Diseño de un Colector de Energía Piezoeléctrico (Energy Harvesting) Mediante Optimización Topológica que Maximice la Transformación de Energía Mecánica en Eléctrica Generada por un Ser Humano al Caminar

Abstract

Resumen: El trabajo que se encuentra plasmado a continuación recopila la investigación desarrollada durante el desarrollo de la Maestría en Ingeniería Mecánica, impulsada desde el Grupo de Diseño Mecánico Computacional (DIMEC). En ésta se desarrolla un prototipo de Energy Harvesting (Colector de energía en español) piezoeléctrico mediante el Método de Optimización Topológica (MOT), el cual tiene como objetivo, además de recuperar energía desperdiciada (propósito de todos los Energy Harvesting), buscar una alternativa para mejorar el desempeño de los prototipos construidos hasta el momento. Dicho Energy Harvesting piezoeléctrico es diseñado para la aplicación específica de zapatos, donde se busca mejorar su eficacia de dos maneras principalmente: primero, posicionándolo en el sector de mayores presiones plantares, de acuerdo a la literatura encontrada, donde se aplicará la fuerza de reacción conocida durante el estudio del análisis de la marcha humana en personas normales; es decir, sin ninguna patología; y segundo aplicando técnicas vanguardistas como el diseño óptimo para el desarrollo del mismo. Los Energy Harvesting son construidos con piezoeléctricos comerciales PZT-5A, los cuales no se modifican en su estructura interna, además a éstos se les acopla un mecanismo flexible óptimo que se encargara de aumentar la vida útil del piezoeléctrico y de excitarlo de forma homogénea, logrando su máximo desempeño como sensor (transformando la energía mecánica aplicada en la máxima energía eléctrica posible).

Abstract: This work collects the research conducted during the development of the Master of Engineering Mechanics, promoted by the Diseño Mecánico Computacional Group (DIMEC). This research developes a piezoelectric Energy Harvesting prototype by the Topological Optimization Method (MOT), which aims, in addition to recovering wasted energy (purpose of the all Energy Harvesting devices), to find an alternative to improve the performance of the prototypes built so far. This Piezoelectric Energy Harvesting is designed for the specific application of shoes, which seeks to improve efficiency in two main ways: first, positioning the device in the point with highest plantar pressures, according to the literature found, where will apply the reaction force known in the study of human gait analysis in a normal people; that is, without any pathology; and second by applying advanced techniques such as the optimal design. The Energy Harvesting are built with commercial piezoelectric PZT-5A, which are not changed in their internal structure, in addition to these are coupled optimal compliant mechanism to take care of increasing the lifetime of the piezoelectric and to excite evenly it, achieving maximum performance as sensor (transforming the mechanical energy applied to the maximum possible power.)