Estudio de generación eléctrica mediante materiales piezoeléctricos y su aplicación al diseño de un sistema electrónico generador incorporado al calzado

Abstract

Un grupo de seis personas del Máster de Sistemas Automáticos y Electrónicos presentamos la idea de fabricar un calzado capaz de generar energía y usar esta para enviar información relevante para el usuario. Con esta idea se crean dos grupos de investigación, el presente proyecto que tiene como finalidad estudiar la generación de energía y su acondicionamiento. Y un segundo trabajo, “Estudio biomecánico de la pisada y monitorización mediante interfaz Android utilizando sensores de presión”, que ofrece una aplicación capaz de obtener datos y enviarlos. En los últimos años ha ido creciendo el interés por la recuperación de energía que hasta ahora no había interesado, Energy Harvesting. Y no es el ser humano una excepción, de hecho hay varios campos de investigación desde cómo aprovechar la biomecánica del cuerpo hasta el aprovechamiento de la temperatura humana. Pero es en el campo de la mecánica de la pisada donde se desarrolla nuestro proyecto, usando transductores piezoeléctricos para generar la energía necesaria. Todos los antecedentes han mostrado una evolución, pero aun así existe una limitación global de todos los trabajos, que es la incapacidad de alcanzar los objetivos de potencia y corriente que el sistema les requiere para la viabilidad de los diseños, pues para alimentar cualquier sensor se precisa de una potencia mínima de 50 mW. Con el fin de solucionar la problemática de alcanzar la potencia nombrada, se presenta en este sistema una distribución de piezoeléctricos basados en un previo estudio podológico, que nos muestra cuál es la distribución del peso en la pisada de un usuario típico. La idea de este estudio es ubicar de forma óptima los piezoeléctricos y alcanzar así la energía máxima en cada pisada. En la toma de datos se ha usado un individuo de altura, peso, y un número de pie sobre la media de la población (1’75 m, 690 N, 43 EU). Se ha comprobado que cuando sólo hay una capa de piezoeléctricos la plantilla no genera la cantidad necesaria para resolver la problemática, 6 V de pico, sin carga. Teniendo en cuenta este ensayo se decide crear tres capas distribuidas una encima de la otra con una amortiguación de silicona entre ellas para distribuir la fuerza ejercida en la pisada de forma más eficiente, en este caso se alcanzan picos de 18 V sin carga. Una vez se ha logrado una tensión singular para nuestro fin, hemos acondicionado la señal, en primer lugar, con una circuitería discreta y posteriormente se ha ensayado con un circuito integrado LTC-3588-1, donde se han alcanzado potencias de 10’69 mW. Los resultados que se han logrado con la distribución final de dos capas, debido al número de circuitos integrados disponibles para el acondicionamiento correcto los diferentes grupos de piezoeléctricos, resulta interesante porque nos genera una potencia insuficiente para trabajar en tiempo real, pero que almacenándola y usándola cada 24 minutos, tiempo de carga necesario para el correcto funcionamiento del módulo emisor de datos, nos permite alcanzar rangos de potencia de 768’38 mW. Así pues, se considera el presente resultado como un precedente para próximos trabajos de experimentación, pues se presenta un primer prototipo capaz de generar una potencia apta con Energy Harvesting.