Modelación, diseño y análisis de estructuras resonantes para la generación de energía


DEDICATORIA

A mis padres:
José Héctor Pablos Montes
María de los Ángeles Pérez Herrán

A mi hermano:
Ing. José Héctor Pablos Pérez

A mis familiares y amigos.











AGRADECIMIENTOS

A mis padres y a mi hermano, por su amor, paciencia y apoyo en todos los aspectos y sobre todo por creer en mí.
Al Instituto Tecnológico Superior de Cajeme, ITESCA, por laformación académica y profesional que he adquirido.
A todos los profesores del departamento de ingeniería en electrónica, por su asesoramiento y ayuda.
Al Centro de Tecnología Avanzada, CETA, por prestar sus instalaciones y equipo para el desarrollo de éste proyecto.
Al Laboratorio de diseño de MEMS y NEMS, y en especial a
A los profesores Francisco Javier Ochoa Estrella, Iván Oswaldo Luna Rodríguez yAlberto Ramírez Treviño, por transmitirme los conocimientos necesarios para elaborar el proyecto, además de la oportunidad de trabajar con ellos.










ÍNDICE

Título
Página

LISTA DE FIGURAS
vi

LISTA DE TABLAS
viii

RESUMEN
ix
I
INTRODUCCIÓN
10
1.1
Antecedentes
10
1.2
Definición del problema
11
1.3
Justificación
11
1.4
Objetivos
12
1.4.1
Objetivosgenerales
12
1.4.2
Objetivos específicos
12
1.5
Alcances y limitaciones
13
II
MARCO TEÓRICO
14
2.1
Tecnologías de inteligencia ambiental
14
2.1.1
Aplicaciones de la inteligencia ambiental
15
2.1
Innovación tecnológica para los entornos inteligentes
16
2.2.1
Microsistemas y electrónica
16
2.2.2
Microcontroladores
17
2.2.3
Sensores
18
2.3
Harvesting o recolección deenergía
19
2.3.1
Técnicas para la recolección de energía
20
2.4
Piezoelectricidad
21
2.4.1
Efecto piezoeléctrico
22
2.4.2
Aplicaciones y materiales piezoeléctricos
22
2.4.2.1
Polifluoruro de Vinilideno (PVDF)
24
2.5
Sensor piezoeléctrico
25
2.5.1
Fijación y sujeción del sensor
26
2.5.1.1
Configuración cantiléver (viga voladiza)
26
2.5.2
Caracterización de la fuente devibración
27
2.5.3
Sintonización del sensor
28
2.5.3.1
Frecuencia natural
29
2.5.3.2
Frecuencia de resonancia
30
2.5.3.3
Masa de punta (tip mass)
30
2.5.4
Conversión de energía mecánica a eléctrica
31
2.6
Sistemas electrónicos
32
2.6.1
Rectificación de señales alternas
33
2.6.1.1
Rectificación de onda completa
33
2.6.2
Filtrado capacitivo de señales
34
III
METODO
35
3.1Caracterización de la fuente de vibración y del sensor
35
3.2
Adecuación de voltaje y corriente
37
3.3
Selección y aplicación de elementos y circuitos electrónicos
37
3.4
Obtención y proceso de señales
38
3.5
Alimentación de dispositivos
38
IV
RESULTADOS
39
4.1
Caracterización de la fuente de vibración y del sensor
39
4.1.1
Caracterización de la fuente de vibración
39
4.1.2Sintonización del sensor
41
4.1.2.1
Frecuencia de resonancia
42
4.1.2.2
Masa de punta (tip mass)
44
4.2
Adecuación de voltaje y corriente
46
4.3
Selección y aplicación de elementos y circuitos electrónicos
48
4.4
Obtención y proceso de señales
54
4.5
Alimentación de dispositivos
58
V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
62

BIBLIOGRAFÍA
66

ANEXOS
68




LISTA DE FIGURASFigura
Título
Página
4.1
Generador de funciones
42
4.2
Amplificador
42
4.3
Bocina con sensor montado
42
4.4
Conexión en paralelo del sensor
43
4.5
Abrazaderas curvas
44
4.6
Masa de punta (5.2125 gr) a 630 Hz
46
4.7
Masa de punta (5.2125 gr) a 690 Hz
46
4.8
Masa de punta (10.1385gr) a 630 Hz
47
4.9
Masa de punta (10.1385gr) a 690 Hz
47
4.10
Masa de punta (15.351 gr)a 630 Hz
47
4.11
Masa de punta (15.351 gr) a 690 Hz
47
4.12
Puente rectificador de onda completa
51
4.13
Circuito booster de corriente con MC34063A
52
4.14
Circuito booster
53
4.15
Circuito regulador de corriente
53
4.16
Circuito regulador implementado
54
4.17
Sensor directo a 630 Hz
55
4.18
Sensor directo a 690 Hz
55
4.19
Rectificación a 630 Hz
56
4.20...