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7/27/2019 implementacin y evaluacin del desempeo de una estacin de aerbicos para harvesting de energa, utilizando

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Implementacin y evaluacin del desempeo de unaestacin de aerbicos para harvesting de energa,

utilizando efecto piezoelctricoJ. Hidalgo#1, J. Padilla#1, J. Jaramillo#1, J. L. Jaramillo#2

#1Profesionales en formacin de la titulacin de IET, Universidad Tcnica Particular de Loja

#2Docente Investigador Universidad Tcnica Particular de Loja

Loja, Ecuador 2013

#[email protected]

#[email protected]

#[email protected]#[email protected]

Abstract We describe the implementation of an aerobic station

intended for human energy harvesting using piezoelectric effect, andexplains the methodology for assessing the performance of the

season, and the analysis of results.

Resumen Se describe la implementacin de una estacin de

aerbicos destinada al harvesting de energa humana utilizando

efecto piezoelctrico; y, se explica la metodologa de evaluacin deldesempeo de la estacin, as como el anlisis de resultados.

Palabras clavesharvesting de energa, efecto piezoelctrico,

estacin de aerbicos.

I. INTRODUCCINEn trabajos anteriores, se explic los detalles del diseo

mecnico, elctrico, y, de la interfaz de usuario de una estacinde aerbicos para harvesting de energa humana a travs delefecto piezoelctrico [1], [2], [3].

En este documento, se describe el proceso deimplementacin de la estacin; y, la metodologa de evaluacindel desempeo de la estacin, y, el anlisis de resultadosobtenidos.

II. IMPLEMENTACIN DE LA ESTACIN DE AERBICOSPara la implementacin de la estacin de aerbicos, se

propuso una organizacin del trabajo basada en 3 etapassecuenciales (ver Fig. 1).

Fig. 1. Etapas de implementacin de la estacin de aerbicos. Diseode los autores

A. Etapa de implementacin mecnicaLa construccin mecnica de la estacin de aerbicos se

bas en el diseo descrito en un trabajo anterior [1],seleccionando el prototipo 2 propuesto para el step.

La base y el step se construyeron de una placa de acerolaminado al caliente, de 6mm de espesor (ver Fig.2 y 3). Laestructura construida, se recubri de esmalte blanco para suproteccin (ver Fig.4). Sobre el step se coloc una lmina de

material antideslizante para mejorar la friccin del calzado.

IMPLEMENTACIN MECNICAConstruccin de estructura

Recubrimiento con pintura

Cubierta de step con acrlico

IMPLEMENTACIN ELCTRICAImplementacin de sistema piezoelctrico

Instalacin de mdulos EH301A y batera

IMPLEMENTACIN DE INTERFAZDE USUARIO

Calculadora de caloras consumidas,

Puerto de carga de dispositivos mviles


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Fig. 2. Construccin de la estructura, soldado de piezas. Fotografa de

los autores.

Fig. 3. Construccin del step. Fotografa de los autores.

Fig. 4. Recubrimiento de la estructura. Fotografa de los autores.

Aprovechando la estructura del step, se implement unacaja para ubicar equipos, creando un espacio cerrado a travsde la instalacin de paredes de acrlico negro (ver Fig.5).

Fig. 5. Colocacin de la cubierta de acrlico alrededor del step.Fotografa de los autores.

Para soportar la interfaz de usuario, se instal un soportesujeto a la plataforma (ver Fig. 6).

Fig. 6. Soporte para interfaz de usuario. Fotografa de los autores.


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B. Etapa de implementacin elctricaLa instalacin de circuitos elctricos y dispositivos

electrnicos, se bas en el diseo descrito en [2].

