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AlumnoJavier Ibáñez García

Presentación del PFCJunio 2012

E-STEP: Diseño de un prototipo para generación energética mediante tecnología piezoeléctrica. Aplicación a escaleras.

PROYECTO FINAL DE CARRERA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

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INTRODUCCIÓN PROYECTO DESENLACE

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¿De dónde nace una idea así? Que la inspiración te coja trabajando… o no.

Estaba corriendo en la cinta del gimnasio porque…

• ¡IDEA! Pavimento que al correr captara la energía cinética del movimiento

humano para convertirla en electricidad reutilizable a posteriori.

TODO OCURRE POR ALGUNA RAZÓN...

1. Batería

2.Luz

3.Máquinas

4. Señales

5. Sonido

6. Displays

7. Puertas

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ICO CIENCIA: EL PODER DE LA INNOVACIÓN

La Humanidad ha cambiado mucho en los últimos 100 años y lo seguirá haciendo

cada vez más rápido ¿Cuál será la próxima revolución? Empieza por Ener…

La Ciencia tiene el poder para cambiar la Sociedad del Futuro.

Política: Obama y el uso del microtargeting vía Google Hangout.

Economía: Acciones de Apple de 10$ (2003) a 700$ (2012) y a 400$ (2013).

Impacto Low Technologies.

Social: ¿Las Redes Sociales sustituirán a la familia?

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ICO EL FUTURO ESTÁ EN NUESTRAS MANOS...

Prototipos: de la Idea a la Realidad.

La “Fruta Madura” de Richard Muller, asesor

energético de Obama (“Física para presidentes”).

¿Qué os parecería si…?

Tecnología Háptica: Limpia, Sostenible y útil.

“Touch is Everywhere…”

Sector “R” está de moda… ¡QUE SIGA!

Rentabilidad económica: Energía portátil Low-Cost.

Eficiencia energética: ratio €/W (↓€ & ↑W)

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INTRODUCCIÓN PROYECTO DESENLACE

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o Realización del prototipo E-STEP:

Estudio de los antecedentes y nuevas características a ofrecer por el producto (precio low-cost vs energía producida).

Selección y colocación del material piezoeléctrico a utilizar.

Cálculo y diseño mecánico: distribución de esfuerzos en la estructura, enfocado a la optimización energética.

Cálculo y diseño electrónico/eléctrico: optimización de la transferencia de energía mecánica (entrada) a eléctrica (salida).

Ensayos de caracterización del aparato: fatiga y carga máxima de rotura.

ALCANCE: LÍMITES DEL PROYECTO

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o ConceptoRecolectar (micro)energía existente en la Naturaleza

• Acción de caminar: actividad saludable y energética.• ¿Por qué no utilizar el trabajo realizado para generar electricidad?

ENERGY HARVESTING: BALDOSA “E-STEP”

Baldosa encargada de captar y almacenar la energía residual de las pisadashumanas para producir electricidad de un nivel bajo de potencia.Útil para cubrir necesidades de presentes en la sociedad:

• Carga de móviles (almacenamiento de energía).• Envío de señales inalámbricas (campo de la seguridad).• Señalización mediante iluminación con aparatos de bajo consumo (LED).

E-STEP ELECTRICIDAD

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o Generación de energía: conversión de energía en electricidad a partir de las diferentes fuentes de energía de la Naturaleza.

TIPOLOGÍA DE ENERGY HARVESTERS

Generadores Térmicos:

Calor (Diferencia Temperatura) Electricidad

Generadores Fotovoltaicos:

Radiación Solar Electricidad

Generadores Piezoeléctricos:

Energía Mecánica (Vibración) Electricidad

Generadores Electromagnéticos:

Inducción Magnética Electricidad

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o Energía Piezoeléctrica y Potencial Energético

ENERGY HARVESTING: “ESTADO DEL ARTE”

3 mJ = 3mW·s (~3 pisadas/s)= 10mW

4,63 μW/cm2E-STEP

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o ¿Cómo capturan la energía mecánica y lo convierten en energía eléctrica?

Poner en contacto una cerámica piezoeléctrica con un material metálico.VENTAJAS:

• Gran Simplicidad.• Pequeñez (caber en sistemas micro electromecánicos – MEMS).• Larga Vida útil.• Reducir el peso de la batería.• Satisfacer determinadas aplicaciones (móviles, portátiles, tablets,…)

INCONVENIENTES:• Poco explotados: poca electricidad generada a la salida.• Agrupación que optimice la producción de energía eléctrica no trivial.

ENERGY HARVESTER PIEZOELÉCTRICO

o Materiales piezoeléctricos existentes en el mercado: Naturales: Cuarzo, Turmalina, Sal de Rochelle,...Artificiales: PZT, ZnO, PVDF (Polyvinylidene Fluoride),...

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o Efecto piezoeléctrico: Fenómeno descubierto por Jacques y Pierre Curie en 1880. Piezo (griego): Presión

Efecto reversible: aplicar ddp entre sus electrodos DEFORMACIÓN

GEN. PIEZOELÉCTRICOS: PIEZOELECTRICIDAD

Aplicar Presión

Desplazamiento cdgconfiguración cristalina

Voltaje (muy alto)

Polarización eléctrica

[ ] [ ][ ] [ ][ ][ ] [ ][ ]

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

ε= + = = =

⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + = =⎣ ⎦ ⎣ ⎦

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o E-STEP (Generador piezoeléctrico): Capturar la energía mecánica del tránsito a pie y convertirla en energía eléctrica.

FUNCIONAMIENTO DE UN PIEZO CONCRETO: WAFER

Campo Acústico: Speaker de AltavozEsquema Electrodos Piezoeléctrico

Wafers Piezoeléctricos

Estructura simple (1 piezo) y simétrica (2 piezos)Deformada Wafer: ¡CORRIENTE ALTERNA!

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o Exoesqueleto en forma de estructura mecánica que "maximiza la generación de energía eléctrica a través de sensores piezoeléctricos de mercado tipo wafer”

¡PATENTE REALIZADA CON ÉXITO!

INNOVACIÓN DEL PFC: COMPORTAMIENTO A FLEXIÓN

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o “Una persona de 68 kg con un porcentaje de grasa corporal del 15% equivale a una energía química acumulada de 384 MJ” (Starner & Paradiso, Low-power electronics design, New York, 2004).

ESTUDIO DE LA PISADA HUMANA

Principal actividad de consumo de energía en forma de energía mecánica: CAMINAR. Hasta 67 W pueden llegar a generarse (persona de 68 kg con una frecuencia de 2 pasos/seg).Bajo nivel energético: escala del mW“La solución de pequeños problemas, acaba resolviendo un gran problema”

o Se realizan estudios estáticos, cinemáticos y dinámicos sobre el prototipo:Aprovechar al máximo la fuerza de cada paso (masa, aceleración): ERGONOMÍA.Fuerzas de ACCIÓN de la pisada y de REACCIÓN del suelo.Estructura simétrica (deformación dual de los piezoeléctricos)

Masa corporal: Energía Eléctrica por pisada.Frecuencia de paso: Energía Eléctrica por pisada.

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ICO DISEÑO DEL GENERADOR: FORMA

o Fuente energética: Pisada humana.o Superficie pisable: Baldosa rectangular rígida.o Dimensiones: 33x18cm (Largo x Ancho)

Largo ≥ pie estándar humano (talla 43) ¡No desperdiciar energía!Largo ≤ huella de escalón estándar (34 cm - Escaleras ETSEIAT)

o El diseño del generador contendrá 3 niveles:Nivel Superficial: pavimento intercambiable que recibe la pisada.Nivel de Generación: piezoeléctricos apoyados en los extremos de la estructura mecánica que permite la flexión de manera simétrica.Nivel Inferior: componentes electrónicos para la conversión de energía (condensadores, rectificadores, cableado, etc.)

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o Generación de electricidad en la baldosa piezoeléctrica se produce en 3 fases:

o En cada una de las fases: pérdidas por transmisión de energía (mecánica, mecánica-eléctrica y eléctrica). Rendimiento de la transformación no es del 100% (ideal).

o Conexionado eléctrico entre los piezoeléctricos agrupados en filas:

Serie: C ↓ ↔ I ↓ ↔ Voltaje ↑ Paralelo: C ↑ ↔ I ↑ ↔ Voltaje ↓

DISEÑO DEL GENERADOR: FUNCIÓN

1ª Fase: Captación Energía Mecánica de la pisada: Fuerza sobre el generador.

2ª Fase: La compresión (FLEXIÓN) origina un Voltaje (AC) por efecto piezoeléctrico.

3ª Fase: La ddp permite disponer de Energía Eléctrica en la salida.

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o Diagrama de Bloques y Componentes Eléctricos

DISEÑO DEL GENERADOR: ELECTRÓNICA ASOCIADA

o Gráficas obtenidas en las diferentes partes del circuito electrónico:Voltaje en la salida del piezoeléctrico (1) y tras su rectificación (2).Posterior al almacenamiento en el condensador (3) y su aplicación a una cargasituada en la salida del circuito electrónico (4).

Piezoeléctrico: wafer de PZT (PSI-5A4E)Rectificación mediante Puente de Diodos (Graetz): voltaje de AC a DC.Almacenamiento del voltaje generado en un condensador.Carga que el usuario elija (LED, batería, envío de señal, etc.)

