Resumen

Actualmente, existe una creciente necesidad de proyectos sustentables, energéticamente eficientes y compatibles con loT, que permitan complementar la tecnología existente con respecto a infraestructura inteligente y el uso de energías renovables. En este sentido, el proyecto propone un dispositivo en forma de tubería que, a través de transductores piezoeléctricos permita generar energía eléctrica por medio de la recolección de la energía producida por el flujo de agua en su interior.

Este dispositivo se puede conectar a  sistemas de drenaje de aguas pluviales o sistemas de  drenaje urbano. La energía eléctrica producida por la tubería se puede utilizar para integrar sensores de movimiento, presión, temperatura, movimientos telúricos, así como dispositivos de procesamiento y transmisión de datos que permiten la conectividad IoT (Internet de las cosas) con infraestructura inteligente.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Las ciudades inteligentes son ciudades construidas a partir de infraestructura sostenible con entornos agradables a los usuarios, con conectividad 4.o, y amigables con el ambiente haciendo uso de tecnologías que reduzcan el uso de la energía. En este tipo de tecnologías es necesario el uso de dispositivos energéticamente sostenibles y compatibles con IoT.[2]

El proyecto propone un dispositivo en forma de tubería que, a través de transductores mecánicos-eléctricos (piezoeléctricos) acoplados a su estructura, permita generar energía eléctrica por medio de la recolección de la energía cinética producida por el flujo de agua en su interior.  Esto permitirá ofrecer un dispositivo energéticamente sostenible se puede integrar en el equipamiento de desarrollo urbano, para mejorar la infraestructura tecnológica de las casas, edificios, e industrias en general [8]

Antecedentes

Las energías renovables son un tipo de energía que provienen de fuentes naturales que son reabastecidas más rápido de los que son consumidas por lo que podrían verse como inagotables a escala humana, además, producen menor cantidad de gases de efecto invernadero que los producidos por combustibles fósiles [1].

La cosecha de energía es el proceso de recolección energía ambiental tal como, el calor, movimiento, vibración y radicación, para ser transformada en energía eléctrica.

Los flujos de agua generados por el drenado de agua de lluvia, o los sistemas de drenaje de casas y edificios, son una fuente de energía cinética que puede ser aprovechada para generar la energía requerida para el funcionamiento de infraestructura inteligente.

Una infraestructura inteligente es un sistema inteligente que utiliza un ciclo de retroalimentación de datos para mejorar la toma de decisiones sobre un asunto. Son sistemas que puede monitorizar, medir, analizar, comunicar y actuar en función de los datos capturados por sensores Este tipo de infraestructura es esencial para las llamadas ciudades inteligentes.

Objetivo

El objetivo del proyecto es generar energía eléctrica por medio de la recolección de la energía cinética producida por el flujo de agua en su interior.  Esto permitirá ofrecer un dispositivo energéticamente sostenible que se puede integrar en el equipamiento de desarrollo urbano, para mejorar la infraestructura tecnológica de las casas, edificios, e industrias en general

Justificación

El presente proyecto tiene como finalidad disminuir el consumo de energía convencional del lugar donde este instalada esta tubería y aprovechar el agua que corre por el desagüe. Con esto se aprovecharía el agua de las zonas urbanas, para la generación de energía eléctrica y así abastecer de energía a la propia infraestructura con la finalidad de hacerla energeticamente sostenible.

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 cinética del agua, sino a cualquier otra infraestructura que genere energía mecánica. El proyecto está acorde a los lineamientos de desarrollo sostenible planteados por la ONU en su agenda 2030 (energía asequible y no contaminante).

Hipótesis

Este dispositivo se puede conectar a  sistemas de drenaje de aguas pluviales o sistemas de  drenaje urbano. La energía eléctrica producida por la tubería se puede utilizar para integrar sensores de movimiento, presión, temperatura, movimientos telúricos, así como dispositivos de procesamiento y transmisión de datos que permiten la conectividad IoT (Internet de las cosas) con infraestructura inteligente.

Método (materiales y procedimiento)

El efecto piezoeléctrico se caracteriza por la aparición de cargas eléctricas en las caras de un material cristalino cuando éste es sometido a una presión mecánica, su contraparte que consiste en la aparición de deformaciones mecánicas cuando se le aplica algún tipo de carga eléctrica [4]

Con base al fundamento teórico de la cosecha de energía basada en elementos piezoeléctricos, se diseñó e implementó una tubería recolectora de energía.[5]

El dispositivo preliminar está basado en una tubería de policloruro de vinilo con 12 sensores piezoeléctricos internos como se observa en la figura 1[6].

En este proyecto usamos los siguientes materiales:

• Un tubo de 2plg
• Un tubo de 2 1/4plg
• 12 sensores piezoeléctricos
• Cables
• Pegamento en frio CPV

El proceso de fabricación de la tubería inteligente consistió en colocar en un tubo, de manera transversal (45°), los 12 discos piezoeléctricos que, al estar conectados el circuito rectificador, permiten la generación de energía para dispositivos a baja potencia.

Adicionalmente se instalaron indicadores LEDs (figura 3 y 4) que permitieron observar la generación de energía eléctrica producida por el sistema piezoeléctrico debida las vibraciones causadas por el flujo al interior del tubo.

Con la finalidad de comprobar la generación de energía eléctrica, se hizo pasar un flujo de aire a través de la tubería mientras se observó la luminosidad de los indicadores LED

Galería Método

Resultados

Las pruebas realizadas con el flujo de aire permitieron encender 3 indicadores LEDs como se puede apreciar en la figura 3. Estos resultados son evidencia de la recolección de energía vibracional del dispositivo propuesto.

Galería Resultados

Discusión

Las mejoras en el funcionamiento del dispositivo propuesto tienen que ver con las diferentes configuraciones de la tubería inteligente que permitan la mayor generación de energía eléctrica considerando las restricciones de tubería utilizados en sistemas de desagüe y drenaje urbano. Como trabajo a futuro, se pretende analizar la cantidad de energía eléctrica producida con diferentes tipos de tubería, diámetros, caudal, materiales piezoeléctricos y configuraciones eléctricas. La finalidad es obtener la mayor cantidad de energía cuidando los costos de producción para que sea atractivo para el mercado potencial objetivo. [7]

Por el momento se han realizado pruebas con flujos de aire caliente y frio, sin embargo, se espera que al hacer pasar un flujo de agua al interior de la tubería se genere la cantidad de energía necesaria para el uso de sensores, una mayor cantidad de indicadores luminosos, microcontroladores y transmisores inalámbricos de datos.

Conclusiones

El dispositivo propuesto tiene un potencial real para integrarse al desarrollo urbano de ciudades inteligentes debido a su posible suficiencia energética y compatibilidad con IoT. Adicionalmente se abre un campo de investigación para el diseño e implementación de otros elementos útiles en la infraestructura urbana con autosuficiencia energética y que permita acoplar sensores, microcontroladores, transmisores de datos, etc. [3]

Bibliografía

[1] Sezer. A comprehensive review on the state-of-the-art

[2] Ding, Vibration energy harvesting from roads.

[3] Kütt, Thermoelectric applications for energy harvesting in domestic

[4] Yang, Development of Piezoelectric Energy Harvester System.

[5] Song, Road energy harvester designed as

[6] Li, Harvesting energy from pavement based on piezoelectric effects

[7] Bryant, Aeroelastic flutter energy harvester design.

[8] Kwon, A T-shaped piezoelectric cantilever for

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

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Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography