Optimización de piezoeléctricos comerciales para su uso en sistemas de Energy Harvesting
Piezoelectric business optimization for use in energy systems harvesting
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Un ejemplo de estos sistemas son las redes de sensores inalámbricas.</p><p class="elsevierStylePara">Aunque muchas veces no es posible conseguir mediante el <span class="elsevierStyleItalic">Energy Harvesting</span> una alimentación completamente autónoma, sí se puede alargar la vida de las baterías de los sistemas electrónicos, por lo que se justifica la motivación de esta técnica de alimentación.</p><p class="elsevierStylePara">Los sistemas de <span class="elsevierStyleItalic">Energy Harvesting</span> son muy interesantes en entornos donde no existe red de suministro eléctrico, donde se deba minimizar al máximo la sustitución de baterías o donde no puedan instalarse baterías por motivos de seguridad. En algunos casos un sistema de alimentación basado en <span class="elsevierStyleItalic">Energy Harvesting</span> puede ser la mejor solución desde un punto de vista de la fiabilidad del sistema.</p><p class="elsevierStylePara">Este trabajo se centra en los sistemas de <span class="elsevierStyleItalic">Energy Harvesting</span> basados en la conversión de energía mecánica en energía eléctrica utilizando piezoeléctricos.</p><a name="sec0010" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><span class="elsevierStyleSectionTitle">Experimental y discusión</span><p class="elsevierStylePara">Una explicación sencilla del fenómeno de la polarización por el efecto de las tensiones mecánicas o de campos externos es que se produce una deformación cristalina en el cristal y esto puede provocar una descompensación en las cargas que produzca la aparición del momento dipolar neto en el material (<a href="#bib10" class="elsevierStyleCrossRefs">[1]</a>), como se indica en la <a href="#f0005" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 1</a>.</p><a name="f0005" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig1.jpg" alt="Aparición del momento dipolar debido a tensiones mecánicas en una celda elemental de cuarzo."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 1. Aparición del momento dipolar debido a tensiones mecánicas en una celda elemental de cuarzo.</p><p class="elsevierStylePara">Las ecuaciones que rigen este fenómeno son las llamadas ecuaciones piezoeléctricas:</p><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511figsi1.gif" alt="Fórmula"></img></p><p class="elsevierStylePara">donde D es el vector desplazamiento eléctrico o densidad de flujo eléctrico, E es el vector de campo eléctrico (V·m<span class="elsevierStyleSup">−1</span>), ξ es la permitividad del medio (pF·m<span class="elsevierStyleSup">−1</span>), T es el vector de tensiones mecánicas, σ son las tensiones lineales y τ son las tensiones en cizalladura.</p><p class="elsevierStylePara">Así, para un paralelepípedo elemental de cuarzo sin campo eléctrico externo se podría calcular fácilmente su carga acumulada en sus caras perpendiculares a los ejes <span class="elsevierStyleItalic">x</span> e <span class="elsevierStyleItalic">y</span> ante una excitación mecánica aplicada.</p><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511figsi2.gif" alt="Fórmula"></img></p><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511figsi3.gif" alt="Fórmula"></img></p><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511figsi4.gif" alt="Fórmula"></img></p>con <span class="elsevierStyleItalic">d</span><span class="elsevierStyleInf"><span class="elsevierStyleItalic">11</span></span> = 2,3·10 <span class="elsevierStyleSup">−12</span> C·N <span class="elsevierStyleSup">−1</span>· <span class="elsevierStyleItalic">d</span><span class="elsevierStyleInf"><span class="elsevierStyleItalic">14</span></span> = −0,67·10 <span class="elsevierStyleSup">−12</span> C·N <span class="elsevierStyleSup">−1</span>. <span class="elsevierStyleItalic">d</span><span class="elsevierStyleInf"><span class="elsevierStyleItalic">ij</span></span> son las constantes piezoeléctricas, que relacionan el campo eléctrico con la tensión mecánica; Q <span class="elsevierStyleInf">x</span>, Q <span class="elsevierStyleInf">y</span> son las cargas generadas en las caras perpendiculares a los ejes <span class="elsevierStyleItalic">x</span> e <span class="elsevierStyleItalic">y</span>, respectivamente, en el paralelepípedo de cuarzo; A <span class="elsevierStyleInf">x</span>, A <span class="elsevierStyleInf">y</span> son las áreas de las caras perpendiculares a los ejes <span class="elsevierStyleItalic">x</span> e <span class="elsevierStyleItalic">y</span>, respectivamente, del paralelepípedo de cuarzo. <p class="elsevierStylePara">En cuanto al uso de los piezoeléctricos en vibración, en este trabajo se han usado piezoeléctricos conformados en cantiléver y vibrando, como se muestra en la <a href="#f0010" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 2</a>.