Este estudio propone un sensor piezoeléctrico de método de medición de baja tensión. La fuente de vibración se obtiene a partir del impacto de gotas de agua a diferentes distancias. La señal de tensión del piezoeléctrico se registró mediante un gráfico de barras a una frecuencia de muestreo de 100 Hz. El voltaje de cada muestra se guardó en formato Excel y se analizó en el software MATLAB. Los voltajes generados se analizaron comparativamente para tres transductores piezoeléctricos del tipo fluoruro de polivinilideno (PVDF). Basándose en los experimentos y análisis, se descubrió que los transductores equipados con generación de masa anular tienen tensiones de gran amplitud en comparación con otros tipos de PVDF. Este hallazgo también muestra que el PVDF equipado con un anillo de masa puede generar tensiones con amplitudes mayores en comparación con el PVDF sin anillo de masa. La comparación de tensiones de tres alturas diferentes de PVDF reveló diferencias significativas para cada tipo. Cuanto mayor sea la altura, mayor será el impacto de la fuerza aplicada, que modificará la tensión generada por el sensor de PVDF.
Además, los resultados muestran que el tamaño del transductor modificará los valores de inductancia y resistencia, lo que afectará a la tensión producida por el sensor.
1. Introducción
El elevado consumo de electricidad hace que se genere más energía para satisfacer la demanda de los usuarios. Esto ha provocado un aumento de la demanda de combustibles fósiles para las centrales eléctricas, así como un incremento de las facturas de electricidad y de los costes de producción.
Los servicios de energía eléctrica facturados son realmente una carga pública. El uso de recursos renovables se considera una alternativa a las fuentes de energía existentes.
Uno de los nuevos métodos prometidos consiste en convertir las vibraciones ambientales en energía eléctrica mediante dispositivos piezoeléctricos. Esta energía puede almacenarse y utilizarse para alimentar dispositivos eléctricos y electrónicos (Jedol Dayou et al., 2009) [1]. La captación de energía piezoeléctrica se ha desarrollado rápidamente en la última década. Esta área de investigación se centra en los requisitos de los dispositivos electrónicos pequeños debido a la reducción de potencia, como el uso de redes de microsensores para aplicaciones de monitorización y autocarga (Alper Erturk y Daniel, 2011) [2].
La piezoelectricidad fue descubierta en 1880 por Pierre y Jacques Curie. Estudiaron la carga eléctrica generada por cristales como el cuarzo, la turmalina y la sal de Rochelle.El término piezoeléctrico fue propuesto por primera vez por W. Hankel
Basado en los principios de la termodinámica (Jordan y Ounaies, 2001) [3].
Los dispositivos piezoeléctricos se han diseñado de muchas formas, dependiendo de su aplicación. Los dispositivos tienen muchas formas, como cerámicas piezoeléctricas, monocristales, películas finas, películas gruesas serigrafiadas y materiales poliméricos (Beeby et al., 2006) [4]. Los tipos más comunes de materiales piezoeléctricos utilizados son el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el titanato de circonato de plomo (PZT) (Wong et al., 2014) [5]. La comparación de dos tipos de materiales, la cerámica piezoeléctrica de titanato de circonato de plomo (PZT) y el fluoruro de polivinilideno (PVDF), muestra que el PVDF es menos costoso que el PZT y el PVDF no es tóxico, mientras que el PZT es tóxico, mientras que el PVDF permite aumentar la potencia de los electrodos (Vioala et al., 2013) [6].
La tecnología piezoeléctrica ya se utiliza ampliamente en muchas aplicaciones; por ejemplo, se ha empleado para convertir la tensión de los vehículos. Los sensores se incrustan bajo la carretera y convierten la energía al paso de los vehículos (Aqsa Abbasi, 2013) [7]. Además, se ha diseñado como un sistema microelectromecánico para alimentar redes de sensores inalámbricas (Nechibvute et al., 2012) [8].
La conversión de energía mediante piezoeléctricos está muy extendida y se utiliza para convertir las ondas sonoras en energía eléctrica; por ejemplo, también se puede obtener energía del ruido de los aviones, como el ruido aerodinámico, del motor y otros ruidos mecánicos (Gupta et al., 2013) [9]. Una comparación de las vibraciones procedentes de tres fuentes fueron el pilling de la construcción, las bombas hidráulicas y las ruedas de los trenes, donde se descubrió que las vibraciones proporcionaban una alta presión procedente de las ruedas de los trenes (Arnab et al., 2014) [10].Además de esto, los estudios sobre el efecto de las conexiones piezoeléctricas han demostrado que las conexiones en serie
Con una salida de tensión más elevada, se recomienda que cualquier diseñador que pretenda diseñar un generador de tensión a partir de PZT considere la posibilidad de fabricar en serie
PZT (Bonface, Mwanzia y Kamweru Paul Kuria, 2020)[11]
La mayor parte de la investigación anterior sobre captación de energía piezoeléctrica se ha centrado en máquinas y actividades humanas que implican fuertes vibraciones. Recientemente se ha intentado generar energía a partir del agua y las gotas de lluvia. El voltaje generado por un PVDF simple y dos PVDF paralelos cuando se exponen a gotas de lluvia muestra que el PVDF simple genera valores de voltaje más altos que el PVDF doble (Viola et al., 2013) [6]. Además de esto, los estudios sobre cosechadores piezoeléctricos utilizando modelos de energía de lluvia muestran que con el aumento de la altura, hay un valor máximo en el voltaje producido por la caída de tensión (Viola et al., 2014) [12]. Otro factor que afecta al valor del voltaje generado por la piezoelectricidad es el tamaño y el volumen de la gota de agua (Emma y Antoinette, 2015[13]; Aashay Tinakkar, 2013[14]).
La bibliografía anterior informaba de que una gota de agua que golpeara una placa eléctrica en forma de tortita generaría una tensión inferior a decenas de voltios (Viola et al., 2014) [12]. Por lo tanto, la fuerza de las gotas de agua puede actuar como fuente de vibración. La piezoelectricidad convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Los estudios de los efectos de vibración de las gotas de agua han implicado previamente solo un tamaño de cuerpo piezoeléctrico, que se ha probado sin elementos de ponderación. En este estudio, se estudiarán dos factores, a saber, los modos de la señal de vibración entre los diseños con y sin masa de PVDF. El segundo factor fue investigar cómo el tamaño del transductor piezoeléctrico cambia el valor del voltaje. El propósito del estudio era ver si el tamaño del PVDF afectaría al valor de tensión generado por el sensor. Los resultados experimentales de este estudio se consideran importantes y pueden utilizarse para diseñar pequeños suministros de energía y dispositivos de autocarga.