ESPECIFICACIONES TECNICAS DE BALDOSAS DE FOBROCEMENTODescripción completa
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Universidad de Santiago de Chile Facultad de ingeniería Departamento de Ingeniería Eléctrica
Construcción de una baldosa piezoeléctrica para uso doméstico
Nombre: Arian omo !anrí"uez# Profesor guía: Francisco $at%ins
1) Origen y necesidades del tema
Desde hace m&s de '(( a)os "ue el humano ha "uerido controlar la electricidad para nuestro uso * conveniencia+ * la necesidad de generar ésta misma ha llevado a la e,plotación de recursos no renovables como el carbón+ el gas * el petróleo como -uentes de energía+ todo con tal de satis-acer la urgente demanda de algo b&sico ho* en día como es la electricidad# Esto ha sido mu* productivo para las persona+ llevando a cabo su propósito de -acilitarnos la vida+ o m&s bien hacerla m&s amena * cómoda+ pero esto también trae consigo una gran problem&tica+ la cual es la gran contaminación ambiental "ue a-ecta día a día nuestro planeta# .a acumulación de gases de e-ecto invernadero trae consigo ne-astas consecuencias# El incremento de la temperatura global "ue conlleva la disminución de los hielos+ tanto en los cas"uetes &rticos como ant&rticos+ * la continua disminución de los glaciares continentales# A su vez+ se e,perimentan bruscos cambios clim&ticos e incrementos de se"uías+ huracanes e inundaciones+ a/n en lugares donde no se registraban estos -enómenos# !&s a/n+ tal e,plotación de estos recursos no renovables+ desencadenan en-rentamientos bélicos para obtener el dominio de la *a escasa cantidad "ue "ueda de ellos# De todo esto surge el planteamiento de recurrir a otras -ormas de obtención energética+ "ue el da)o al planeta sea pr&cticamente nulo al igual "ue la intervención en el ecosistema+ "ue cumpla con las mismas demandas de los recursos *a antes mencionados * "ue sean m&s económicos * por sobre todo inagotables# 0e a"uí la necesidad de las energías renovables tales como la eólica+ solar+ hidr&ulica * energía oce&nica entre o tras# .a energía piezoeléctrica surge como una alternativa+ a nivel mundial+ como una -uente de generación eléctrica bastante competente# El principio de la energía piezoeléctrica es simple+ al ser sometidos determinados cristales a tensiones mec&nicas 1presión2 ad"uiere una polarización eléctrica en su masa+ cre&ndose un campo eléctrico * a su vez una di-erencia de potencial# De esta manera se puede generar energía eléctrica de algo tan com/n como lo es caminar por la calle+ saltar+ correr+ en las carreteras producto del tr&nsito de automóviles+ movimiento de las olas+ en -in+ una in-inidad de aplicaciones#
2) Descripción del problema
.os avances * me3oras en la tecnología piezoeléctrica a/n se encuentran siendo testeados en países como Estados Unidos+ 4apón e Israel+ entre otros# Debido a esto+ en Chile a/n no se ha estudiado e incorporado esta tecnología en el &mbito de generación de electricidad+ pese a "ue su implementación est& disponible en arte-actos de uso cotidiano#Es por esto "ue se necesitan estudios de re-erencia para pro*ectos -uturos# Debido a "ue es una tecnología bastante nueva+ a/n se encuentra en proceso de testeo * pruebas preliminares+ por ende es algo costoso ad"uirir estos avances#
3) Reisión del estado del arte El material piezoeléctrico es bastante com/n encontrarlo en arte-actos del hogar+ como por e3emplo en chisperos+ micró-onos+ pantallas t&ctiles+ entre otros# .os primeros hallazgos relacionados con el e-ecto piezoeléctrico -ueron publicados en 566( por los hermanos 7ierre * 4ac"ues Curie# Ellos midieron cargas en la super-icie de cristales 1turmalina+ topacio+ cuarzo * az/car de ca)a entre otros2 los "ue eran sometidos a es-uerzos mec&nicos# En esta primera etapa los hermanos Curie describieron "ue este e-ecto era producto de ligeras asimetrías en la estructura atómica de los cristales+ sin embargo no cuestionaron el e-ecto contrario+ donde al aplicar una carga eléctrica al cristal+ este se de-orma# Esta propiedad se dedu3o matem&ticamente a partir de los principios -undamentales de la termodin&mica por .ippmann en el a)o 5665# En los pró,imos 89 a)os se continuó con la investigación de este -enómeno+ especi-icando 8( clases de cristales naturales en los "ue se presenta el e-ecto piezoeléctrico * se de-inieron los 56 coe-icientes piezoeléctricos#En 5:5( ;oigt publicó <.erbuch der =ristallph*si%<+ documento "ue describe la piezoelectricidad hasta esos entonces# 7ero realmente se hizo uso de este -enómeno+ en plena 7rimera >uerra !undial 15:5?2+ donde se desarrolló un sonar a partir de -inos cristales de cuarzo+ así con este desarrollo inicial entre 5:8( * 5:@( se dio paso al desarrollo de otras tecnologías+ entre las "ue se encuentran casi todas las aplicaciones del e-ecto piezoeléctrico "ue vemos ho* en día 1acelerómetros+ transductores ultrasónicos+ actuadores+ -iltros de se)ales+ pantallas t&ctiles+ etc2# Entre 5:@( * 5:9 se produ3o una evolución por separado en países como 4apón+ Estados Unidos * la Unión Soviética+ en el periodo de la Segunda >uerra !undial * después de ella# El principal cambio de esta época radica en el comienzo del desarrollo de materiales piezoeléctricos+ sin embargo no se -omentaron las tecnologías en -unción de los materiales disponibles+ sino "ue se progresó en -unción de las necesidades# En este periodo de guerra+ se acrecentaron las investigaciones en -orma secreta# Entre 5:9 * 5:6( en 4apón el desarrollo de nuevos conocimientos+ nuevos procesos * nuevas tecnologías -ue mucho ma*or "ue en el resto del mundo+ donde se podría decir "ue las tecnologías piezoeléctricas estaban en receso# En este período es donde se crearon los materiales piezoeléctricos m&s comunes "ue se usan ho* en día# Después de 5:6( el mundo vio como en 4apón había acrecentado un mercado * tecnología para los materiales piezoeléctricos+ * de ahí hasta ho* en día la cantidad de investigación en muchas partes del mundo ha aumentado+ * se sigue buscando un me3or elemento piezoeléctricoB5#
En el 8((:.aurence =emballCoo%B8+ un londinense de 8 a)os tuvo la idea de dise)ar baldosas "ue recogen energía de las pisadas# Esta idea se concretó * ho* 7avegenS*stem -abrica estascer&micas+ las "ue miden @9 , ( Bcm+ cuando se pisan se produce una -le,ión en su super-icie de unos 9 Bmm+ convirtiendo la energía cinética de la pisada en unos 9 o ? B$ dependiendo de la de-ormación producida# Este tipo de baldosas+ -abricadas con material piezoeléctrico+ 5(( caucho reciclado * hormigón polímero+ pueden generar unos 8( B%$h dependiendo del tr&nsito# Est&n pensadas para zonas en las "ue se concentra mucha gente+ como estaciones de tren+ de metro+ de autob/s+ aeropuertos+ colegios * centros comerciales+ de esta -orma la energía generada puede ser utilizada para aplicaciones de ba3a potencia no conectadas a la red eléctrica como instalaciones de iluminación .ED+ se)alización+zonas$iFi * anuncios digitales o publicidad+ también puede ser almacenada en las baterías instaladas en el propio elemento#
Figura 5 Galdosas generadoras de energía#
En eino Unido * Europa se han llevado a cabo '( pro*ectos de 7avegen1H2+ tanto permanentes como temporales# Desde hace un par de a)os cuatro de estas baldosas+ colocadas en la Simon.angton>rammarSchool para chicos+ cerca de Canterbur*+ obtienen energía de las pisadas de sus 5#5(( estudiantes para mantener la iluminación del pasillo# Igualmente+ han sido de utilidad en -estivales de m/sica para cargar telé-onos móviles * encender luces de tecnología .ED#
.a East 4apanaila*Compan* B'+ en el 8((: instalo un pavimento piezoeléctrico para la generación de energía eléctrica en el paso de torni"uetes * puertas de entrada en dos