</p><a name="f0010" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig2.jpg" alt="Esquema de funcionamiento de un cantiléver bimorfo."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 2. Esquema de funcionamiento de un cantiléver bimorfo.</p><p class="elsevierStylePara">El circuito equivalente es el mostrado en la <a href="#f0015" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 3</a>. Estos dispositivos piezoeléctricos se usarán en lugares donde exista una excitación mecánica repetitiva, preferentemente periódica, por lo que el generador de tensión equivalente mostrado (<a href="#bib10" class="elsevierStyleCrossRefs">[1]</a>, <a href="#bib11" class="elsevierStyleCrossRefs">[2]</a>) es un generador de corriente alterna AC.</p><a name="f0015" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig3.jpg" alt="Circuito eléctrico equivalente de respuesta del cantiléver bimorfo de la <cross-ref>figura 2</cross-ref>."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 3. Circuito eléctrico equivalente de respuesta del cantiléver bimorfo de la figura 2 .</p><p class="elsevierStylePara">Las pruebas iniciales se han realizado utilizando un banco de ensayos (<a href="#bib12" class="elsevierStyleCrossRefs">[3]</a>) que simula el efecto de un vehículo rodado sobre elementos piezoeléctricos enterrados bajo el asfalto. Con esto se han obtenido medidas de impacto. Por otra parte, se puede configurar el banco para que genere vibración en la superficie, lo que permite simular el efecto de vibración continua y medir el efecto sobre el dispositivo para la captación de energía a partir de vibración continua de diferente intensidad.</p><p class="elsevierStylePara">El banco permite simular el paso de vehículos tipo berlina (distancia de batalla de 268 cm) con velocidades entre 14 y 160 km/h, aproximadamente. En la <a href="#f0020" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 4</a> se muestra una imagen del mismo.</p><a name="f0020" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig4.jpg" alt="Banco de ensayos para análisis de respuesta de recuperación de energía mecánica."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 4. Banco de ensayos para análisis de respuesta de recuperación de energía mecánica.</p><p class="elsevierStylePara">Las pruebas se han realizado con una velocidad programada en el banco de aproximadamente 62 km/h. Este funcionamiento hace que la plataforma sobre la que se produce la rodadura vibre aproximadamente a 14 Hz.</p><p class="elsevierStylePara">Se coloca un elemento piezoeléctrico, adherido a la plataforma, que captará la vibración. Otro elemento piezoeléctrico se coloca para captar el impacto de la rueda a su paso.</p><a name="sec0015" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><span class="elsevierStyleSectionTitle">Arquitectura del circuito de captación de energía</span><p class="elsevierStylePara">La arquitectura del circuito que se encarga de la captación y el almacenamiento de la energía eléctrica se muestra en la <a href="#f0025" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 5</a>. Esta arquitectura es, salvo variantes muy particulares, común para excitaciones mecánicas por impacto y para excitaciones mecánicas por vibraciones continuas(<a href="#bib13" class="elsevierStyleCrossRefs">[4]</a>, <a href="#bib14" class="elsevierStyleCrossRefs">[5]</a>). Se describen a continuación los bloques de la <a href="#f0025" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 5</a> y se particularizan para cada caso (vibración e impacto) las señales que se producen, para posteriormente describir el método de optimización que consigue aumentar el rendimiento del <span class="elsevierStyleItalic">Energy Harvesting</span>.</p><a name="f0025" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig5.jpg" alt="Arquitectura del circuito de captación y almacenamiento."