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CAMINANDO Y GENERANDO RESUMEN La piezoelectricidad, como una fuente de generación primaria de energía eléctrica, es una de las formas de generación que se ha visto más limitada ya que pocos son los países que han dedicado inversión, tiempo e investigación al desarrollo de éstas fuentes alternativas de generación. El presente trabajo busca mostrar que la piezoelectricidad, en una etapa avanzada de desarrollo, es capaz de convertir energía cinética en energía eléctrica para así obtener una fuente confiable y limpia de generación. Se parte del desarrollo de las bases teóricas sobre la piezoelectricidad, qué es, cómo funciona, por qué funciona, los usos que regularmente se le dan, aplicaciones actuales, modelo matemático y eléctrico. Posteriormente, se comienza con el diseño y construcción de las baldosas piezoeléctricas partiendo de las bases teóricas de generación: Diseño de la baldosa, dimensiones, materiales necesarios, ensamblado de los materiales, conexión eléctrica en la baldosa y protección mecánica a los elementos piezoeléctricos. Se diseña, construye y prueba un circuito electrónico propio, especialmente diseñado que permite el almacenamiento, a escalas comparativamente masivas, de la energía proveniente de las baldosas, para posteriormente llevarla al uso pretendido; alimentar un sistema para cargar dispositivos móviles.

ABSTRACT Piezoelectricity, as a primary source of electricity generation, is one of the forms of generation that has seen more limited since few countries have dedicated investment of time and research to the development of these alternative generation sources. This paper seeks to show that piezoelectricity in an advanced stage of development, it is capable of converting kinetic energy into electrical energy to obtain a reliable and clean power generation. Is part of the development of the theoretical basis of piezoelectricity, what it is, how it works, why it works, uses that are regularly given, current applications, mathematician and electrical model. Later, it begins with the design and construction of piezoelectric tiles based on the theoretical foundations of generation: Tile design, dimensions, necessary materials, assembly of the materials, electrical connection in the tile and mechanical protection to the piezoelectric elements.

It is designed, built and test its own electronic circuit, especially designed that allows storage, a comparatively massive scale, energy from the tiles, to subsequently carry the intended use; feed a system for charging mobile devices.

INTRODUCCIÓN En la actualidad la producción energética a gran escala depende de las fuentes no renovables de energía, los llamados combustibles fósiles como son el carbón, petróleo y gas natural; ya que las economías desarrolladas o en vías de desarrollo presentan una dependencia respecto a este tipo de materias primas no renovables, ante esta situación, se busca proponer una fuente de energía alternativa que pueda ser “verde”, limpia y sustentable comparada con las utilizadas en el mundo. El presente proyecto busca el desarrollo y la implementación de la piezoelectricidad como una fuente alternativa de generación de energía eléctrica para el “autoconsumo”. Se fundamenta en las características de estos materiales, que son capaces de generar electricidad gracias al flujo constante de personas por un área específica (baldosa); flujo que se traduce en una gran cantidad de energía mecánica desperdiciada que bien podría ser aplicada a materiales piezoeléctricos, dispuestos específicamente para este fin, y así producir un excedente de energía que se emplearía para el autoconsumo. El efecto piezoeléctrico se origina cuando una fuerza aplicada, es capaz de deformar un material piezoeléctrico y éste a su vez es capaz presentar en sus caras una diferencia de potencial. Un potencial que podría aplicarse a dispositivos que basen su funcionamiento en la electricidad. Debido a éstas características, es que se realiza una recopilación de datos sobre este tipo de materiales; buscando probar la efectividad, y viabilidad de convertirlos en una fuente de generación primaria a través de la deformación mecánica aplicada, proveniente de la pisada humana. Todo con el objetivo de obtener energía eléctrica y poder emplearla en un sistema que puede ser utilizado para cargar dispositivos. Esta idea surgió en el mes de enero, cuando se observó la cantidad de personas que transitaron en un determinado espacio y se meditó, en que se puede aprovechar cierta concurrencia. Fue ahí donde decidimos la elaboración una baldosa piezoeléctrica con la capacidad de transformar esa energía mecánica (pisadas) en energía eléctrica para el autoconsumo. El tiempo que se demoró en elaborarse el proyecto fue de 1 mes. El trabajo fue elaborado para ser aplicado en la universidad. En donde intervinieron todos los integrantes del grupo, con la ayuda de un ingeniero electrónico. Lo primero que se hizo fue en la obtención de los sensores piezoeléctricos. Estos sensores se colocaron sobre un suelo de caucho, donde fueron pegados y conectados en serie y paralelo a través de los cables dúplex, para luego dividirlo en grupos de 3 con una salida que conecte a una placa pcb donde se soldó algunos componentes como el regulador, los diodos, interruptor, leds, condensadores y borneras para su respectivo funcionamiento. Finalmente fue conectado una batería en donde se almacenó la energía eléctrica suficiente para cargar un celular. En el trabajo hubo algunos inconvenientes con respecto a los materiales piezoeléctricos y también sobre los temas electrónicos, por lo tanto, se tuvo que tener un estudio continuo y profundo sobre la información de tales temas. También respecto a las reuniones para la elaboración del proyecto debido a que algunos integrantes no podían reunirse dado a que trabajan, hizo que se demorara en concluir el trabajo.

