7/29/2019 diseo elctrico de una estacin de aerbicos para harvesting de energa, utilizando efecto piezoelctrico

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Diseo elctrico de una estacin de aerbicos paraharvesting de energa, utilizando efecto piezoelctrico

J. Hidalgo#1, J. Padilla#1, J. Jaramillo#1, J. L. Jaramillo#2

#1Profesionales en formacin de la titulacin de IET, Universidad Tcnica Particular de Loja #2Docente Investigador Universidad Tcnica Particular de Loja

Loja, Ecuador 2013

#1jfhidalgo@utpl.edu.ec

#1jipadilla@utpl.edu.ec

#1jrjaramillo2@utpl.edu.ec#2jorgeluis@utpl.edu.ec

Abstract This document describes the different steps involved inthe electrical design an aerobic station for energy harvesting.

Resumen En el presente documento se describen las diferentesetapas que comprende el diseo elctrico de una estacin deaerbicos para harvesting de energa.

Palabras claves efecto piezoelctrico, MFC, harvesting,

storage, acondicionamiento.

I. INTRODUCCINComo una alternativa para proveer de energa a dispositivos

mviles, se propone el diseo e implementacin de unaestacin de aerbicos, que facilita el harvesting de la energadisipada por el deportista durante su rutina, a travs de la

utilizacin del efecto piezoelctrico.La estacin de aerbicos propuesta, emplea compuestos de

macrofibras piezoelctricas (MFC) que capturan la energaexistente en las vibraciones y contracciones de placasmetlicas, excitadas por la rutina de aerbicos,transformndola en energa elctrica, para su posterioralmacenamiento y uso.

En un trabajo anterior, se describi el diseo mecnico de laestacin, y, en este trabajo se detalla las caractersticas deldiseo elctrico.

II.

CARACTERSTICAS GENERALESPara la captura, trasformacin, y, almacenamiento de

energa, se propuso la secuencia de etapas mostrada en la Fig.1.

Fig. 1. Secuencia de etapas para la captura, transformacin, y,

almacenamiento de energa en la estacin de aerbicos. Diseo de losautores.

A. Captura de energaEn esta etapa, se emplearn 2 parches de compuestos de

macrofibras piezoelctricas (MFC), uno adherido a laplataforma del step, y, otro incluido en la baldosa SmartFloorPowerleap, dispuesta en la base de la estacin (ver Fig. 2).

Fig. 2. Disposicin de los parches MFC en la estacin de aerbicos.Diseo de los autores en SolidWorks.

ACONDICIONAMIENTO DELA SEAL

Mdulo EH301A

CAPTURA DE ENERGAMFC Piezoelctricos

STORAGEBatera Powerbank MP-4000

MFC

Baldosa SmartFloorPowerleap

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Sobre los parches MFC

Los MFC estn conformados por barras rectangulares decermica piezoelctrica, dispuestas entre dos capas deadhesivo, electrodos, y, una pelcula de polyimide. Loselectrodos se unen a la pelcula, en un patrn interdigitalizadoque transfiere el voltaje aplicado directamente, hacia y desdelas barras en forma de cinta. Este montaje permite la

polarizacin en plano, accionamiento y deteccin en unpaquete sellado [1], (ver Fig. 3).

Fig. 3. Estructura del MFC. [1]

Al tratarse de una lmina delgada como una hoja, el parcheMFC se puede adherirse o incrustarse en cualquier tipo deestructura. En la hoja de especificaciones tcnicas, serecomienda utilizar adhesivos tipo 3Ms DP 460 Epoxy Loctites E120 HP Epoxy, para fijar el parche en su sitio.

Al someter el parche MFC a tensin, este se doblar odeformar, anulando o generando vibraciones. En ausencia devoltaje aplicado, un MFC opera como un indicador de tensinmuy sensible, capaz de detectar deformaciones, ruido, o,vibraciones. En el mercado, los MFC se ofertan en 2 modos

operacionales: d33 (que operan al alargarse), y, d31 (queoperan al contraerse) [1].

En el marco de este proyecto, se seleccion un MFC demodo d31, que opera bajo el efecto piezoelctrico inverso. ElMFC seleccionado es un P2 anistropo, modelo M8585, de 85x 85mm [2], (ver Fig. 4 y Tabla 1), capaz de contraerse hasta750 ppm si se opera a una tasa mxima de tensin de -60 a 360V. Estos parches son utilizados en aplicaciones de harvesting ycomo sensores de tensin [2], (ver Fig. 5).

Fig. 4. Parche MFC P2 M8585 seleccionado para este proyecto.

Fotografa de los autores.

Fig. 5. Estructura de un parche MFC tipo P2, P3 (d31), contraccin[2]

TABLA 1Caractersticas tcnica de los parches MFC seleccionados en este

proyecto [2]Fuerza de bloqueomxima

28 N a 1 kN dependiendo delancho del MFC

Voltaje de operacinmximo

P2, P3: -60 a 360 V

Frecuencia deoperacin mxima

Actuador: 10 kHzSensor, Harvester:

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Fig. 7. Ubicacin del parche MFC en la plataforma del step (vista en

perspectiva) [3]. Diseo de los autores en SolidWorks.

Fig. 8. Ubicacin del parche MFC en plataforma del step (vistafrontal) [3]. Diseo de los autores en SolidWorks.

Operacin del MFC

Para verificar que los parches MFC en el step y en labaldosa, operen con caractersticas semejantes, se evalu sudesempeo en un ciclo de trabajo (deformacin y recuperacindel estado inicial).

Se planific y ejecut un plan de monitoreo del voltajegenerado por cada parche, en 10 ciclos de trabajo, de 8segundos de duracin promedio cada uno.

En trminos generales, los resultados mostraron que laseal proveniente de cada uno de los parches MFC, tiene laforma de un pulso, en el que el valor mximo de voltaje se

registra en el instante mismo de la pisada, siendo positivo onegativo segn la deformacin. Tambin se pudo aproximar

una dependencia cualitativa del valor del voltaje, respecto alpeso de la persona sobre la plataforma. Para eliminar estainfluencia, en las pruebas particip una nica persona, cuyopeso bordea los 74 Kg.

Los resultados obtenidos al evaluar el desempeo delparche MFC ubicado en la baldosa SmartFloor, se muestran enla Fig. 9, en la que los colores diferencian los resultados de

cada uno de las 10 observaciones. Se observa que durante lapisada, se genera un voltaje positivo, con un valor mximo de68,6 V. Al retirar el pie de la baldosa, se registran voltajesnegativos, con un valor mnimo de -45,3 V. Al finalizar elproceso, el voltaje tiende a cero.

Para evaluar el funcionamiento del parche MFC ubicado enel Step, se realiz la misma prueba, obteniendo los resultadosmostrados en la Fig. 10. En cada ciclo, el voltaje es positivocon una valor pico de 48,6 V. Durante la recuperacin delpiezoelctrico, el voltaje tiende a ser negativo, con un pico de -35,6 V.

Fig. 9. Desempeo del parche MFC ubicado en la baldosa. Elaborado por los autores.

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Voltaje

[V]

Duracion del ciclo [Seg]

MFC

MFC

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Fig. 10. Desempeo del parche MFC ubicado en el step. Elaborado por los autores.

B. Acondicionamiento de la sealDependiendo de la energa capturada por los parches MFC,

estos pueden entregar pulsos de voltaje, positivos y negativos,con valores pico entre -60 y +360 V. Para alimentar una cargacon el voltaje proporcionado por el parche, se requiereentonces de un proceso de rectificacin y almacenamiento [4].

En el marco de este proyecto, se decidi utilizar un mdulode harvesting de energa que permita realizar las operacionesrequeridas, con una alta eficiencia. En el marco de esteproyecto, se decidi utilizar un mdulo tipo EH301A (ver Fig.11).

Fig.11. Mdulo de harvesting de energa EH301A. Fotografa de losautores.

El mdulo empleado [5], puede funcionar con voltajesinstantneos de entrada, entre 0 y +/-500 V AC o DC, y, concorrientes de entrada entre 200 nA y 400 mA. El mdulo escompatible con fuentes de captacin de energa, con elementospiezoelctricos, y, con clulas solares fotovoltaicas. Posee altaeficiencia energtica y una alta tasa de retencin de energa, seautoalimenta y permanece siempre activo. Las caractersticastcnicas ms sobresalientes del mdulo se muestran en laTabla 2.

TABLA 2Caractersticas tcnicas del mdulo EH301A [5]

Parmetro Valor

Max. Voltaje de entrada instantnea: 500 VMax. Entrada de corriente instantnea 400 mAMax. Entrada de energa 500 mWMax. corriente de salida 1 A

Entrada mnima de carga 6.0 V@500 nA (3W)Voltaje de salida VL = 3.1 VVH = 5.2 V

La Fig. 12, permite describir el funcionamiento delmdulo. El voltaje de entrada (+V) en el mdulo, durante lacarga inicial comienza en 0. Internamente, el mdulomonitoriza y detecta este voltaje. Cundo (+V) llega al valorde (VH), la salida del mdulo (VP) se activa y cambia a estadoON, entonces el mdulo es capaz de suministrar energa a lacarga. La cantidad de energa til disponible, es funcin de lacapacidad de storage de los capacitores. Si, el voltaje deentrada es alto, la salida (VP) permanecer en estado ONcontinuamente, hasta que el suministro de energa sea menorque la demanda requerida por la carga. Cuando (+V)disminuye a (VL), durante el funcionamiento normal delmdulo, la salida (VP) cambia a estado OFF, e, impide elsuministro de energa a la carga. Con los circuitos de histresisincorporados dentro del mdulo, (VP) permanece ahora enestado OFF, hasta que el nivel (VH) sea alcanzado, de estaforma, la salida (VP) cambiar a estado ON de nuevo [6].

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Voltaje

[V]

Duracion del ciclo [Seg]

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Fig. 11. Funcionamiento del mdulo EH 301A, forma de onda [6]

El mdulo EH301A puede ser utilizado para cargarbateras, o, puede operar con un capacitor externo paraalmacenamiento de energa (ver Fig. 13 y 14).

VO

IN

GND

V+

VR

OU T

Bater a

V +

G ND

M d u l o E H3 01A

Par che MF C

Fig. 12. Esquema de carga de una batera, desde el mdulo EH301A[6]

VO

IN

G ND

V+

VR

OU TCap acitor

E xterno

M d u l o E H30 1A

Parche MF C

Fig. 13. Esquema de almacenamiento de energa en un capacitor,desde el mdulo EH301A [6]

La estacin propuesta, utilizar dos mdulos EH301A (enel step y en la baldosa). Las salidas de los mdulos se conectanen serie o en paralelo (ver Fig. 15 y 16), para alimentar unabatera a travs de una conexin USB. La seleccin definitivadel esquema de conexin depender de los resultadosobtenidos.

VO

IN

GN D

V+

VR

OU T

MDULO EH 30 1A

MFC B ALDOSA

VO

IN

GN D

V+

VR

OU TM F C S T E P

GN D

V+

GN D

V+

Bater a Powerbank

MP-4000

US B

TIPO A

Fig. 14. Conexin en paralelo de los mdulos EH301A paraalimentacin de la batera. Diseo de los autores en Microsoft Visio

VO

IN

GN D

V+

VR

OU T

MDULO EH 30 1A

MF C BALDOSA

VO

IN

GN D

V+

VR

OU T

MDULO EH 30 1AM F C S T E P

US B

TIPO A

GN D

V+

GN D

V+

B a t e r a P o we r b a n k

MP-4000

Fig. 15. Conexin en serie de los mdulos EH301A para alimentacinde la batera. Diseo de los autores en Microsoft Visio

En las Fig. 17 y 18, se muestran los PCB de las placas parala conexin en serie o en paralelo de los mdulos. Cada placaprev la existencia de una salida USB para conexin de labatera.

Fig. 17. PCB para conexin en paralelo de los mdulos EH301A.Diseo de los autores en ARES Proteus 7.7

MFC1

MFC2

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Fig. 16. PCB para conexin en serie de los mdulos EH301A.