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 5. Arquitectura del circuito de captación y almacenamiento.</p><p class="elsevierStylePara">Un circuito típico de captación es el EHE004 Charge Managment System de MIDE Technology que implementa el rectificador, el filtro y el convertidor conmutado Buck (<a href="#bib15" class="elsevierStyleCrossRefs">[6]</a>, <a href="#bib16" class="elsevierStyleCrossRefs">[7]</a>). Este circuito tiene un condensador C<span class="elsevierStyleInf">IN</span> en el filtro de 200 μF e incorpora una lógica de control, no incluida en la <a href="#f0025" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 5</a>, que hace que no se proporcione potencia a la salida del convertidor si no se ha llegado a un umbral de carga en el condensador C<span class="elsevierStyleInf">IN</span> de 4 o 5 V según valor de salida seleccionado. Este valor umbral es seleccionado en el EHE004. Para realizar las medidas de este trabajo se han implementado de forma discreta el puente rectificador y el filtro a la entrada del <span class="elsevierStyleItalic">Buck converter</span> usando diferentes elementos piezoeléctricos comerciales. A continuación se describe la funcionalidad de cada bloque de este circuito típico de captación y almacenamiento.</p><p class="elsevierStylePara">El elemento piezoeléctrico es la fuente de energía y el conversor de energía mecánica en energía eléctrica, y los elementos utilizados en este trabajo son materiales o dispositivos comerciales. Los estudios de vibración continua se realizan sobre un elemento Volture<span class="elsevierStyleSup">TM</span>, que establece unas condiciones de trabajo entre 75 y 180 Hz, ajustables con masa adicional añadida, y con una tensión de respuesta baja (inferior a 40 V). Para la respuesta a impacto se utilizan 2 elementos bimorfos diferentes: muRata VSB50EWH0301B, con una capacitancia de 600 nF, dimensiones 50 Diámetro. × 2,5 mm, rango de frecuencia 250 Hz y 20 kHz, y American piezo Ceramics 60-1.035; capacitancia 0,29 nF; dimensiones 5 Dia × 20 mm, rango de frecuencias, kHz; g33 30 10-3 Vm/N con amplificador mecánico de presión.</p><p class="elsevierStylePara">El rectificador consiste en un circuito rectificador de onda completa encargado de conseguir que la señal eléctrica proporcionada por el elemento piezoeléctrico solo tenga valores positivos. Está basado en un puente de diodos donde se destaca que cuando se usen elementos que proporcionen una tensión de pico (V<span class="elsevierStyleInf">p</span>) elevada se debe tener cuidado con los diodos utilizados, ya que estos deben cumplir la desigualdad de la ecuación 5.</p><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511figsi5.gif" alt="Fórmula"></img></p>donde V <span class="elsevierStyleInf">RRM</span> (V) es la tensión inversa repetitiva máxima en el diodo (se considera que las excitaciones mecánicas de impacto se repiten aunque no sea de forma periódica), V <span class="elsevierStyleInf">p</span> (V) es la tensión de pico proporcionada por el elemento piezoeléctrico, y V <span class="elsevierStyleInf">D</span> (V) es la tensión del diodo en conducción. <p class="elsevierStylePara">En la <a href="#f0030" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 6</a> se representan los valores de respuesta de los sistemas piezoeléctricos sometidos a vibraciones continuas (a) y de impacto (b y c). En todos ellos, en trazo discontinuo se representa la respuesta directa del elemento piezoeléctrico, y en trazo continuo, la misma señal después de pasar por el circuito rectificador.</p><a name="f0030" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig6.jpg" alt="Respuesta del elemento piezoeléctrico: a) vibración continua; b,c) impacto. En todos los casos, en trazo discontinuo se presenta la señal directa, y en trazo continuo, la señal rectificada."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 6. Respuesta del elemento piezoeléctrico: a) vibración continua; b,c) impacto. En todos los casos, en trazo discontinuo se presenta la señal directa, y en trazo continuo, la señal rectificada.</p><p class="elsevierStylePara">El filtro es uno o más condensadores de alta capacidad para conseguir que la entrada al convertidor conmutado reductor (Buck) tenga una tensión de entrada con variaciones pequeñas de tensión. Hay un detalle importante en la elección del condensador: se trata de su tensión máxima, dado que las tensiones que proporciona el elemento piezoeléctrico al impacto pueden ser elevadas. En el EHE004 es el C<span class="elsevierStyleInf">IN</span> = 200 μF (<a href="#f0035" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 7</a>).</p><a name="f0035" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig7.jpg" alt="Esquema del <i>Buck converter</i> LTC3588-1."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 7. Esquema del <span class="elsevierStyleItalic">Buck converter</span> LTC3588-1.</p><p class="elsevierStylePara">Para el <span class="elsevierStyleItalic">Buck converter</span> se utiliza el circuito Linear LTC3588-1, que viene montado en el EHE004 Charge Managment System y que ofrece la ventaja de tener integrado el rectificador. Este rectificador usa diodos de muy baja V<span class="elsevierStyleInf">D</span>. En la figura se muestra el circuito típico de aplicación para piezoeléctricos.</p><p class="elsevierStylePara">A la salida del LTC3588-1 (V<span class="elsevierStyleInf">STORE</span> de la <a href="#f0035" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 7</a>) se conecta un supercondensador de 4,7 F/2,7 V que irá acumulando la energía, y sobre este se podría conectar el circuito a alimentar. Se podría conectar también en ese mismo punto un circuito de control de carga de batería(<a href="#bib17" class="elsevierStyleCrossRefs">[8]</a>).</p><a name="sec0020" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><span class="elsevierStyleSectionTitle">Análisis de los resultados</span><p class="elsevierStylePara">En la <a href="#f0040" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 8</a> se muestran los resultados obtenidos en la carga de C<span class="elsevierStyleInf">IN</span> = 200 μF a la salida del puente de diodos adquiridos en los test iniciales con medidas en circuito abierto (Load > 10 GΩ).</p><a name="f0040" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig8.jpg" alt="Carga con captación en vibración continua. En trazo discontinuo se representa la respuesta del sistema optimizado."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 8. Carga con captación en vibración continua. En trazo discontinuo se representa la respuesta del sistema optimizado.</p><p class="elsevierStylePara">La energía almacenada en el condensador se determina aplicando la ecuación siguiente:</p><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511figsi6.gif" alt="Fórmula"></img></p>donde C es la capacidad del condensador y V es la diferencia de potencial eléctrico. <p class="elsevierStylePara">La frecuencia de vibración de la plataforma se midió con un acelerómetro ADXL335 y analizando el espectro de la señal, obteniendo vibraciones de una frecuencia fundamental de 14 Hz. Los armónicos de la señal en el rango nominal del elemento piezoeléctrico (75 … 180 Hz) son de muy baja intensidad.</p><p class="elsevierStylePara">Al colocar el elemento en el banco de ensayos, este no era capaz de producir señal eléctrica suficiente para cargar el condensador. La solución adoptada es adherir elementos al cantiléver, a modo de aumentar la masa <span class="elsevierStyleItalic">(tip mass)</span> y la longitud del mismo, para conseguir que la vibración de la plataforma se transmitiera al elemento piezoeléctrico. El objetivo es comprobar que puede adaptarse el elemento piezoeléctrico vibrante para captar energía aun estando lejos de su rango nominal de vibración.</p><p class="elsevierStylePara">En ambos casos de captación (vibración e impacto) se observa que sería deseable que el tiempo de carga en el condensador C<span class="elsevierStyleInf">IN</span> de la <a href="#f0040" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 8</a> fuese menor y los niveles de carga del condensador fuesen mayores, de cara a poder utilizar el circuito de captación en aplicaciones reales, lo que exige optimizar los procedimientos de captación de energía.</p><a name="sec0025" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><span class="elsevierStyleSectionTitle">Propuesta de optimización del proceso de <span class="elsevierStyleItalic">Energy Harvesting</span></span><p class="elsevierStylePara">La estrategia de optimización de la arquitectura del circuito de captación de energía pasa en un primer término por actuar sobre el elemento piezoeléctrico. En este caso los caminos a seguir serían experimentar con los elementos a añadir al elemento, de forma similar a lo realizado a lo comentado en el apartado anterior (<a href="#bib17" class="elsevierStyleCrossRefs">[8]</a>). No obstante, si la vibración no ofrece componentes espectrales con niveles suficientes en el rango de frecuencias nominales del elemento piezoeléctrico, difícilmente se podrá mejorar el rendimiento de una manera notable.