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• gabriela sanchez

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DEDICATORIA

El presente trabajo realizado con mucho esfuerzo, está dedicado de una manera muy especial a DIOS, nuestra familia, quienes contribuyendo con su apoyo para la realización del proyecto, a la universidad y docentes por brindarnos los conocimientos necesarios, a mis compañeros y todo los que de alguna manera se interesan en el presente trabajo.

LOS ALUMNOS.

AGRADECIMIENTO

Le queremos agradecer a las personas que creyeron y apoyaron este proyecto. En especial a nuestra docente ROJAS VASQUEZ, Zulema, quien nos brindó todo su apoyo y nos hizo creer más en este proyecto, gracias por todo

LOS ALUMNOS.

INTRODUCCIÓN

El presente proyecto se basa a los esfuerzos de muchos por generar energía de una forma limpia, que no perjudique al medio ambiente. Específicamente, el proyecto se basa en el campo de los materiales piezoeléctricos como generadores de energía eléctrica. El problema surge entonces de la pregunta ¿Cómo aprovechar la energía que diariamente transfieren los peatones al suelo cuando caminan? La respuesta se puede encontrar con el uso de los materiales piezoeléctricos. La idea del proyecto consiste en recolectar energía y transformarla para que pueda ser usada en sistemas de iluminación de baja potencia. Se empieza entonces por determinar un material que sea adecuado para usar los piezoeléctricos, que cumpla con los requerimientos del proyecto. Es decir, que tenga especificaciones adecuadas en cuanto a generación de energía eléctrica. Esto se hace con el fin de comprender su funcionamiento. Antes de finalizar, se realizan las conclusiones obtenidas del trabajo. Este proyecto plantea abordar la reducción de la contaminación ambiental utilizando el piezo eléctrico como energía renovable. El presente trabajo se encuentra dividido en cuatro capítulos: CAPÍTULO I: “PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN” Este capítulo está referido a la formulación y justificación del problema. También encontramos: los objetivos que se pretende lograr con la aplicación de dicho proyecto. CAPÍTULO II: “MARCO TEÓRICO” Este capítulo está referido al aspecto teórico conceptual con lo que se relacionó al presente trabajo de investigación, tales como antecedentes, revisiones literarias. CAPÍTULO III: “METODOLOGIA” Este capítulo estará referido a los métodos utilizados para el recojo de información. CAPÍTULO IV: “CONCLUCIONES” Este capítulo estará referido a los resultados de la información obtenida.

LOS ALUMNOS.

INDICE DEDICATORIA AGRADECIMIENTO INTRODUCCIÓN INDICE

CAPITULO I PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN

1.1.

Planteamiento del problema 1.1.1. Formulación del problema 1.1.2. Objeto de estudio de la investigación 1.1.2.1.

Objetivo general

1.1.2.2.

Objetivo específicos

1.1.3. Justificación de la investigación

CAPITULO II MARCO TEÓRICO

2.1.

Antecedentes de estudio.

2.2.

Marco Teórico 2.2.1. 2.2.2.

Contaminación Ambiental Piezo Eléctrico CAPÍTULO III METODOLOGÍA

3.1.

Planteamiento metodológico

CAPÍTULO IV 4.1.

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA. ANEXOS

CAPITULO I PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN

1.2.