estaciones de metro en Jo%io+ 4apon# .a super-icie total utilizada abarca apro,imadamente 89 Bm8* se estima "ue genera 5@(( %$ por día#
Figura 8 7avimento piezoeléctrico instalado en torni"uetes+ estacón de metro en Jo%io#
(*) Pavegen es una empresa de innovación ubicada en Londres, desarrollan la tecnología de fabricación de pavimentos que convierte la energía cinética pérdida de pisada humana en electricidad renovable. El Instituto de investigación Jechnion * posteriormente la empresa Innoatech B@+ ha desarrollado generadores piezoeléctricos patentados+ "ue emplea la energía mec&nica impartida por -errocarriles+ en carreteras * caminos peatonales donde el tr&-ico "ue normalmente se disipa en -orma de calor residual * la convierte en electricidad# El sistema es especialmente adecuado para el suministro de energía eléctrica para las necesidades especí-icas de los sitios remotos "ue est&n le3os de la red eléctrica#
Figura ' Jipos de generadores piezoeléctricos#
.os generadores piezoeléctricos se dise)aron en Israel+ por ingenieros del centro tecnológico Innoattech+ los "ue crearon estos dispositivos+ basado en cristales piezoeléctricos+ para aprovechar la energía cinética del paso de los vehículos# El material puede e,tenderse por todo tipo de super-icies de tr&nsito con un grosor mu* -ino# Sus responsables calculan "ue puede generar unos @(( B%$ por %ilómetro# Adem&s permiten el pesa3e preciso de cual"uier automóvil * a cual"uier velocidad+ al mismo tiempo permite el suministro de la energía eléctrica necesaria para hacer -uncionar el sistema de monitoreo * comunicarlo al órgano competente#
.a empresa Innoattech como se menciona anteriormente+también dispone de almohadillas * azule3os peatonales# .as almohadillas van localizadas ba3o ma"uinaria! este producto ha sido desarrollado para su uso en -&bricas "ue utilizan ma"uinaria pesada de prensa * aprovecha la energía de los movimientos vibratorios para convertirla en electricidad# .os azule3os peatonales+ han sido desarrollados para ser utilizados en lugares con un gran n/mero de peatones+ como lo son las principales estaciones de transporte p/blico+ por e3emplo+ tren+ autob/s+ metro+ centros comerciales+ entre otros#
"O#$%"%#N&#' P%#(O##"&R%"O'
Cuando se dise)a un material piezoeléctrico+ éste debe ser polarizado para "ue obtenga sus propiedades piezoeléctricas# De acuerdo a esta polarización es "ue se identi-ican tres direcciones an&logas a los e3es de coordenadas cartesianas KLM# Ac& el e3e ' siempre se elegir& paralelo al sentido de la polarización+ indicada en la Figura @ por el vector 7+ "ue va desde el polo positivo al polo negativoB9#
Figura @#
"oeficientes Pie*oel+ctricos
Como se di3o anteriormente ha* ciertos coe-icientes "uedeterminan las propiedades -ísicas * eléctricas de los materialespiezoeléctricos#.os coe-icientes piezoeléctricos con dos subíndices unencantidades mec&nicas * eléctricas# El primer subíndice da la dirección delcampo eléctrico asociado al volta3e aplicado+ la carga o volta3eproducido# !ientras "ue el segundo subíndice da la dirección del stressmec&nico o la tensión#
"oeficiente pie*oel+ctrico de carga ,d)
.a constante d piezoeléctrica es una relación de la carga eléctricagenerada por unidad de &rea a una -uerza aplicada+ e,presado a través de la siguiente relación
2
Coulomb / metro d ik = 2 Newton / metro
=
Coulomb (1 ) Newton
N bien
d ik =
metro / metro metro = (2) volt / metro volt
Figura 9#
Figura #
7or e3emplo+ el coe-iciente d'' se usa cuando la -uerza se aplica enla misma dirección en "ue se colecta la carga * paralelo al sentido de lapolarización 1Figura 92 * el coe-iciente d '5 se usa cuando la carga secolecta en la misma cara anterior+ pero la -uerza se aplica en unadirección ortogonal al sentido de la polarización 1Figura 2#
"oeficiente pie*oel+ctrico de olta-e ,g)
El coe-iciente g es la relación del campo eléctrico producido a latensión mec&nica aplicada * se e,presa
Volt / metro Volt ∗metro gik = = (3 ) 2 Newton Newton / metros N bien
2
metro / metro metro gik = = (4 ) 2 coulomb coulomb / metro
"onstante diel+ctrica
.a constante dieléctrica relativa se de-ine como la relación entre lapermitividad del material * la permitividad de espacio vacío#
$actor de p+rdida diel+ctrica
Es una medida de la pérdida dieléctrica del material# Se de-inecomo la tangente del &ngulo de pérdida#
$actor de calidad mec.nica ,/)
El -actor O es un n/mero "ue no tiene dimensiones * "ue da lacalidad de una cer&mica como un oscilador armónico#
"onstantes de frecuencia ,N)
.a constante de -recuencia P es el producto de la -recuencia deresonancia* la dimensión lineal "ue gobierna la resonancia# Jambién esigual a la mitad de la velocidad del sonido en la misma dirección#
"oeficiente de acoplamiento pie*oel+ctrico
Este coe-iciente es de-inido como la proporción de la energíamec&nicaacumulada en respuesta a una entrada eléctrica o viceversa#Es decir+ es un índice de la e-ectividad de un material piezoeléctrico paraconvertir energía mec&nica en energía eléctrica+ * viceversa#
k =
√
energ í amec ánicaacumulada (5) energí ael é ctricaaplicada
k =
√
energ í ael é ctricaacumulada (6 ) energí amecá nicaaplicada
0ódulo de oung
El módulo de elasticidad o módulo de Loung es un par&metro "uecaracteriza el comportamiento de un material el&stico+ seg/n ladirección en la "ue se aplica una -uerza#
&asa de ene-ecimiento
.a tasa de enve3ecimiento de un material piezoeléctrico cer&micoes un índice del cambio de ciertos par&metros del material a lo largo deltiempo#
) $ormulación de ob-etios
Ob-etios enerales:
Construcción e implementación doméstica de una baldosa piezoeléctrica
Ob-etios específicos:
Estudio general de una baldosa piezoeléctrica para su construcción 1materiales+ costos+ cantidad+ etcétera2#
7lanteamiento para la construcción de la baldosa piezoeléctrica# Goceto * plani-icación de la baldosa# Construcción * ensa*o de la baldosa#
4) Desarrollo y alcance de traba-o de titulación
7ara llevar a cabo este pro *ecto+ dividiré este traba3o netamente en 8 etapas investigación * construcción# .a primera ser& de investigación+ an&lisis * c&lculos sobre este tipo de tecnología# El siguiente ser& *a de materializar lo *a investigado * calculado+ para luego hacer las pruebas de rigor#
5) 6porte personal:
Desde siempre he tenido la intención de usar mis conocimientos para el bien com/n+ * la idea de la energía renovable es algo "ue a mi parecer+ es una urgencia# .a aplicación de este método como recurso energético es bastante 3oven+ aun"ue ha* países como 4apón+ E#E#U#U# eIsrael donde la utilización de este bene-icio tiene mucho potencial# Se le suma a "ue nuestro país consta de un gran -lu3o de persona+ vale decir+ peatonal en el caso de la región !etropolitana * de las ciudades grandes de Chile como Anto-agasta * Concepción por e3emplo# L adem&s las carreteras siempre est&n siendo recorridas+ sobretodo en días -estivos+ donde las carreteras se in-estan de vehículos#
7) &emario tentatio 5# Introducción >eneral del Jema 5#5# Antecedentes 5#8# Descripción del problema 5#'# De-inición de conceptos 5#@# Nb3etivo >eneral 5#9# Nb3etivos Especí-icos 8# Energía 7iezoeléctrica 8#5# QOué es la energía piezoeléctricaR 8#8# Jecnologías implementadas 8#'# ;enta3as * desventa3as '# .a Galdosa 7iezoeléctrica '#5# !arco teórico '#8# 7lani-icación para la construcción '#'# Especi-icaciones técnicas '#@# Npinión personal @# An&lisis de datos @#5# Ensa*o de resistencia mec&nica @#8# Corrección de errores @#'# !edición eléctrica @#@# An&lisis de los datos 9# Conclusión # e-erencias ?# Agradecimientos