</p><p class="elsevierStylePara">La forma de optimizar la captación de energía sería utilizar los elementos piezoeléctricos en un entorno de vibración adecuado. Para ello se ha utilizado un sistema de vibración controlado a una frecuencia de 120 Hz y con amplitud de vibración similar a la medida con el acelerómetro en la plataforma del banco en el test inicial. Se ha instalado sobre el sistema de vibración el Volture, tal y como se muestra en la <a href="#f0045" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 9</a>, y se ha realizado un proceso de carga del C<span class="elsevierStyleInf">IN</span> manteniendo la arquitectura del circuito de captación. Los resultados se muestran en la <a href="#f0050" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 10</a> y en la <a href="#t0005" class="elsevierStyleCrossRefs">Tabla 1</a>, donde se encuentra la energía almacenada en el condensador de 200 μF según la ecuación 6 y los tiempos aproximados para llegar al valor final en la tensión del condensador. Las medidas son en circuito abierto (Load > 10 GΩ). Se muestra la comparación entre los resultados de las pruebas iniciales y las pruebas con los procedimientos de optimización aplicados.</p><a name="f0045" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig9.jpg" alt="Sistema de captación de vibraciones (Volture) sobre vibrador con frecuencia y amplitud controlables."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 9. Sistema de captación de vibraciones (Volture) sobre vibrador con frecuencia y amplitud controlables.</p><a name="f0050" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"><img src="26v54n06-90445511fig10.jpg" alt="Carga con captación en impactos. En trazo discontinuo se representa la respuesta del sistema optimizado."></img></p><p class="elsevierStylePara">Figura 10. Carga con captación en impactos. En trazo discontinuo se representa la respuesta del sistema optimizado.</p><p class="elsevierStylePara">Tabla 1. Comparativa de los sistemas de captación, antes y después de optimizarlos</p><a name="t0005" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><p class="elsevierStylePara"></p><table><tr align="left"><td colspan="2">Respuesta a vibraciones</td><td colspan="2">Respuesta a impacto</td></tr><tr align="left"><td>Sin optimizar</td><td>Optimizado</td><td>Sin optimizar (muRata)</td><td>Optimizado (APC intensificado)</td></tr><tr align="left"><td>Energía almacenada prueba inicial (mJ)</td><td>Energía almacenada (mJ)</td><td>Energía almacenada prueba inicial (mJ)</td><td>Energía almacenada (mJ)</td></tr><tr align="left"><td>2,03</td><td>1,92</td><td>19,2</td><td>4.213</td></tr><tr align="left"><td>Tiempo de carga pruebas iniciales (s)</td><td>Tiempo de carga (s)</td><td>Tiempo de carga prueba inicial (s)</td><td>Tiempo de carga (s)</td></tr><tr align="left"><td>1.352</td><td>60</td><td>7.256</td><td>3.824</td></tr></table><p class="elsevierStylePara">Dado que la amplitud de la vibración es aproximadamente la misma en ambos casos, la energía almacenada también es aproximadamente la misma. Sin embargo, con la optimización aplicada a la excitación del piezoeléctrico la acumulación se realiza de forma mucho más rápida, por lo que la potencia disponible excitando adecuadamente el elemento será también mucho mayor que en el caso del test inicial.</p><p class="elsevierStylePara">La estrategia de optimización de la arquitectura del circuito de captación de energía también pasa por actuar sobre el elemento piezoeléctrico. En este caso, el camino a seguir sería conseguir que el elemento proporcione más señal al impacto, y esto se consigue poniendo un elemento con mayor <span class="elsevierStyleItalic">d</span><span class="elsevierStyleInf"><span class="elsevierStyleItalic">ij</span></span> y mayores dimensiones y amplificando mecánicamente el impacto al paso de la rueda. Para ello se ha cambiado el bimorfo de muRata por el bimorfo de APC.