TEORÍA 1. La propiedad de la piezoelectricidad es aquella en la que se aplica una fuerza a un material (en una dirección) y como consecuencia se crea una separación de cargas espontaneas generando una diferencia de potencial. Esta propiedad implica que el material tiene la propiedad de polarizarse ante una deformación externa. También existe la piezoelectricidad inversa, a partir de una tensión se puede deformar el material (expandirlo o comprimirlo).

CUERPO A (Acción del PIE)

CUERPO B (Reacción del piezoeléctrico)

Como observamos en las imágenes al momento de realizar una pisada sobre la baldosa piezoeléctrica se aplica la TERCERA LEY DE NEWTON conocida como “Principio de acción y reacción “ , nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.

2. El material de los sensores piezoeléctricos son muy sensibles a las variaciones de presión. Sin presión, las cargas del sensor tienen un reparto uniforme. Al actuar una presión, las cargas se desplazan espacialmente, produciéndose una tensión eléctrica. Cuanto mayor es la presión, tanto más intensamente se separan las cargas. La tensión aumenta. El elemento sensible está formado por un puente de Wheatstone hecho con resistencias de semiconductor Seri grafiado sobre un diafragma muy fino de aluminio. En un lado del diafragma actúa una presión de referencia, mientras que en el otro lado, actúa la presión a medir.” La unidad de mando mantiene a 5 voltios la alimentación del captador. Una variación de presión, provoca que el diafragma cerámico del sensor se arquee variando el valor de las resistencias del puente, y haciendo variar también el valor de la tensión de salida”. Este enunciado está fundamentado en la LEY DE HOOKE, que afirma que la deformación elástica que sufre un cuerpo es proporcional a la fuerza que produce tal deformación, siempre y cuando no se sobrepase el límite de elasticidad.

ANEXOS 1.MATERIALES 1.1 Felpudo de caucho La base de la baldosa, por requerimientos propios del proyecto, debe ser algún material que ostente una alta resistencia mecánica, ya que por cómo se presenta

las baldosa, ésta, estará expuesta a una gran cantidad de deformaciones mecánicas. Por ello se propuso la idea de que la base sea felpudo de caucho con una medida de 60x40cm.

1.2 Sensores Piezoeléctricos Dispositivos que utilizan el efecto piezoeléctrico para medir presión, aceleración, tensión o fuerza, transformando las lecturas en señales eléctricas.

1.3 Felpudo de rizo y goma Las fibras sintéticas son inmunes y no sufren los daños por exposición al sol, agua o aceite. Algunos de los materiales sintéticos más comunes son caucho, goma, nylon y polyester.

1.4 Suelo de goma El suelo de goma es esencial para lugares de mucho tránsito ya que son muy duraderos y tienen una gran resistencia a la abrasión, lo que permite que soporte muchas condiciones de uso.

1.5 Cable utp Cada cable interno, se encuentra estructurado por filamentos conductores de cobre, con ello adquiere mayor resistencia al movimiento y a los dobleces (ya que, si se llega a romper un hilo, el resto sigue conduciendo la señal). Esta característica hace que el precio sea superior al sólido y tenga un amplio uso.

1.6 Placa pcb Son placas con perforaciones a lo largo de toda su superficie. Cada perforación está rodeada por un anillo de material conductor, aunque ninguna de ellas está conectada con otra perforación de la placa.

1.7 Condensadores Es un dispositivo que almacena carga eléctrica. En su forma más sencilla, un condensador está formado por dos objetos conductores o placas metálicas (armaduras) paralelas, colocadas a una distancia corta entre si y separadas por una lámina no conductora o dieléctrico.

1.8 Diodos Sirve como protección frente al retorno de la carga eléctrica de la batería. Un diodo polarizado inversamente cortocircuita dicha corriente y elimina el problema.

