E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

INTRODUCCIN PROYECTO DESENLACE

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

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?

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

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)

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

INTRODUCCIN PROYECTO DESENLACE

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

o Energa Piezoelctrica y Potencial Energtico

ENERGY HARVESTING: ESTADO DEL ARTE

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

4,63 W/cm2E-STEP

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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),...

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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

= + = = =

= + = =

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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!

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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.

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

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.)

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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.

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

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.)

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

o Baldosa: Configuracin Final

DISEO DEL GENERADOR : SEGUNDO PROTOTIPO

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO ESTUDIO DEL PRODUCTO: SISTEMA CONSTRUCTIVO

o Proceso de Ensamblaje

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO ESTUDIO DEL PRODUCTO: SISTEMA CONSTRUCTIVO

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO POR QU ES INNOVADOR EL E-STEP?

Estructura mecnica maximiza la obtencin de energa elctrica de cualquier tipo

de piezoelctrico (flexible o no).

Tecnologa Hptica: sentido del tacto desde punto de vista energtico.

Modulable, apilable y ergonmico: pensado para ser tocado, golpeado o pisado.

Low-Cost Tech: Tecnologa al alcance de todos los bolsillos (0,11 /ud)

0,11 /ud x 100 ud = 11,00 , capaces de generar 1 Ws (frec = 1 paso/s)

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

o E-LED: Prototipo realizado y probado, resultados ptimos

Utilidades:

Iluminacin de emergencia tipo LED en caso de evacuacin

Iluminacin artstica (pavimento vivo)

Ahorro energtico (utilizacin racional de la energa).

VER VIDEO

TECNOLOGA PIEZOELCTRICA: E-APLICACIONES

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

o E-ALARM: Seguridad anti-intrusin (deteccin de presencia)

o E-LOAD: Carga de mviles y porttiles

o E-RING: Comunicacin seales va wireless (aviso mediante vibracin).

TECNOLOGA PIEZOELCTRICA: E-APLICACIONES

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

o E-CINEMA: Balizamiento y Sealizacin autnoma (asientos cine).

o E-WEBCAM: Cmara en zonas de conflicto armado (vigilancia sensorial).

o E-BALL: Deteccin de gol fantasma en un partido de ftbol.

VER VIDEO

TECNOLOGA PIEZOELCTRICA: E-APLICACIONES

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

o E-GAMMA: Dosmetros de radiactividad tras la catstrofe de Fukushima

o E-BLIND: Semforos para ciegos que no emiten seal acstica (vibracin)

TECNOLOGA PIEZOELCTRICA: E-APLICACIONES

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

E-STEP en escaleras Por qu es una buena solucin?

APLICACIN DEL E-STEP EN ESCALERAS

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

INTRODUCCIN PROYECTO DESENLACE

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO FUTURO Y ENERGA: CAMBIO DE LA MENTALIDAD

Los imperios del futuro sern imperios de la mente, Winston Churchill

Uso de la energa: Pasado: espectadores pasivos de los fenmenos naturales incomprensibles. Presente: coregrafos de la danza de la Naturaleza (M-energas). Futuro: amos de la energa y directores del espectculo (-energas).

Sistema PUSH vs PULL: Aplicacin en las Smart Cities PUSH: Energas renovables actuales (Elica, Solar FV, Mareomotriz,) PULL: Energas renovables 2.0 (Energy Harvesting, Piezoelectricidad,)

Knowledge is power: seguir apostando por I+D+i. Entorno vivo: invisibilidad de la Tecnologa. Chip cumpleaos feliz vs Ordenador NASA. Michiu Kaku, La Fsica del Futuro.

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO FUTURO + OPTIMISMO = ENERGA SOSTENIBLE

Comprender las Leyes fundamentales de la Naturaleza: inventos, mquinas ysoluciones redefinirn nuestra civilizacin.

Nunca hay que subestimar el poder y la velocidad a la que avanza la Ciencia. Quin va a querer or hablar a un actor?, Harry M. Warner (Warner Brothers, 1927). El mercado mundial da como mucho para 5 computadoras, Thomas Watson (IBM, 1943). Todo lo que se puede inventar ya est inventado, Charles H. Duell (Ofi. Patentes USA, 1899)

El futuro ya est aqu, lo que pasa es que est distribuido de manera desigual,William Gibson, Neuromante (padre de la palabra ciberespacio).

La investigacin necesita ms cabezas que medios,Severo Ochoa (Premio Nobel Medicina, 1959)

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO E-STEP: CON LOS PIES EN LA TIERRA...

o Energy Harvesting energa suficiente para satisfacer ciertas necesidades.

o E-STEP: mejora los resultados de los antecedentes (Metro Japn).

o Aplicacin energtica: Sensores inalmbricos inteligentes (Smart solutions) .

o Viable en situaciones de gran concentracin de personas.

o Eficiencia Energtica: Iluminacin de emergencia y sealizacin (LEDS).

o Energa Autnoma, Renovable y Low Cost: Industrializacin: Energa & Costes.

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

Tu energa es importante!

UPC, gente con energa!

UPC, porque nos gusta movernos!

Estudiar es energa!

La energa es cosa tuya, de todos, sala bien

Anda haznos un Donativo Energtico

Mira lo que generas y observa lo que consumes

UPC & E-STEP: we make clean energy

Apntate a la piezoelectricidad

Nunca ir a clase habr servido para tanto

LO PROBAMOS?

PIEZOELECTRZATE!VER VIDEO VER VIDEO

E-ST

EP: G

ENER

AD

OR

PIE

ZOEL

CTR

ICO

GRACIAS POR SU ATENCIN

Javier Ibez Garca

23/05/2013