</p><p class="elsevierStylePara">Se ha realizado un proceso de carga del C<span class="elsevierStyleInf">IN</span>, pero ahora se ha tenido que modificar la arquitectura del circuito de captación, dado que la respuesta del piezoeléctrico tiene un valor muy elevado y el circuito EHE004 no admite esos niveles de entrada. Se ha montado un puente de diodos y se ha colocado a su salida un condensador de igual valor 200 μF, igual que el C<span class="elsevierStyleInf">IN</span>. En la <a href="#f0050" class="elsevierStyleCrossRefs">Figura 10</a> se muestra la comparación entre los resultados de las pruebas iniciales y las pruebas con los procedimientos de optimización aplicados. Se utiliza escala semilogarítmica para que se puedan visualizar ambas respuestas, teniendo presente que con la optimización se mejora en un orden de magnitud la respuesta.</p><p class="elsevierStylePara">Los datos mostrados en la <a href="#t0005" class="elsevierStyleCrossRefs">Tabla 1</a> constatan que un elemento piezoeléctrico mejor adaptado a la excitación mecánica existente permite captar y almacenar una energía eléctrica considerablemente mayor y en tiempos más cortos. En este caso, el cambio en las dimensiones del cilindro PZT, sumado a la amplificación mecánica, mejora la cantidad de energía y el tiempo de carga del condensador.</p><p class="elsevierStylePara">Para conseguir que el circuito formado por el elemento piezoeléctrico + rectificador + filtro (condensador) entregue la máxima potencia, habría que conseguir que la etapa posterior (convertidor) tuviese la misma impedancia de entrada que la impedancia equivalente de las etapas anteriores. Para ello hay que obtener la curva de regulación y obtener con ella la resistencia de salida Ro del circuito equivalente de los bloques elemento piezoeléctrico + rectificador + filtro (condensador). Este caso fue resuelto en un trabajo anterior con el mismo elemento de impacto optimizado (<a href="#bib17" class="elsevierStyleCrossRefs">[8]</a>). Se obtuvo una Ro de aproximadamente 669.400 Ω.</p><p class="elsevierStylePara">Para ambos tipos de captación es posible aumentar la energía realizando asociaciones de elementos en diferentes topologías (<a href="#bib9" class="elsevierStyleCrossRefs">[9]</a>).</p><a name="sec0030" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><span class="elsevierStyleSectionTitle">Conclusiones</span><p class="elsevierStylePara">Las conclusiones más relevantes del estudio son las siguientes:</p><ul><li><p class="elsevierStylePara">• Se constata la posibilidad de alimentar circuitos de bajo consumo con <span class="elsevierStyleItalic">Energy Harvesting</span>.</p></li><li><p class="elsevierStylePara">• Se ha conseguido un sistema rápido y efectivo de optimización de elementos piezoeléctricos para captar energía.</p></li><li><p class="elsevierStylePara">• Los elementos piezoeléctricos son la clave de esta cosecha de energía. Diferentes tipos de piezoeléctricos, asociaciones con diferentes topologías y formas de excitación permiten mejorar los niveles de energía almacenada y los tiempos de carga del condensador, y por tanto la potencia disponible.</p></li><li><p class="elsevierStylePara">• Es necesario adaptar los elementos piezoeléctricos para captar la máxima energía, y hay que caracterizar adecuadamente la fuente de energía para que esta entregue la máxima potencia.</p></li><li><p class="elsevierStylePara">• Se verifica que puede cosecharse energía por ambos métodos de captación: vibración e impacto.</p></li><li><p class="elsevierStylePara">• La arquitectura del sistema de captación de energía está íntimamente ligado al elemento piezoeléctrico y a la manera de excitación del mismo.</p></li><li><p class="elsevierStylePara">• Con la amplificación mecánica se consigue aumentar significativamente el rendimiento en la captación por impacto.</p></li><li><p class="elsevierStylePara">• Con el <span class="elsevierStyleItalic">«tip mass»</span> se consigue aumentar el rendimiento en la captación por vibración continua.</p></li><li><p class="elsevierStylePara">• Estos sistemas de captación son válidos para multitud de aplicaciones:</p><ul><li><p class="elsevierStylePara">∘ Fuentes de carácter percusivo.</p></li><li><p class="elsevierStylePara">∘ En vías civiles: aceras, carreteras, líneas férreas, suelos en zonas de mucho paso…</p></li></ul></li></ul><a name="sec0035" class="elsevierStyleCrossRefs"></a><span class="elsevierStyleSectionTitle">Financiación</span><p class="elsevierStylePara">Este trabajo se ha realizado con la financiación del proyecto MAT2013-48009-C4-3-P, del Ministerio Español de Economía y Competitividad.