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o Baldosa: Configuración Final

DISEÑO DEL GENERADOR : SEGUNDO PROTOTIPO

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ICO ESTUDIO DEL PRODUCTO: SISTEMA CONSTRUCTIVO

o Proceso de Ensamblaje

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ICO ESTUDIO DEL PRODUCTO: SISTEMA CONSTRUCTIVO

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ICO ¿POR QUÉ ES INNOVADOR EL E-STEP?

• Estructura mecánica maximiza la obtención de energía eléctrica de cualquier tipo

de piezoeléctrico (flexible o no).

• Tecnología Háptica: sentido del tacto desde punto de vista energético.

• Modulable, apilable y ergonómico: pensado para ser tocado, golpeado o pisado.

• Low-Cost Tech: Tecnología 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)

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o E-LED: Prototipo realizado y probado, resultados óptimos

Utilidades:

• Iluminación de emergencia tipo LED en caso de evacuación

• Iluminación artística (pavimento vivo)

• Ahorro energético (utilización racional de la energía).

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TECNOLOGÍA PIEZOELÉCTRICA: E-APLICACIONES

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o E-ALARM: Seguridad anti-intrusión (detección de presencia)

o E-LOAD: Carga de móviles y portátiles

o E-RING: Comunicación señales vía wireless (aviso mediante vibración).

TECNOLOGÍA PIEZOELÉCTRICA: E-APLICACIONES

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o E-CINEMA: Balizamiento y Señalización autónoma (asientos cine).

o E-WEBCAM: Cámara en zonas de conflicto armado (vigilancia sensorial).

o E-BALL: Detección de gol fantasma en un partido de fútbol.

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TECNOLOGÍA PIEZOELÉCTRICA: E-APLICACIONES

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o E-GAMMA: Dosímetros de radiactividad tras la catástrofe de Fukushima

o E-BLIND: Semáforos para ciegos que no emiten señal acústica (vibración)

TECNOLOGÍA PIEZOELÉCTRICA: E-APLICACIONES

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• E-STEP en escaleras… ¿Por qué es una buena solución?

APLICACIÓN DEL E-STEP EN ESCALERAS

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INTRODUCCIÓN PROYECTO DESENLACE

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ICO FUTURO Y ENERGÍA: CAMBIO DE LA MENTALIDAD

“Los imperios del futuro serán imperios de la mente”, Winston Churchill

• Uso de la energía: • Pasado: espectadores pasivos de los fenómenos naturales incomprensibles.• Presente: coreógrafos de la danza de la Naturaleza (M-energías).• Futuro: amos de la energía y directores del espectáculo (μ-energías).

• Sistema PUSH vs PULL: Aplicación en las Smart Cities• PUSH: Energías renovables actuales (Eólica, Solar FV, Mareomotriz,…)• PULL: Energías renovables 2.0 (Energy Harvesting, Piezoelectricidad,…)

• “Knowledge is power”: seguir apostando por I+D+i.• Entorno “vivo”: invisibilidad de la Tecnología.• Chip cumpleaños feliz vs Ordenador NASA. Michiu Kaku, “La Física del Futuro”.

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ICO FUTURO + OPTIMISMO = ENERGÍA SOSTENIBLE

• Comprender las Leyes fundamentales de la Naturaleza: inventos, máquinas ysoluciones redefinirán nuestra civilización.

• Nunca hay que subestimar el poder y la velocidad a la que avanza la Ciencia.• “¿Quién va a querer oír 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 está inventado”, Charles H. Duell (Ofi. Patentes USA, 1899)

“El futuro ya está aquí, lo que pasa es que está distribuido de manera desigual”,William Gibson, Neuromante (padre de la palabra “ciberespacio”).

• “La investigación necesita más cabezas que medios”,Severo Ochoa (Premio Nobel Medicina, 1959)

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ICO E-STEP: CON LOS PIES EN LA TIERRA...

o Energy Harvesting energía suficiente para satisfacer ciertas necesidades.

o E-STEP: mejora los resultados de los antecedentes (Metro Japón).

o Aplicación energética: Sensores inalámbricos inteligentes (Smart solutions) .

o Viable en situaciones de gran concentración de personas.

o Eficiencia Energética: Iluminación de emergencia y señalización (LEDS).

o Energía Autónoma, Renovable y Low Cost: Industrialización: ↑ Energía & ↓ Costes.

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“¡Tu energía es importante!”

“¡UPC, gente con energía!”

“¡UPC, porque nos gusta movernos!”

“¡Estudiar es energía!”

“La energía es cosa tuya, de todos, úsala bien”

“Anda… haznos un Donativo Energético”

“Mira lo que generas y observa lo que consumes”

“UPC & E-STEP: we make clean energy”

“Apúntate a la piezoelectricidad”

“Nunca ir a clase habrá servido para tanto”

¿LO PROBAMOS?

¡PIEZOELECTRÍZATE!VER VIDEO

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GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Javier Ibáñez García

23/05/2013