sistema didáctico se lo someterá a prueba para cumplir con los objetivos que son la
generación de energía eléctrica e información técnica. Su diseño permitirá su traslado, ya que se lo
construyo con la idea de portabilidad del mismo.
Una vez instalado se procederá a la captación de la energía cinética haciendo que los sujetos de prueba
caminen por la pieza piezoeléctrico para la generación de energía eléctrica.
Para la toma de datos se la realizará mediante una tarjeta de adquisición de datos y conjuntamente se
desarrollará una aplicación en LabView para poder interpretar los datos. Se repetirá varias veces el
procedimiento para determinar una mayor precisión en los datos.
Representación del sistema:
Pruebas de campo y de laboratorio con la intervención de dos sujetos de masa corporal distinta uno de 84kg y el
otro de 37kg que caminen sobre el generador didáctico desarrollado y la energía sea almacenada en un
supercapacitor de 37000uF a 30 VDC marca SPRAGUE POWERLYTIC.
Como se observa en las pruebas de laboratorio con los sujetos de 84 y 37 kg se obtuvo una mayor eficiencia
que la recolección en la ciudad. Esto se debe a un aspecto importante que como la frecuencia con que se
captan las pisadas en la baldosa, al poseer una mayor frecuencia se logra almacenar mayor energía esto
corresponde al comportamiento bajo carga del piezoeléctrico.
El material piezoeléctrico cuando se somete bajo carga cuasi estática produce dos picos de voltaje, uno positivo
en el momento en que se empieza a aplicar la fuerza, y uno negativo cuando se retira la fuerza.
Al trabajar el piezoeléctrico bajo carga dinámica el tiempo de la aplicación de la fuerza es menor que la
constante de carga del capacitor, entonces la respuesta del piezoeléctrico consta únicamente de un pico de
voltaje positivo debido a que el condensador no se alcanza a cargar por completo obteniendo un voltaje
generado mucho mayor.
Considerando este efecto para lograr una mayor eficiencia del sistema se debe asegurar una frecuencia
considerable de pisadas captadas en el lugar donde se implemente.
Se ha logrado exitosamente generar energía eléctrica limpia y renovable, mediante el desarrollo de un sistema
didáctico de generación que utiliza materiales piezoeléctricos para captar la energía cinética presente en el
movimiento humano y convertirla en electricidad.
Es un método eficaz, conveniente y ecológico pero no eficiente como una alternativa energética, para su
implementación como un sistema energético alternativo se debe desarrollar sistemas con materiales
piezoeléctricos sintéticos de mayores características para lograr generar mayor cantidad de energía y así ser un
método eficiente.
El diseño mecánico y eléctrico es fundamental para este método de generación, se debe obtener la mayor
eficiencia posible al captar la energía mecánica, se determina que la baldosa debe distribuir equitativamente
las acciones de la fuerza por la superficie del electrodo común. El circuito eléctrico debe garantizar que se
aproveche al máximo la señal generada para lograr almacenar la mayor cantidad de energía posible.
El comportamiento del efecto piezoeléctrico es un aspecto fundamental que se debe tener en cuenta. Se
observó como el trabajo de recolección bajo una frecuencia a carga dinámica o cuasi-estática presentan
diferencias cuantitativas en el nivel de generación de electricidad, siendo más favorable para un trabajo
dinámico. En la prueba de campo y laboratorio que se efectuó con la baldosa ya terminada existió una gran
diferencia en la cantidad de energía almacenada, dando resultados que, para un promedio de 1000 pisadas
captadas en una frecuencia de 1,11Hz se generó igual cantidad de energía que alrededor de 1790 pisadas en
0,25Hz.
El medio de almacenamiento más factible es la utilización de supercondensadores o supercapacitores, las
características de un supercapacitor son necesarias en sistemas como estos, ya que estos dispositivos tiene la
capacidad de cargarse más rápidamente que una batería. Además, el proceso de carga y descarga en un
sistema de piezoelectricidad es repetitivo y una batería o acumulador posee una baja en su vida útil al trabajar
en estas condiciones, caso que no afecta a los supercapacitores. En aspecto económico tiene un costo menor
que las baterías y en características físicas son más pequeños y más livianos.
Mediante una serie de casos se ha realizado distintas pruebas, donde en cada uno se implementan
variaciones del circuito electrónico de captación de energía para lograr obtener la mayor eficiencia del
sistema. Las gráficas e información obtenidas se lograron mediante la adquisición de datos utilizando una
tarjeta NI MyDAQ de National Instruments.
Tabla 1 Resumen de los casos estudiados
Autor: Ordóñez, D. Realizado el 29-03-2018
Software: Microsoft Office 2010-Excel
VDC avg Imax (uA) Iavg (uA) P (mW)
1
Idea de funcionamiento al pisar
continuamente la baldosa
823,2 5 500 250 - 0,088
2 Circuito con resistencia de 100 Ω 823,2 - 500 300 - 0,088
Circuito con resistencia de 100 Ω 823,2 - 650 400 - -
Circuito sin resistencia de 100 Ω 823,2 - 600 350 - -
4 Cargar Batería 823,2 - - - - -
Circuito con resistencia de 10 Ω 823,2 - 700 216 1,08 -
22 Ω 823,2 - 650 210 1,05 -
100 Ω 823,2 - 650 208 1,04 -
1kΩ 823,2 - 600 207 1,035 -
2kΩ 823,2 - 500 191 0,95 -
3kΩ 823,2 - 400 125 0,625 -
6,8kΩ 823,2 - 400 100 0,5 -
10kΩ 823,2 - 400 100 0,5 -
Sin resistencia 823,2 - 600 250 1,25 -
6
Medición de Voltaje DC al pisar
continuamente la baldosa
823,2 5 - - - -
7
Circuito multiplicador de voltaje
de onda completa, datos al pisar
continuamente la baldosa
823,2 9,28 - - - -
8
Circuito multiplicador de voltaje
de onda completa con
capacitores de 22uF, datos al
pisar continuamente la baldosa
823,2 17 - - -
9 Almacenamiento de energía 823,2 - - - - -
10
Diodos 1n4148, datos al pisar
continuamente la baldosa
823,2 18 500 250 - -
Sujeto de 37kg 363,6 1,5 - - - 3,8
Sujeto de 57kg 558,6 2,27 - - - 10,17
Sujeto de 84kg 823,2 2,94 - - - 12,8
Sujeto de 121kg 1185,8 3,86 - - - 24,52
5
Análisis Final del circuito desarrollado, que contempla la rectificación de la señal mediante un
multiplicador de voltaje de onda completa con capacitores de 22uF, datos registrados por pisada
11
SEÑALES DE SALIDA REGISTRADAS AL
PISAR LA BALDOSA
FUERZA
APLICADA
(N)
CASO
ENERGÍA
POR PISADA
(mWs)
3
DESCRIPCIÓN
Figura: Circuito óptimo para la captación de energía.
Autor: Ordóñez, D. Realizado el 24-03-2018
Software: Multisim 13.0