1.9 Regulador Es un dispositivo que tiene varios enchufes, se encarga de mantener el voltaje estabilizado y libre de variaciones para que no provoque daños en los equipos electrónicos.

1.10 Bornera Es un tipo de conector eléctrico en el que un cable se aprisiona contra una pieza metálica mediante el uso de un tornillo.

1.11 Bateria La batería de hidruro metálico es un tipo de batería recargable que utiliza un ánodo de oxihidróxido de níquel (NiOOH), como en la batería de níquel cadmio, pero cuyo cátodo es de una aleación de hidruro metálico.

1.12 Interruptor Un interruptor eléctrico es un dispositivo que permite desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica.

1.13 Led Es una fuente de luz constituida por un material semiconductor dotado de dos terminales. Se trata de un diodo de unión p-n, que emite luz cuando está activado.

2. MÉTODOS

1° Primero se delimitará el área en donde se colocarán los sensores de tal manera que el área en que se encuentren los materiales piezoeléctricos será el área en donde la persona va a apoyar su peso, en donde va a pisar. 2° Se colocarán los sensores piezoeléctricos en un área cuadrada, después de ser colocados se pegarán con silicona sobre la plataforma de caucho. 4° En la parte inferior de la plataforma se conectarán los cables de los sensores en paralelo y en serie, según los polos negativos y positivos. Para luego dividirlo en 3 grupos. Debemos dejar 2 cables resultantes por grupo. 5° Una vez hecha la conexión en la plataforma se procederá a soldar los componentes (diodos, regulador, bornera, led, interruptor y condensador) en la placa pcb, para el respectivo funcionamiento. 6° Cuando se tenga la placa pcb soldada con los componentes, los dos cables resultantes por grupo de la conexión en la plataforma, se conectará a cada bornera que está en la placa pcb. 7° La batería será lo ultimo que se colocará en la placa a través de la bornera, ya que esta se destornillará una vez que este lo suficiente cargada, para ser utilizada para cargar el celular. 8° El piso de goma será colocado al final, esta ira en la parte inferior de la plataforma, su función principal será la de proteger a los sensores piezoeléctricos de los factores externos. 9° Finalmente se pegará con cinta los sensores que están encima de la plataforma y un felpudo para la protección de los sensores, además de dar un toque decorativo al proyecto.

DISCUSIÓN En el planteamiento del estudio de nuestro proyecto hubo muchas propuestas sobre el lugar específico donde pasaría mayor afluencia de personas, para así obtener un mayor provecho de la energía desperdiciada de los humanos. Determinando así la entrada de la Universidad como la ubicación adecuada para desarrollar nuestro proyecto.

COMCLUSION Al usar el voltímetro para medir el voltaje que arrojaba cada piezoeléctrico, se obtuvo un voltaje de aproximadamente 1 voltio al deformarse al máximo. Como estudiantes de ingeniería las primeras ideas que surgieron fueron aquellas que incluían innovaciones y desarrollos de tecnología capaces de ser sostenibles y sustentables. Cuando se inició el proceso de investigación sobre la generación de energía limpia. Se tenía diferentes ideas acerca de cómo solucionar el problema el cual nos habíamos planteado. Los materiales piezoeléctricos pueden convertir la energía mecánica en electricidad y, la electricidad en vibraciones mecánicas que serán almacenadas en una batería. El sistema libera poca carga eléctrica, debido a que los sensores son pequeños y de mala calidad, por lo tanto, demora en cargar la batería.

OBSERVACIONES Los sensores piezoeléctricos pequeños sufren menor deformación, a comparación de los sensores piezoeléctricos grandes, que tienen mayor deformación. Al colocar la baldosa en la entrada de la universidad surgieron algunos inconvenientes, debido a que las personas mostraban un cierto temor y no pisaban la baldosa.

AGRADECIMIENTO Agradecemos a nuestros padres por el apoyo incondicional que nos brindan día a día para salir adelante

Al profesor y al coordinador de curso por brindarnos los conocimientos y el apoyo necesarios para poder desarrollar este proyecto.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Doc Player [En-línea], 2016, accesado el 30 de Enero de 2019 https://docplayer.es/13650613-Baldosa-piezoelectrica-para-alimentar-sistemas-deiluminacion-de-bajo-consumo-energetico-jorge-andres-cifuentes-gutierrez.html

Ibañez Javier. (2012). E-STEP [archivo PDF]. Recuperado de http://innovadays.epsevg.upc.edu/wp-content/uploads/2014/ponencies/JavierIbanez.pdf

Propuesta de Mejora UPG [En-línea], 2016, accesado el 17 de Enero de 2019 https://propuestademejoraupg.wordpress.com/