E-STEP: GENERADOR PIEZOELÉCTRICO

of 33 /33
E-STEP: GENERADOR PIEZOELÉCTRICO Alumno Javier Ibáñez García Presentación del PFC Junio 2012 E-STEP: Diseño de un prototipo para generación energética mediante tecnología piezoeléctrica. Aplicación a escaleras. PROYECTO FINAL DE CARRERA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Embed Size (px)

Transcript of E-STEP: GENERADOR PIEZOELÉCTRICO

  • 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