Trabajo de grado - Pregrado
Evaluación computacional mediante el elemento finito de los parámetros de un dispositivo piezoeléctrico para la cosecha de energía vibracional
Registro en:
Universidad Tecnológica de Pereira
Repositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereira
Autor
Guzmán Sánchez, Jaiber Alexis
Institución
Resumen
La necesidad de utilizar las energías limpias procedentes de la naturaleza en los diversos procesos industriales, ha hecho que surja tanto un interés y una necesidad entre los investiga-dores para aprovechar la energía producida por los distintos fenómenos que se presentan en el medio ambiente con el fin de volver más productivos los procesos que se llevan a cabo dentro de la industria. En los últimos años, se han venido desarrollando teórica, computacional y experimentalmente, investigaciones enfocadas en el proceso de cosecha de energía; el cual es un proceso de captura de energía mediante dispositivos eléctricos desde fuentes naturales, con el fin de almacenar y posteriormente hacer uso de esta energía.
Con los avances electrónicos que se han presentado a lo largo de los últimos años se facilita en gran medida la implementación de la cosecha de energía, ya que permite la creación de dispositivos más sensibles al movimiento, permitiendo así una mejor captación de energía de estas fuentes naturales y paralelamente una mejor capacidad de almacenamiento de estosdispositivos. Pregrado Ingeniero(a) Físico(a) Indice general
1. Introducción 1
1.1. Planteamiento de la pregunta o problema de investigación . . . . . . . . . . . 1
1.2. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. Los objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4. Metodología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. MARCO CONCEPTUAL 8
2.1. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2. Fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3. Modelo fisicomatematico de la respuesta de un dispositivo piezoel ´ ectrico ´ . . 9
2.4. Cosecha de energía vibracional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1. Metodo del Elemento Finito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.1.1. Comsol Multyphics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5. Analisis de grafos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.1. Revisión del estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.1.1. Aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.1.2. Latón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.1.3. Oxido de Zinc(ZnO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.1.4. Titanato zirconato de plomo (PZT-5A) . . . . . . . . . . . 30
2.5.2. Componentes de una cosechadora piezoelectrica ´ . . . . . . . . . . . 30
3. DISENO DEL MODELO DE COSECHADORA DE ENERGIA 31
3.1. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2. Consideraciones de diseno de la viga y del parche piezoelectrico . . . . . . . 31
3.3. Rectángulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4. Trapezoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5. Triángulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4. RESULTADOS Y ANALISIS ´ 41
4.1. Rectángulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5
ÍNDICE GENERAL 6
4.1.1. Efecto del tipo de malla para la geometría rectangular con el alumi nio, PZT-5A y la fuerza de 8.8271x10-5 N. . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.2. Efecto del tipo de malla para la geometría rectangular con el alumi nio, PZT-5A y la fuerza de 0.5 N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.3. Efecto del tipo de malla para la geometría rectangular con el alumi nio, ZnO y fuerza de 8.8271x10-5 N. . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.4. Geometría rectangular con el aluminio, ZnO y fuerza de 0.5 N. . . . . 58
4.1.5. Geometría rectangular con el laton, ZnO y fuerza de 0.5 N ´ . . . . . . 60
4.1.6. Geometría rectangular con el laton, ZnO y fuerza de 8.8271x10-5 N. . 61
4.1.7. Geometría rectangular con el laton, PZT-5A y fuerza de 8.8271x10-5 ´
N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.8. Geometría rectangular con el laton, PZT-5A y fuerza de 0.5 N. . . . . 65
4.2. Trapezoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3. Triangulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4. Aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5. Latón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5. Conclusiones 81