Planteamiento del problema 1.2.1. Formulación del problema En la actualidad, el ser humano requiere de energía para poder subsistir, manejar su entorno y producir bienes (Román L, 2006). Casi todos los tipos de energía que conocemos provienen directa o indirectamente del sol. Por ejemplo, el viento (potencia eólica) es causado por la energía cinética de la radiación solar la cual produce una diferencia de presión entre las diferencias de temperaturas de las masas de aire. Los combustibles fósiles o hidrocarburos provienen de la energía transmitida por el Sol y el proceso de descomposición en ausencia de oxígeno de especies vegetales, que poblaron la tierra hace millones de años (Colmenar & Castro). Se pueden abarcar dos grandes grupos de fuentes energéticas las cuales son: renovables y no renovables. La energía convencional o no renovable proviene de fuentes que se agotan, como puede ser el uranio, gas de yacimientos, carbón y petróleo. Una vez agotadas no se pueden regenerar o tardan demasiado tiempo en hacerlo (Centro Argentino De Energías Alternativas [CADEA]). Las energías renovables son aquellas que no se agotan, como puede ser la energía del sol, la energía eólica, la energía producida por la atracción gravitatoria de la luna (energía mareomotriz), la energía de la tierra (energía geotérmica), etc. [CADEA] Desde el descubrimiento de la energía eléctrica el hombre ha buscado varias formas de producirla, ya que en esta nueva era de avances tecnológicos y científicos esta energía es esencial para el funcionamiento de muchos de los aparatos que utilizamos diariamente. La producción de esta energía ha ido avanzando con los años pero aun dependemos mucho de los combustibles fósiles para obtenerla y ello conlleva a la contaminación del planeta, aunque en los últimos años se han desarrollado tecnologías no contaminantes para la producción de energía eléctrica. Existen algunos elementos que tienen la capacidad de generar energía a partir de ser sometidos a una fuerza mecánica, la aplicación de esta propiedad es llamada piezoelectricidad. La

piezoelectricidad es aplicada a varios productos como sensores, actuadores, entre otros. Todo ello nos lleva a concluir la siguiente interrogante:

¿Cómo influye en la reducción de la contaminación ambiental el piezo eléctrico?

1.2.2. Objeto de estudio de la investigación

1.2.2.1.

Objetivo general

Estudiar y diseñar un sistema eficiente, desde el punto de vista energético como económico, el uso directo de las propiedades del piezo electrico.

1.2.2.2.

Objetivo específicos

- seleccionar el material para la fabricación física del sistema piezolectrico que genere la mayor cantidad de energía convirtiendo así la energía mecánica en energía eléctrica. - Diseñar los sistemas electrónicos para transmitir y almacenar la energía generada por el piezoeléctrico. - Evaluar mediante simulación, el desempeño bajo carga compresiva de los circuitos electrónicos que alimentan el sistema de iluminación LED.

1.2.3. Justificación de la investigación El presente proyecto se justifica porque pretende dar a conocer la influencia en la reducción de la contaminación ambiental que tiene el piezo eléctrico, en este proyecto no se presentara una solución absoluta sobre este problema, se aportara algunas alternativas, soluciones, para lograr dar a conocer a las personas la influencia que tiene el piezo electrico de esa manera también conocer sus bondades.

CAPITULO II MARCO TEÓRICO

2.1. -

Antecedentes de estudio. Korla,

Leon,

Tansel,

Yenilmez,

Yapici,

&

Demetgul,

(2011).Investigadores del área de ingeniería mecánica de varias universidades, entre las que se encuentran la universidad de Florida, la universidad técnica de Estambul, la universidad de selcuk y la universidad de Mármara, en el año 2010 realizaron un trabajo que buscaba diseñar y probar un recolector de energía eficiente y compacto usando materiales piezoeléctricos

-

Korla et al. (2011).

En el trabajo, los investigadores construyeron

recolectores de energía compactos, con un tamaño equivalente al de una batería AA. Cada uno de los recolectores contó con un circuito rectificador de 4 diodos y un capacitor. Una serie de recolectores piezoeléctricos con secciones circulares y cuadradas fueron construidos y probados a diferentes frecuencias y amplitudes. Entre las conclusiones obtenidas, se detectó que la salida de los dos tipos de recolectores (circulares y cuadrados) es muy similar a bajas amplitudes. Sin embargo, a medida que la amplitud aumenta, se observa que la sección cuadrada brinda una mejor interacción entre los elementos piezoeléctricos y la capa del colector, trabajando con una mayor eficiencia, a mayores amplitudes sin presentar una falla inmediata

-

Howells, (2009). En Estados Unidos de Norteamérica durante el año 2008 se realizó otro estudio relacionado al tema planteado del anteproyecto. Esta vez se produjeron 4 prototipos de prueba que fueron construidos con materiales piezoeléctricos. La idea era que tuvieran la forma para poder introducirlos dentro de una bota, haciendo que cuando la persona que usa los zapatos camine, genere energía eléctrica por medio de su propia energía mecánica.

