Resumen

Debido a las problemáticas energéticas y ambientales es necesario implementar sistemas alternativos que generen energía limpia, permitiendo satisfacer las necesidades sociales, pero sin generar daños al medio ambiente. La energía eléctrica generada por la captación de energía mecánica vibracional podría tener el potencial necesario para el suministro eléctrico de elementos de baja potencia propios de infraestructura urbana tales como, luminarias, indicadores de tránsito, pantallas, semáforos, así como cualquier otro elemento electrónico que mejore la funcionalidad de las infraestructuras. El presente proyecto tiene la finalidad de implementar dispositivos piezoeléctricos para la obtención de energía mecánica y posteriormente energía eléctrica limpia, mediante la captación de vibraciones mecánicas de puentes peatonales causadas por el paso de automóviles, camiones de carga pesada, tránsito peatonal, entre otros, generando así una infraestructura energéticamente autosuficiente.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Debido a las problemáticas energéticas y ambientales es necesario implementar sistemas alternativos que generen energía limpia, permitiendo satisfacer las necesidades sociales, pero sin generar daños al medio ambiente.

Adicionalmente, al desarrollo exponencial de infraestructura urbana y la necesidad de suministro eléctrico, hacen  atractiva la creación de infraestructura energeticamente autosuficiente que permita la independencia sobre el suministro eléctrico convencional.

Antecedentes

Las energías renovables son un tipo de energía proveniente de fuentes naturales que son reabastecidas más rápido de lo que son consumidas o que por su naturaleza periódica podrían verse como inagotables a escala humana. Las energías renovables generan una menor cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero que los combustibles fósiles. La energía solar, la eólica e hidráulica son las principales fuentes de energía limpia ya que no generan, de manera directa, gases de efecto invernadero.

La recolección de energía, también conocida como “energy harvesting”, es una tecnología que permite generar energía eléctrica a partir de la recolección y transformación de fuentes de energía ambientales, como la luz solar, el movimiento mecánico, la vibración y la temperatura ambiente. La recolección de energía ambiental es un área de investigación y desarrollo importante en los últimos años debido a su potencial para alimentar dispositivos autónomos y sistemas de baja potencia. Dentro de las múltiples fuentes de energía que circulan de manera natural en el ambiente, la actividad humana ha propiciado nuevas fuentes de energía que tienen un origen artificial pero que también pueden recolectarse, ejemplos de esto son las vibraciones mecánicas en la infraestructura urbana.

Las vibraciones mecánicas son un tipo de fenómeno que se presenta de manera natural en el ambiente. Las principales fuentes de energía vibracional que han sido estudiadas para la recolección de energía son agua, movimiento corporal y las vibraciones producidas en la infraestructura causados por la actividad humana. Las vibraciones producidas en puentes por el tráfico peatonal y vehicular ha sido utilizado para generar energía eléctrica por medio de recolectores piezoeléctricos cerámicos y poliméricos. La energía obtenida ha sido utilizada principalmente para iluminación y el monitoreo de las condiciones estructurales del puente.

La mayor cantidad de sistemas de recolección de energía producida por vibraciones están centradas en la utilización de materiales piezoeléctricos. En los sistemas piezoeléctricos de generación de energía es habitual la utilización de estructuras tipo cantiléver y tipo plato. Los materiales piezoeléctricos para uso en recolectores de energía están hechos principalmente de PZT, BaTiO3, PVDF, entre otros. Los sistemas recolectores piezoeléctricos de energía presentan un gran potencial para la obtención de suministros de energía eléctrica limpia.

Los materiales piezoeléctricos son una clase especial de materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico, una propiedad que les permite generar una carga eléctrica en respuesta a una deformación mecánica o, inversamente, cambiar de forma en respuesta a un campo eléctrico.

Objetivo

El objetivo de este proyecto es analizar el potencial de las vibraciones mecánicas de puentes peatonales inicialmente ubicados en el municipio de Chicoloapan para la generación de energía eléctrica a través de la implementación de sistemas piezoeléctricos, para la implementación de puentes autosuficientes energéticamente.