Diseo de los autores en ARES Proteus 7.7

C. StoragePara almacenar la energa generada, se utilizar una batera

Powerbank MP-4000, utilizada principalmente para cargauniversal de dispositivos mviles. La batera seleccionada esdel tipo Li-polmero [7], presenta una alta capacidad de carga(rpida), no posee efecto memoria y es liviana. La batera tieneadjunto un sistema de proteccin para carga, descarga,sobrecarga, y, cortocircuito, garantizando la seguridad de losdispositivos (ver Fig. 19).

Fig. 19. Vista general de la batera Powerbank MP-4000 [8]

La interfaz de la batera, contiene un botn de encendido yapagado, tres LEDs indicadores del nivel de carga, una entradamini USB, y, dos salidas USB tipo A. Las salidas USB de labatera, se complementan con 10 conectores y un cable USB,que facilitan la carga de diferentes dispositivos (ver Fig. 20).

Fig. 17. Set de conectores universales [8]

Las principales caractersticas de la batera a utilizar, semuestran en la Tabla 3.

TABLA 3Caractersticas de la Batera PowerbankMP-4000 [8]

Parmetro Valor

Tipo de batera Li-polmeroCapacidad 5000 mAh

1 Entrada micro USB 5 V/ 1000 mA (mx.)2 Salidas USB 5 V/ 1000 mA (mx.)Peso 145 gTiempo de vida > 500 ciclos

III. CONCLUSIONES El harvesting de energa con parches MFCs, se

realiza en 3 etapas: captura, transformacin, y,almacenamiento de energa.

La estacin de aerbicos a construir, dispondrde 2 parches MFCs, uno adherido a laplataforma del step, y, otro incluido en la baldosa

piezoelctrica. La seal proveniente de cada uno de los parches

MFC, tiene la forma de un pulso, positivo onegativo segn la deformacin. Se observatambin una dependencia cualitativa del valor delvoltaje, en funcin del peso de la persona quedeforma el parche.

Los MFCs entregan pulsos de voltaje, positivos ynegativos, con valores pico entre -60 y +360 V,para aprovechar estos picos de voltaje se requiereentonces de un proceso de rectificacin yalmacenamiento, empleando un mdulo deharvesting de energa que realiza las operaciones

requeridas con alta eficiencia. En este proyecto, se utilizar 2 mdulos

EH301A, conectados al step y a la baldosa. Losmdulos se conectan en serie o en paralelo, paraalimentar una batera, a travs de una conexinUSB. La seleccin definitiva del esquema deconexin se la realizar dependiendo de losresultados obtenidos.

En este proyecto, la energa generada, sealmacenar en la batera Powerbank MP-4000,utilizada principalmente para carga universal dedispositivos mviles.

IV. REFERENCIAS[1]. Macro Fiber Composite MFC. Smart Material. [en lnea].

Disponible en: .[Consulta de Abril 2013].

[2]. Macro Fiber Composite MFC. Smart Material. [en lnea].Disponible en: . [Consulta de Abril 2013].

[3]. J. Hidalgo, J. Padilla, J. Jaramillo, J. L. Jaramillo. Diseomecnico de una estacin de aerbicos para harvesting deenerga, utilizando efecto piezoelctrico. Universidad Tcnica

Particular de Loja.[4]. Abert Paul Malvino. Principios de Electrnica. Sexta Edicin.[5]. Advanced Linear Devices EH300/EH301. Smart Materials. [en

LEDsIndicadores

Botn On/Off

Salidas USBtipo A

Entrada MiniUSB

MFC1

MFC2

INT 1

INT 2

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lnea]. Disponible en: . [Consulta de Abril 2013]

[6]. EH300/301 EPAD ENERGY HARVESTING TMMODULES. ADVANCED LINEAR DEVICES, INC. [enlnea]. Disponible en: .[Consulta de Abril 2013].

[7]. EEMB BATTERY. Li-Polymer Battery. [en lnea]. Disponibleen: .

[Consulta de Abril 2013].[8]. TheGoldenValley 5000mAh External Backup Battery/ PowerBank / External Battery Charger with DuaL USB Port ChargerAdapter Pack for The Latest nokia, samsung, apple smartphones,Tablets, Digital Cameras, Mp3 Players. [en lnea]. Disponibleen: . [Consulta de Abril 2013].