</p><p class="elsevierStylePara">Recibido 10 Agosto 2015 <br></br>Aceptado 7 Septiembre 2015 </p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic">Autor para correspondencia</span>. gi.poemma@upm.es</p>" "pdfFichero" => "26v54n06a90445511pdf001.pdf" "tienePdf" => true "PalabrasClave" => array:2 [ "es" => array:1 [ 0 => array:4 [ "clase" => "keyword" "titulo" => "Palabras clave" "identificador" => "xpalclavsec695031" "palabras" => array:3 [ 0 => "Piezoelectricidad" 1 => "Dispositivos piezoeléctricos" 2 => "Almacenamiento de energía" ] ] ] "en" => array:1 [ 0 => array:4 [ "clase" => "keyword" "titulo" => "Keywords" "identificador" => "xpalclavsec695032" "palabras" => array:4 [ 0 => "Piezoelectricity" 1 => "Piezoelectric devices" 2 => "Piezoelectric materials" 3 => "Energy harvesting" ] ] ] ] "tieneResumen" => true "resumen" => array:2 [ "es" => array:1 [ "resumen" => "<span class="elsevierStyleSectionTitle"> Resumen</span><br/><p class="elsevierStylePara"> En este trabajo se caracterizan electromecánicamente materiales piezoeléctricos comerciales individuales y en diferentes configuraciones para su potencial uso en dispositivos de transformación de energía mecánica en eléctrica, con el objetivo de almacenarla y usarla en la alimentación de sistemas electrónicos de bajo consumo.</p><p class="elsevierStylePara"> Se plantean modelos optimizados de almacenamiento de dicha energía, teniendo en cuenta 2 posibilidades: captación de energía a partir de vibraciones continuas, incluso de baja intensidad, o captación de energía a partir de impactos.</p><p class="elsevierStylePara"> Se estudian diferentes configuraciones y se analiza la viabilidad de los modelos presentados mediante sistemas de vibración de frecuencia controlada y un banco de pruebas de simulación de paso de vehículos, diseñado y patentado por el grupo POEMMA R&D. Se enumeran aplicaciones cotidianas en las que pueden usarse los dispositivos en las configuraciones descritas.</p>" ] "en" => array:1 [ "resumen" => "<span class="elsevierStyleSectionTitle"> Abstract</span><br/><p class="elsevierStylePara"> In this work, commercial piezoelectric materials are electromechanically characterized, in different configurations for potential use in harvesting devices of mechanical energy, in order to store and use in the feeding of low power electronic systems.</p><p class="elsevierStylePara"> Optimization models considering two different types of mechanical energy are proposed: one for capture energy from continuous vibration, even low intensity and other for capture energy from impacts.</p><p class="elsevierStylePara"> Different configurations are discussed, and the feasibility of the models presented is analyzed by frequency vibration systems controlled and a test simulation of passing vehicles, designed and patented by POEMMA R&D group. Everyday applications in which devices in the configurations described may be used are listed.</p>" ] ] "multimedia" => array:32 [ 0 => array:8 [ "identificador" => "fig1" "etiqueta" => "Figura 1" "tipo" => "MULTIMEDIAFIGURA" "mostrarFloat" => true "mostrarDisplay" => false "copyright" => "Elsevier España" "figura" => array:1 [ 0 => array:4 [ "imagen" => "26v54n06-90445511fig1.jpg" "Alto" => 230 "Ancho" => 700 "Tamanyo" => 29811 ] ] "descripcion" => array:1 [ "es" => "Aparición del momento dipolar debido a tensiones mecánicas en una celda elemental de cuarzo." ] ] 1 => array:8 [ "identificador" => "fig2" "etiqueta" => "Figura 2" "tipo" => "MULTIMEDIAFIGURA" "mostrarFloat" => true "mostrarDisplay" => false "copyright" => "Elsevier España" "figura" => array:1 [ 0 => array:4 [ "imagen" => "26v54n06-90445511fig2.jpg" "Alto" => 289 "Ancho" => 700 "Tamanyo" => 24472 ] ] "descripcion" => array:1 [ "es" => "Esquema de funcionamiento de un cantiléver bimorfo." ] ] 2 => array:8 [ "identificador" => "fig3" "etiqueta" => "Figura 3" "tipo" => "MULTIMEDIAFIGURA" "mostrarFloat" => true "mostrarDisplay" => false "copyright" => "Elsevier España" "figura" => array:1 [ 0 => array:4 [ "imagen" => "26v54n06-90445511fig3.jpg" "Alto" => 443 "Ancho" => 700 "Tamanyo" => 16781 ] ] "descripcion" => array:1 [ "es" => "Circuito eléctrico equivalente de respuesta del cantiléver bimorfo de la figura 2 ." ] ] 3 => array:8 [ "identificador" => "fig4" "etiqueta" => "Figura 4" "tipo" => "MULTIMEDIAFIGURA" "mostrarFloat" => true "mostrarDisplay" => false "copyright" => "Elsevier España" "figura" => array:1 [ 0 => array:4 [ "imagen" => "26v54n06-90445511fig4.jpg" "Alto" => 233 "Ancho" => 700 "Tamanyo" => 30921 ] ] "descripcion" => array:1 [ "es" => "Banco de ensayos para análisis de respuesta de recuperación de energía mecánica." ] ] 4 => array:8 [ "identificador" => "fig5" "etiqueta" => "Figura 5" "tipo" => "MULTIMEDIAFIGURA" "mostrarFloat" => true "mostrarDisplay" => false "copyright" => "Elsevier España" "figura" => array:1 [ 0 => array:4 [ "imagen" => "26v54n06-90445511fig5.jpg" "Alto" => 190 "Ancho" => 700 "Tamanyo" => 21451 ] ] "descripcion" => array:1 [ "es" => "Arquitectura del circuito de captación y almacenamiento." ] ] 5 => array:8 [ "identificador" => "fig6" "etiqueta" => "Figura 6" "tipo" => "MULTIMEDIAFIGURA" "mostrarFloat" => true "mostrarDisplay" => false "copyright" => "Elsevier España" "figura" => array:1 [ 0 => array:4 [ "imagen" => "26v54n06-90445511fig6.jpg" "Alto" => 962 "Ancho" => 700 "Tamanyo" => 88584 ] ] "descripcion" => array:1 [ "es" => "Respuesta del elemento piezoeléctrico: a) vibración continua; b,c) impacto. 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|---|---|---|---|
| 2024 October | 22 | 3 | 25 |
| 2024 September | 46 | 11 | 57 |
| 2024 August | 39 | 4 | 43 |
| 2024 July | 28 | 9 | 37 |
| 2024 June | 20 | 5 | 25 |
| 2024 May | 22 | 6 | 28 |
| 2024 April | 30 | 14 | 44 |
| 2024 March | 50 | 9 | 59 |
| 2024 February | 72 | 15 | 87 |
| 2024 January | 53 | 6 | 59 |
| 2023 December | 52 | 9 | 61 |
| 2023 November | 77 | 19 | 96 |
| 2023 October | 72 | 10 | 82 |
| 2023 September | 41 | 6 | 47 |
| 2023 August | 44 | 9 | 53 |
| 2023 July | 62 | 30 | 92 |
| 2023 June | 30 | 12 | 42 |
| 2023 May | 45 | 5 | 50 |
| 2023 April | 48 | 3 | 51 |
| 2023 March | 41 | 2 | 43 |
| 2023 February | 35 | 6 | 41 |
| 2023 January | 46 | 7 | 53 |
| 2022 December | 57 | 9 | 66 |
| 2022 November | 35 | 5 | 40 |
| 2022 October | 35 | 9 | 44 |
| 2022 September | 30 | 18 | 48 |
| 2022 August | 30 | 19 | 49 |
| 2022 July | 23 | 14 | 37 |
| 2022 June | 24 | 6 | 30 |
| 2022 May | 26 | 12 | 38 |
| 2022 April | 20 | 11 | 31 |
| 2022 March | 47 | 7 | 54 |
| 2022 February | 42 | 10 | 52 |
| 2022 January | 48 | 13 | 61 |
| 2021 December | 40 | 15 | 55 |
| 2021 November | 42 | 15 | 57 |
| 2021 October | 47 | 10 | 57 |
| 2021 September | 28 | 11 | 39 |
| 2021 August | 34 | 4 | 38 |
| 2021 July | 14 | 10 | 24 |
| 2021 June | 28 | 10 | 38 |
| 2021 May | 42 | 13 | 55 |
| 2021 April | 67 | 24 | 91 |
| 2021 March | 48 | 26 | 74 |
| 2021 February | 30 | 14 | 44 |
| 2021 January | 34 | 14 | 48 |
| 2020 December | 47 | 18 | 65 |
| 2020 November | 53 | 9 | 62 |
| 2020 October | 31 | 6 | 37 |
| 2020 September | 31 | 15 | 46 |
| 2020 August | 35 | 18 | 53 |
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| 2020 June | 23 | 12 | 35 |
| 2020 May | 47 | 8 | 55 |
| 2020 April | 49 | 10 | 59 |
| 2020 March | 39 | 13 | 52 |
| 2020 February | 36 | 18 | 54 |
| 2020 January | 43 | 14 | 57 |
| 2019 December | 40 | 19 | 59 |
| 2019 November | 45 | 15 | 60 |
| 2019 October | 52 | 14 | 66 |
| 2019 September | 65 | 14 | 79 |
| 2019 August | 32 | 7 | 39 |
| 2019 July | 74 | 14 | 88 |
| 2019 June | 78 | 23 | 101 |
| 2019 May | 185 | 64 | 249 |
| 2019 April | 121 | 28 | 149 |
| 2019 March | 33 | 16 | 49 |
| 2019 February | 39 | 16 | 55 |
| 2019 January | 15 | 11 | 26 |
| 2018 December | 10 | 8 | 18 |
| 2018 November | 41 | 5 | 46 |
| 2018 October | 24 | 14 | 38 |
| 2018 September | 28 | 11 | 39 |
| 2018 August | 31 | 14 | 45 |
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| 2018 June | 26 | 17 | 43 |
| 2018 May | 66 | 27 | 93 |
| 2018 April | 36 | 24 | 60 |
| 2018 March | 10 | 20 | 30 |
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| 2018 January | 19 | 12 | 31 |
| 2017 December | 14 | 5 | 19 |
| 2017 November | 45 | 19 | 64 |
| 2017 October | 30 | 9 | 39 |
| 2017 September | 38 | 13 | 51 |
| 2017 August | 33 | 11 | 44 |
| 2017 July | 17 | 5 | 22 |
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| 2017 April | 43 | 10 | 53 |
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| 2017 February | 66 | 8 | 74 |
| 2017 January | 31 | 6 | 37 |
| 2016 December | 54 | 17 | 71 |
| 2016 November | 81 | 14 | 95 |
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