Justificación

Los beneficios del presente proyecto podrían ser exportados a otros tipos de infraestructura urbana por lo cual el alcance no se limita a la recolección de energía vibracional de puentes. Con base en lo anterior, el proyecto está acorde a los lineamientos de desarrollo sostenible planteados por la ONU en su agenda 2030 (energía asequible y no contaminante), los programas nacionales estratégicos (energía y cambio climático), además, por las características del proyecto, el beneficio de la población sería directo.

Hipótesis

La energía vibracional de los puentes peatonales recolectada a través de estructuras piezoeléctricas tipo cantiléver generarían energía eléctrica suficiente para el suministro eléctrico de dispositivos de baja potencia.

Método (materiales y procedimiento)

La primera parte del proyecto se centró en la caracterización vibracional de los puentes peatonales de la zona de Chicoloapan. Con base en lo observado en la teoría, la vibración mecánica generada en los puentes puede ser debida al tráfico peatonal y a la circulación vehicular que ocurre debajo. En este sentido, se instalaron sensores de vibración mecánica para analizar la frecuencia de vibración dos puentes en diferentes zonas del puente para identificar las intensidades y frecuencias de vibración del puente. Se realizó la medición de vibraciones mecánicas mediante el uso de un sensor integrado en el MPU 6050 a través de una tarjeta de adquisición de datos basada en arduino, con el fin de adquirir los movimientos que se generan en los ejes X,Y y Z, y conocer cuál de ellos genera la mayor cantidad de vibraciones con el paso de peatones y vehículos.

Posteriormente con los datos necesarios ya obtenidos se comenzó a diseñar una estructura impresa a 3D de tipo cantiléver, se acoplaron dispositivos piezoeléctricos al cantiléver baquelita y se simulo el movimiento del puente a nivel laboratorio.

Una vez que se obtuvo la frecuencia a la que ocurren las vibraciones en el puente peatonal se realizaron pruebas preliminares para la obtención de energía eléctrica por medio de elementos piezoeléctricos comerciales. La energía eléctrica obtenida por las vibraciones mecánicas es de naturaleza bipolar por lo que se implementaron puentes rectificadores de voltaje que permitan obtener un voltaje de corriente directa en todo momento. Este voltaje fue almacenado en capacitores para su posterior utilización.

Con la finalidad de mostrar el potencial de generación de energía se realizó una maqueta a escala, tomando como punto de referencia las mediciones reales del puente que se estudio.

Galería Método

Resultados

Como parte del proceso de monitoreo del área de interés, se colocaron las tarjetas de adquisición de datos de Arduino nano incorporados con el sensor de movimiento y orientación que combina un acelerómetro y un giroscopio.

Una vez adquiridos los datos de las tarjetas, estos se deben pasar por diversos procesos para ser graficados y ser analizados de una mejor manera. Tomando como muestra la primera medición que se realizó, obtuvimos las siguientes representaciones gráficas:

De las gráficas correspondientes a la Medición 0 (Fig. 1, 2, 3) podemos intuir una serie de preposiciones, como qué; en los ejes X y Y, podemos apreciar de una manera más clara la frecuencia natural del puente la cual oscila entre los 6 y los 8 Hz; en los ejes X y Z podemos apreciar un mayor espectro equilibrado, siendo el eje Y el que muestra una frecuencia diferente cercana a los 7 Hz; para las aceleraciones el eje X es el que muestra también los valores más altos en determinados momentos, de los cuales se intuye que son los eventos del lugar, ocasionados por el flujo vehicular; aun así, en ejes X, Y y Z, apreciamos aceleraciones muy similares, siendo el eje Y quien maneja los valores más bajos.

De las gráficas correspondiente a la Medición 2 (Fig. 4, 5, 6) se pueden intuir una serie de puntos muy similares a los vistos en la medición 0, lo que resulta favorecedor, siendo así qué, las vibraciones en el eje X y Y son oscilantes entre los 4 y los 8 Hz siendo estos los que presentan un espectro más equilibrado y en este caso, el eje Z muestra frecuencias más oscilantes entre sí y resultando en una frecuencia cercana a los 4 Hz. Para las aceleraciones se observan datos consistentes, ya que estas siguen siendo mayor para las del eje X, siendo precedidas por las del eje Z y las de menor tamaño las del eje Y.