Una vez lista la estructura base del step, se instal la lminade aluminio, a la que se adhiere el parche MFC (ver Fig. 7 y 8).La hoja de especificaciones del parche recomienda utilizar

adhesivos 3Ms DP 460 Epoxy [4] Loctites E120 HP Epoxy[5]. Ya que ninguno de los adhesivos recomendados existe enel mercado local, se decidi optar por el adhesivo PermaPoxy84101 [6], de caractersticas similares a la de los recomendados(ver Tabla 1). El adhesivo seleccionado se forma de una resinaepoxi, y, de un endurecedor.

Fig. 7. Adecuacin de lmina de aluminio para fijar el parche MFC.Fotografa de los autores.

Fig. 8. MFC adherido en la lmina de aluminio. Fotografa de los

autores.

TABLA 1Caractersticas del adhesivo PermaPoxy 84101 [6]

Tipo de Qumico Epoxy and Mercaptan or AmineResins

Relacin de mezcla (volumen) 1:1Apariencia Resina: Transparente

Endurecedor: transparentePunto de inflamacin, TCC >93,33CViscosidad Suspensin concentrada

Tiempo de Trabajo 4 5 minutosTiempo de fijacin 8 10 minutosColor final Transparente ligeramente amarilloRango de temperatura -51C a 82C

La lmina de aluminio se ubic en el carril previsto en elstep (ver Fig. 9), y, se comprob que su desempeo sea similaral de las lminas en la baldosa SmartFloor Powerleap (ver Fig.10 y 11).

Fig. 9. Estructura, lmina y plataforma del step. Fotografa de losautores.

Fig. 10. Deformacin de lmina de aluminio en la baldosa SmartFloorPowerleap. Fotografa de los autores.

Fig. 11. Deformacin de lmina de aluminio en la plataforma del step.Fotografa de los autores.


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La baldosa SmartFloor Powerleap, tambin parte delsistema piezoelctrico, se instal en la base de la estructura yse fij a travs de 4 ngulos.

En [2] se explic la necesidad de utilizar mdulosEH301A, configurados ya sea en paralelo o ya sea en serie (verFig. 12 y 13). Para experimentar la performance de cada unade las configuraciones posibles, se dise una tarjeta

electrnica que sea compatibles con los recursos del mduloEH301A (2 conectores Molex hembra de 2 y 4 pines). Comosalida de la tarjeta, para carga de la batera, se instal unconector USB tipo A.

Los resultados obtenidos mostraron que, no es factibleutilizar una configuracin en paralelo para la carga de labatera, ya que los bancos de capacitores en ambos mdulos,no tendrn el mismo nivel de carga, debido a la sealfluctuante proveniente de los parches MFC. Para unaconfiguracin en serie, los voltajes de salida de ambosmdulos se suman, aparece un nivel de voltaje de formaexponencial, y, se alcanza el voltaje nominal de carga muchoms rpido (ver Fig. 23).

Fig. 12. Mdulos EH301A configurados en paralelo. Fotografa delos autores.

Fig. 13. Mdulos EH301A configurados en serie. Fotografa de losautores.

Los dispositivos requeridos para acondicionamiento ystorage de energa, se disponen en el interior de step (ver Fig.14).

Fig. 14.Componentes de acondicionamiento y storage instalados enla estacin de aerbicos. Fotografa de los autores.

La batera se instal de forma tal, que la sealizacinluminosa que posee, sea visible a travs de la lmina deacrlico del step (ver Fig. 15).

Fig. 15. Indicadores LED del nivel de carga de la batera, visibles atravs de la lmina de acrlico del step. Fotografa de los autores.

Adicionalmente, se conect dispositivos de proteccin yotros aditamentos. La Fig. 16 muestra el esquema elctricogeneral de la estacin de aerbicos.


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VOIN

G ND

V+

VR

OU T

MDUL O EH 301A

MFC BALDOSA

VOIN

G ND

V+

VR

OU TMFC STEP

USB T IP O AMDUL O EH 301A

BATERA POWERBANK

MP- 4000

OUT1

OUT2

IN

GND

V+

GND

V+

GND

V+

GND

V+

INT1IN T2BA T E RIA

9 V

RE GULADOR

LM 780 5

FUS IBLE 1

S W I T C H

FUS IBLE2 CALCULADORA DE CALO RIAS

USB TIPO A

USB T IP O A

GND

V+

CARGA DE

DISPOSITIVOS

MVILES

GND

V+

Fig. 16. Esquema elctrico general de la estacin de aerbicos. Diseo de los autores.

C. Etapa de implementacin de la interfaz de usuarioLa interfaz de usuario se implement de acuerdo al diseo

descrito en [3] (ver Fig. 17)

Fig. 17. Circuito de la interfaz de usuario implementada. Fotografade los autores.

El circuito de la interfaz de usuario, se instal dentro deuna caja de acrlico, en la que tambin se incluye una bahapara carga de dispositivos mviles (ver Fig. 18 y 19).

Fig. 18.Vista interna de la caja de la interfaz de usuario. Fotografa delos autores.


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Fig. 19.Vista exterior de la caja de interfaz de usuario. Fotografa de

los autores.

La interfaz de usuario se coloc sobre el soporteconstruido, tal como lo muestra la Fig.20.

Fig. 20. Instalacin de la interfaz de usuario sobre el soporte.Fotografa de los autores.

Las Fig. 21 y 22, presentan diferentes vistas de la estacinya construida. La Tabla 2 resume la inversin realizada en laimplementacin de la estacin de aerbicos.

Fig. 21. Vista de la estacin de aerbicos construida, con el detalle dela ubicacin de componentes. Fotografa de los autores.

Fig. 22. Vista panormica de la estacin de aerbicos construida.Fotografa de los autores


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TABLA 2Inversin en la implementacin de la estacin de aerbicos

Cantidad DescripcinPrecio

Unitario(USD)

PrecioTotal(USD)

1Base: Plancha de acero laminada alcaliente 750 x 500 x 6 mm

36,00 36,00

4ngulos: Perfiles importados 30 x 30x 3 mm

0,50 2

1 Plataforma de step: plancha de acerolaminada al caliente 250 x 500 x 6mm

6,00 6,00

4Columnas: tubo estructuralrectangular 25 x 50 x 2 mm

0,50 2

2Platinas: plancha de acero laminada alcaliente 250 x 25 x 2 mm

1 2

1Lamina de aluminio 453 x 159 x 3mm

10 10

1Riel: tubo cuadrado de hierro 626 x 12x 1 mm

2 2

1 Pintura blanca 500 ml 6 61 Cubierta de acrlico 30 301 MFC 500 5002 Mdulos EH301A 100 2002 PCBs (configuracin serie y paralelo) 10 20

1 Cable USB a mini USB 2,50 2,502 Cable USB a USB 2,50 51 Cables y Conectores Molex 6 61 Batera Powerbank MP-4000 35 351 PermaPoxy 84101 5 5

1PCB interfaz de usuario (LCD,microprocesador Atmega 32, teclado,componentes electrnicos varios)

40 40

1Carcasa de acrlico, interfaz deusuario

30 30

1Soporte: tubo cuadrado de hierro 20 x20 x 1,5 mm

4 4

2 Platinas: hierro 130 x 25 x 2,5 mm 0,50 12 ngulos: hierro 25 x 25 x 25 mm 0,50 11 Tornillos varios 2 21 Canaleta de 20 x 12 1 11 Lamina antideslizante 300 x 500 mm 6 61 Mano de obra de implementacin 40 40

Subtotal 994,5IVA 12% 119,34

TOTAL 1113,84

III. ANLISIS DEL DESEMPEO DE LA ESTACIN DEAERBICOS CONSTRUIDA

Para determinar el desempeo de la estacin de aerbicosconstruida, se decidi valorar la produccin de energa duranteuna rutina de ejercicios.

Durante las pruebas, se solicit a 3 usuarios de diferentepeso (87, 74 y 68 kg), ejercitarse en la estacin, mientras quese registr el nivel de voltaje en el acondicionador. Con losresultados obtenidos, se construy la grfica mostrada en laFig.23, en la que se muestra el tiempo requerido por un usuariopara cargar el banco de capacitores del acondicionador.

La grfica permite establecer la existencia de una tendenciaexponencial de carga, hasta alcanzar los 8 V. En estemomento, se produce un salto cuantitativo a los 9 V, luego delo cual se mantiene la tendencia exponencial.

Las pruebas complementarias mostraron el funcionamientocorrecto de los bloques de storage e interfaz de usuario.


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Fig. 23. Curva caracterstica del proceso de harvesting en la estacin de aerbicos. Elaborado por los autores.

IV. CONCLUSIONES La implementacin de la estacin de aerbicos se

desarroll con 3 etapas: implementacin mecnica,elctrica, e, implementacin de interfaz de usuario.

La construccin mecnica de la estacin de aerbicospermiti alojar la baldosa piezoelctrica, el step, y, elsoporte para la interfaz de usuario.

Entre los prototipos propuestos para el step, se eligiel segundo, en funcin de que su desempeo essimilar al de la baldosa piezoelctrica.

Al no existir en el mercado local los adhesivosrecomendados por el fabricante de los parches MFCs,se decidi utilizar el adhesivo PermaPoxy 84101, decaractersticas similares.

Para capturar la energa suministrada por los parchesMFCs, se decidi utilizar mdulos EH301A,dedicados para harvesting de energa.

Se dise 2 tarjetas electrnicas configurables enserie y paralelo, para evaluar el desempeo de losmdulos EH301A. La configuracin en serie fue laptima, permitiendo que el voltaje en ambos mdulosse sumen, y, que la tendencia de carga sea ms rpidaen el banco de capacitores.

La interfaz de usuario se la dividi en 2 bloques, unacalculadora de caloras consumidas, y, un puerto decarga de dispositivos mviles, distribuidos en una cajade acrlico de color negro, y, ubicado frente al usuario

por medio de un soporte.

Para evaluar el desempeo de la estacin deaerbicos, se realiz una rutina de ejercicios con 3usuarios de diferentes pesos (87, 74 y 68 Kg), paradeterminar cul es el tiempo de carga de cada usuario.

El nivel de voltaje registrado en el acondicionadortiene una tendencia exponencial de carga y determinla influencia que tiene el peso del usuario en procesode harvesting

El proceso de harvesting de energa en la estacin deaerbicos, est determinado por el tiempo de ejercicioque realice el usuario.

V. REFERENCIAS[1]. J. Hidalgo, J. Padilla, J. Jaramillo, J. L. Jaramillo. Diseo

mecnico de una estacin de aerbicos para harvesting deenerga, utilizando efecto piezoelctrico. Universidad TcnicaParticular de Loja.

[2]. J. Hidalgo, J. Padilla, J. Jaramillo, J. L. Jaramillo. Diseoelctrico de una estacin de aerbicos para harvesting de energa,utilizando efecto piezoelctrico. Universidad Tcnica Particular

de Loja.

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Voltaje[V]

Tiempo [seg]

87 Kg

74 Kg

68 Kg


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[3]. J. Hidalgo, J. Padilla, J. Jaramillo, J. L. Jaramillo. Diseo deinterfaz de usuario de una estacin de aerbicos para harvestingde energa, utilizando efecto piezoelctrico. Universidad TcnicaParticular de Loja.

[4]. 3M Aerospace Product Guide. 3M Innovation. [en linea]Disponible en: [Consulta de Mayo 2013].

[5]. Catalogo Internacional de Productos. Productos Loctite paraproyectos, montaje, produccin y mantencin. LOCTITE. [enlnea] Disponible en:[Consulta de Mayo 2013].

[6]. Technical Data Sheet. Permatex PermaPoxy Clear GeneralPurpose Epoxy Products. PERMATEX. [en lnea] Disponible en: [Consulta de Mayo 2013].

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