-

En la Figura 1 se puede observar la imagen del prototipo generador de talón, el cual debe tener un tamaño apropiado para caber dentro de una bota, y además debe cumplir con el objetivo de generar energía eléctrica usando la energía de los pasos del peatón.

-

Básicamente el dispositivo consta de dos componentes importantes: el generador de talón y los circuitos electrónicos de potencia. El funcionamiento consiste en que cuando una persona da un paso, el elemento piezoeléctrico envía impulsos eléctricos a los circuitos de potencia, los cuales rectifican dichos pulsos, los almacenan en un capacitor y luego convierten dicha energía en una salida de 12 V de corriente directa En la Figura 2 que se presenta a continuación, se pueden observar las formas de onda del circuito:

-

Gatto, (2011). Las tecnologías que tienen que ver con la implementación de piezoeléctricos para la generación de energía, se están usando actualmente para realizar muchos proyectos alrededor del globo terrestre. Por ejemplo, en California, Estados Unidos de Norteamérica, se propuso a principios del 2011, implementar este tipo de tecnologías en una

autopista para los automóviles. La idea es utilizar tecnología que ya se encuentra en uso en países como Italia e Israel. Se desean poner sensores piezoeléctricos relativamente baratos por debajo de las carreteras, los cuales puedan generar energía a partir de las vibraciones producidas por los vehículos cuando transitan sobre estas. El objetivo del proyecto es poder generar energía que pueda ser usada para alimentar las luces de la carretera, cabinas telefónicas y hasta las comunidades vecinas “Una fuente mayor de energía esta justo debajo de nuestros pies, o mejor dicho, de nuestras llantas. California es la capital de los carros en el mundo. Tiene todo el sentido convertir en electricidad, la energía perdida por los automóviles cuando estos transitan por nuestras carreteras”

-

Jacques y Pierre Curie (1880). Descubrieron una inusual característica en ciertos cristales minerales, ya que cuando estos cristales eran sometidos a una fuerza mecánica, estos cristales se polarizaban, ya que la tensión y la compresión generan voltaje de polaridad opuesta. Este descubrimiento dio paso a la tecnología que conocemos actualmente llamada piezoelectricidad. La evolución tecnológica de los materiales cerámicos suplantó a los materiales piezoeléctricos naturales, y expandieron en variedad la siguiente generación de materiales piezoeléctricos, usados en aplicaciones para la acústica, óptica, medicina y comunicación inalámbrica. Los elementos piezoeléctricos son fabricados de simples cristales de niobato de litio, cuarzo sintético, y otros

materiales

que

pueden

exhibir

propiedades

piezoeléctricas

significativamente superiores, relativo a los elementos poli cristalinos. Relativa insensibilidad a la temperatura, factores elevados de conversión de energía eléctrica y energía mecánica, entre otros atributos, hacen que ha estos materiales se les pueda dar un gran uso. -

Palazzesi, Pardo, Sacco, Benítez, Ferzzola, & Varona, (2010). Ideas similares al principio de funcionamiento de los piezoeléctricos han empezado a surgir, como lo proponen dos estudiantes de arquitectura del instituto tecnológico de Massachusetts, Estados Unidos (MIT). James Graham y Thaddeus Jusczik “plantean un sistema que genera energía por medio del movimiento de una pequeña dínamo en una determinada dirección, y al levantar su presión del ladrillo (en el momento de dar un paso) esto haría que el dínamo gire en la otra dirección, con lo cual se podría obtener energía gracias a un generador

-

Esplandiú, (2009). Actualmente “la empresa israelí Innowattech ©, en colaboración con el TechnionIsrael Institute of Technology, ha desarrollado un método para generar electricidad a partir del tráfico, aprovechando la presión de los vehículos sobre el suelo”

-

Kymissis, Kendall, Paradiso, & Gershenfeld, (1998). Implementar tecnología de transformación de energía basada en el efecto piezoeléctrico en lugares de alto tráfico peatonal, vehicular y hasta sistemas ferroviarios es posible; generar grandes cantidades de energía limpia que puede utilizarse para complementar las necesidades de consumo energético de las edificaciones. En estudios previos (Starner, 1996), se ha calculado que hasta 67 vatios de potencia están disponibles en un golpe de talón durante una caminata a paso ligero (En una persona de 68 kg, a 2 pasos / seg, el talón moviéndose 5 cm). Este nivel de extracción de energía a partir de una caminata, sin duda, 7 interfiere en gran medida con la propia marcha

-

Cúpich & Garza,(2000). La palabra “piezo” se deriva de la palabra Griega presión que significa estrechar, apretar u oprimir. En 1880, Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se establecían cargas eléctricas en este; ellos llamaron a este fenómeno “el efecto piezoeléctrico”. Más tarde ellos verificaron que un campo eléctrico.

aplicado al cristal proporcionaba una deformación al material. Este efecto era referido como “efecto piezo inverso”. Los materiales piezoeléctricos, por lo tanto, pueden ser utilizados para convertir energía eléctrica en mecánica y viceversa. -

Ecodez, (2011). En la actualidad se ha empezado a crear conciencia sobre la problemática de la escases de recursos fósiles para la generación de energía eléctrica, por esta razón se han fomentado iniciativas el caso de Andrew Charalambous; Quien abrió una discoteca en Londres llamada Club4Climate ©, la cual posee una pista de baile que funciona bajo el principio de la piezoelectricidad. En Rotterdam, Holanda también se abrió una discoteca sostenible similar a la anterior llamada Sustainable Dance Club Derechos reservados.

-

Pavegen, (2011). La tecnología de cerámicas piezoeléctricas no es del todo nueva, su aplicación es cada vez más popular en diferentes áreas de la investigación y el desarrollo tecnológico, lo cual ha despertado un interés generalizado en su implementación como generador de energía alternativa. Tal es el caso de Pavegen Systems © empresa creada por Laurence Kemball-Cook, encargada de fabricar baldosas que acumulan la energía cinética producida por la gente que camina sobre ellas.

-

Fernández, (2004). En 1831, luego de una larga serie de experimentos, Michael Faraday encontró una relación nueva entre efectos eléctricos y magnéticos (Universidad de Antioquia , 2000). Faraday estaba convencido de la simetría en las leyes de la naturaleza, y de la observación de la inducción electrostática y la "inducción" de efectos magnéticos por corrientes eléctricas, creía que un campo magnético debía crear efectos eléctricos.

-

Sodano & Inman, (2005).La generación de energía eléctrica a partir de energía procedente del entorno ha permitido aprovechar en los últimos años el efecto piezoeléctrico en la alimentación de dispositivos de baja potencia

(Roundy,

Wright,

&

Rabaey,

2002).

Los

materiales

piezoeléctricos se pueden utilizar como un medio para transformar las vibraciones del entorno en energía eléctrica, está puede ser almacenada o utilizada para alimentar otros dispositivos como microscopía, scanner de

espejo

rápido,

sintonización

de

láser,

dispositivos

micro

dispensadores, estimulación de audio fisiología, entre otros. Con el reciente aumento de los dispositivos de escala micro, la generación de energía piezoeléctrica puede proporcionar una alternativa conveniente a las fuentes de energía tradicionales que se utilizan para operar ciertos tipos de sensores, actuadores, y dispositivos MEMS. -

Escalera Siles (2012).Los materiales piezoeléctricos poseen la capacidad de generar energía eléctrica cuando se ven sujetos a un esfuerzo mecánico (efecto piezoeléctrico directo). Éstos también ven afectada su forma, si en el caso inverso, (efecto piezoeléctrico inverso) se ven sometidos a una carga eléctrica.

-

Katz, (2004)Los materiales piezoeléctricos presentan la propiedad única conocida como el efecto piezoeléctrico. Cuando estos materiales se someten a un esfuerzo de compresión o de tracción, un campo eléctrico se genera a través del material creando un gradiente de voltaje y un flujo de corriente subsiguiente. Este efecto se debe a la naturaleza asimétrica de su celda unitaria, cuando se aplica un esfuerzo.

2.2.

MARCO TEORICO 2.2.1. Contaminación Ambiental. Se denomina contaminación ambiental a la presencia en el ambiente de cualquier agente (físico, químico o biológico) o bien de una combinación de varios agentes en lugares, formas y concentraciones tales que sean o puedan ser nocivos para la salud, la seguridad o para el bienestar de la población, o bien, que puedan ser perjudiciales para la vida vegetal o animal, o impidan el uso normal de las propiedades y lugares de recreación y goce de los mismos. La contaminación ambiental es también la incorporación a los cuerpos receptores de sustancias sólidas, liquidas o gaseosas, o mezclas de ellas, siempre que alteren desfavorablemente las condiciones naturales del mismo, o que puedan afectar la salud, la higiene o el bienestar del público. A medida que aumenta el poder del hombre sobre la naturaleza y aparecen nuevas necesidades como consecuencia de la vida en sociedad, el medio ambiente que lo rodea se deteriora cada vez más. El comportamiento social del hombre, que lo condujo a comunicarse por medio del lenguaje, que posteriormente formó la cultura humana, le permitió diferenciarse de los demás seres vivos. Pero mientras ellos se adaptan al medio ambiente para sobrevivir, el hombre adapta y modifica

ese mismo medio según sus necesidades. El progreso tecnológico, por una parte y el acelerado crecimiento demográfico, por la otra, producen la alteración del medio, llegando en algunos casos a atentar contra el equilibrio biológico de la Tierra. No es que exista una incompatibilidad absoluta entre el desarrollo tecnológico, el avance de la civilización y el mantenimiento del equilibrio ecológico, pero es importante que el hombre sepa armonizarlos. Para ello es necesario que proteja los recursos renovables y no renovables y que tome conciencia de que el saneamiento del ambiente es fundamental para la vida sobre el planeta La contaminación es uno de los problemas ambientales más importantes que afectan a nuestro mundo y surge cuando se produce un desequilibrio, como resultado de la adición de cualquier sustancia al medio ambiente, en cantidad tal, que cause efectos adversos en el hombre, en los animales, vegetales o materiales expuestos a dosis que sobrepasen los niveles aceptables en la naturaleza. La contaminación puede surgir a partir de ciertas manifestaciones de la naturaleza (fuentes naturales) o bien debido a los diferentes procesos productivos del hombre (fuentes antropogénicas) que conforman las actividades de la vida diaria. Las fuentes que generan contaminación de origen antropogénico más importantes son: industriales (frigoríficos, mataderos y curtiembres, actividad minera y petrolera), comerciales (envolturas y empaques), agrícolas (agroquímicos), domiciliarias (envases, pañales, restos de jardinería) y fuentes móviles (gases de combustión de vehículos). Como fuente de emisión se entiende el origen físico o geográfico donde se produce una liberación contaminante al ambiente, ya sea al aire, al agua o al suelo. Tradicionalmente el medio ambiente se ha dividido, para su estudio y su interpretación, en esos tres componentes que son: aire, agua y suelo; sin embargo, esta división es meramente teórica, ya que la mayoría de los contaminantes interactúan con más de uno de los elementos del ambiente.

2.2.2. Piezo Eléctrico La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también ocurre a la inversa: se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto

piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma. Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que carecen de centro de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan disociación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Como consecuencia, en la masa aparecen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas surgen cargas de signo opuesto.

CAPÍTULO III METODOLOGIA 4.1.1. Planteamiento metodológico El procedimiento que se llevará a cabo para desarrollar el trabajo, se dividirá en las siguientes etapas: 

Recopilación de información: es muy importante obtener información de diferentes fuentes confiables, con el objetivo de tener un soporte fundamentado, y así lograr un correcto desarrollo del proyecto. Consiste básicamente en la consulta e investigación en revistas o publicaciones como Science Direct o Ebsco, que permitan obtener datos relevantes para el proyecto. También es posible realizar búsquedas complementarias provenientes de video casts como Youtube, Vimeo o TeacherTube. La recopilación de información es un trabajo que se lleva a cabo durante todo el desarrollo del proyecto., ya que esta, es una actividad que va de la mano con todas y cada una de las etapas que se proponen en cualquier proyecto. •

Etapa 1: Determinación del material para la fabricación del sistema y el componente piezoeléctrico.

•

Etapa 2: Diseño del conjunto formado por el sistema y el piezoeléctrico.

•

Etapa 3: Diseño de los sistemas electrónicos para transmitir y almacenar la energía generada por el piezoeléctrico. o Diseño del circuito para transmitir la energía generada por el piezoeléctrico

•

Etapa 4: Evaluación del desempeño mecánico de los sistemas electrónicos. o Simulación del funcionamiento de los circuitos electrónicos:



Redacción y entrega de informes de avance intermedio y final: Es necesario entregar informe, para dar a conocer los avances y resultados. La redacción de los informes se hace conjuntamente con todas las etapas del proyecto, pero únicamente se entregan en sus fechas respectivas.

CAPÍTULO IV

4.1.

CONCLUSIONES

Del presente trabajo se desprenden las siguientes conclusiones generales, que sirven enormemente como punto de partida para quien desea utilizar piezoeléctricos como un generador de energía eléctrica.  La idea de generar energía eléctrica a partir de discos e ignitores piezoeléctricos es viable y es una fuente limpia y económica sobre todo en países con una población densa o en regiones donde haya una concentración considerable de personas.  Para obtener cierto voltaje se basa en la presión que ejerce una persona sobre los discos piezoeléctricos.  Si priorizamos la economía, este tipo de sistemas serian relativamente baratas y podrían tener muchos usos como:  En discotecas, para que estas puedan ser autosuficientes, (generar su propia electricidad a partir del baile de las personas ya que esto hace que se presione el material piezoeléctrico).  En calles o avenidas donde transite mucha gente. Con las plataformas podríamos generar energía para proveer de corriente al alumbrado público o para la zona habitacional cercana al lugar.  En carreteras o zonas muy transitadas por los autos, ya que no solo se puede generar presión con el peso de una personas si no también con el auto, ya que este al estar sobre un trayectoria podría generar esa presión sobre varias plataformas para generar una diferencia de potencial. Al igual que en carreteras también se podría aplicar en vías del tren, aunque el medio de trasporte más usado es el automóvil.  Tendríamos a nuestra disponibilidad una nueva fuente de energía la cual sería renovable, teniendo de conocimiento la vida media de los discos piezoeléctricos. Sin duda el hombre seguirá buscando nuevas formas de producir energía eléctrica, que no contaminen y que sean fuentes renovables. La piezoelectricidad seguirá avanzando y sus aplicaciones se extenderán aún más.

BIBLIOGRAFIA.  CASARES GARCÍA, P. M., Introducción a las Ciencias de la Educación, Granada, I.C.E, 1990.  Gatto, M., Piezoelectric roads for California. Recuperado 25 de Junio del 2016, de sitio web de Energy Harvesting Journal: http://www.energyharvestingjournal.com /articles/piezoelectric-roads-forcalifornia- 00003128.asp?sessionid=, (24 de Febrero de 2011).  Howells, C. A., Piezoelectric energy harvesting. Energy Conversion and Management 50 (2009), 1847-1850. (2009)  Universidad de Navarra, Ferro electricidad y Piezoelectricidad. Recuperado el 20 de Junio del 201 6, de sitio web de la Universidad de Navarra: http://www.tecnun.es/asignaturas/PFM_Mat/Prog/Ferroelecv2.pdf. (s.f.).  Pisando y generando., Recuperado el 20 de Junio del 2016, de Piezoelectricidad: http://www.acmor.org.mx/cuamweb/reportescongreso/2010/fisico-mate/110%20CUM-%20Pisando%20y%20Generando.pdf . (s.f.).  Pavegen Systems., Product specification. Recuperado el 21 de Junio de 2016, de Pavegen Systems: http://dl.dropboxusercontent.com/u/42742762/New%20SUB/Pavegen%20Ov erview.pdf . (s.f.).

ANEXOS