Ambas pruebas corresponden al mismo lugar estudiado, lo que las diferencia es la posición en la estructura y el momento en que dicho muestreo fue llevado a cabo, ya que ambas coinciden en el tiempo de muestreo, orientación del sensor y el dispositivo de medición es el mismo. 

Lo anterior dio pauta para continuar con pruebas del soporte tipo cantiléver. En las pruebas de laboratorio con una estructura piezoeléctrica-cantiléver basado en discos piezoeléctricos y una estructura de soporte de baquelita se obtuvo una potencia máxima de 36.7 µW (Fig. 7) para un solo transductor. Estos resultados son contundentes pues, dan claridad al desempeño de los transductores en relación a las vibraciones. 

Galería Resultados

Discusión

Dado que el objetivo en general es analizar las vibraciones mecánicas de la estructura para conocer su frecuencia natural y posterior a la realización de las actividades que la competen, se obtiene como primera hipótesis que dicha frecuencia oscila entre los 4 y los 8 Hz.

Esta información es relevante ya que da pauta para comenzar con la creación de los mecanismos de recolección y aprovechamiento de la energía mecánica a su vez de diseños de cantiléver ya que como se tiene la noción previa, estas energías son mejor aprovechadas si se tiene control en la mayor cantidad de variables.

Además de ello, el análisis de la información obtenida refuta la existencia de energía mecánica residual en estas estructuras que se puede aprovechar siendo cosechada. Esto es consistente teniendo en cuenta que ya existe cosecha de energía mecánica a través de piezoeléctricos.

La energía que generan dichos transductores no es considerada para suministro de dispositivos de potencia alta por lo que su uso se destina a mayormente a otros campos, y dado que lo que buscamos es aprovechar directamente la energía generada para el suministro eléctrico como luminaria, pantallas y cualquier elemento del carácter de señales de tránsito, es seguro afirmar que en este caso específico esto es verdadero.

Igualmente, se sugiere la prolongación y aumento de pruebas para la adquisición de frecuencias ya que esto nos dará mejor enfoque siguiendo la misma línea del tema.

Recapitulando, recordemos que este proyecto tiene como fin el uso de la energía recolectada para luminaria de carácter público, por lo que esto no se podría aplicar de manera directa para alimentar de luz eléctrica a hogares, dispositivos electrónicos portátiles, vehículos o algún otro componente eléctrico.

También se ha demostrado la funcionalidad de una estructura tipo cantiléver para la generación de energía, con la que se obtuvo una potencia máxima de 36.7 µW. Existe potencial real para la generación de energía en los puentes peatonales ya que se puede realizar un arreglo serie-paralelo de múltiples discos piezoeléctricos para generar la energía necesaria para aplicaciones de baja potencia.

Conclusiones

Recordando parte de los objetivos de este proyecto, la implementación de transductores piezoeléctricos para el aprovechamiento de energía mecánica resulta en una serie de datos que nos dan claves para la eficiencia de este proyecto, como el saber que las frecuencias a las que vibra el puente son de gran importancia para el desarrollo del dispositivo final que aprovechará dichas vibraciones, a su vez, el desarrollo de las muestras piezoeléctricas de PVDF ayudan de igual manera a la recolección de información en torno al aprovechamiento eficiente de la energía en la manera en que estos puedan ser probados en las diferentes condiciones que presenta el lugar de enfoque.

Como parte de la investigación tenemos el aprovechamiento de energías limpias provenientes de vibraciones mecánicas, siendo así que los resultados obtenidos dan pauta a la implementación de soportes tipo cantiléver, ya que resaltan las frecuencias, así como de sus periodos y las aceleraciones que caracterizan la estructura.

Al implementar dispositivos piezoeléctricos, no solo abordamos una solución innovadora para las problemáticas energéticas, sino que también hemos dado un paso significativo hacia la construcción de un futuro más sostenible y autosuficiente. Sigamos avanzando en la dirección de un mañana más verde y lleno de energía, aprovechando cada vibración como un recordatorio de las posibilidades infinitas que podemos crear cuando unimos la innovación con las oportunidades cotidianas.

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Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography