Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Mario Palmero Delgado Tutor: María del Mar Elena Pérez y Eduardo Galván Diez Sevilla, julio de 2022 iii Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. Autor: Mario Palmero Delgado Tutores: María del Mar Elena Pérez Profesora contratado doctor Eduardo Galván Diez Catedrático de Universidad Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, julio de 2022 v Trabajo de Fin de Grado: Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. Autor: Mario Palmero Delgado Tutores: María del Mar Elena Pérez y Eduardo Galván Diez El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, julio de 2022 El Secretario del Tribunal vii Lo conseguí abuelo ix Agradecimientos En primer lugar, gracias a mis padres y a mi hermana por su apoyo incondicional en los momentos más bajos de la carrera y de la vida en general. Por sus palabras de aliento cuando llega el punto en que todo te sobrepasa. Gracias mamá. Gracias papá. Gracias Celia. También quiero agradecer a mis tutores, Mar y Eduardo, por las múltiples reuniones de control a lo largo del proyecto y por la suerte que he tenido de contar con todo su conocimiento y sus consejos para poder aprender de ellos. Por último, pero no menos importante, muchas gracias a mis amigos y compañeros de la carrera con los que he podido desconectar de la universidad y disfrutar de momentos estupendos. En especial quería hacer mención a Sito por saber escuchar y estar ahí siempre que lo he necesitado y a Encarni, por acompañarme en este trayecto y siempre hacerme creer en mí mismo. Mario Palmero Delgado Jerez de la Frontera, julio de 2022 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Comparación en los dispositivos de recolección de energía [13]. 6 Tabla 2: Parámetros del PZT [23]. 8 Tabla 3: Parámetros característicos de la célula solar. 11 Tabla 4: Parámetros obtenidos con FEA del piezoeléctrico [38]. 25 xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Consumo estimado de la bomba de insulina. 3 Figura 2: Formas de energy harvesting [9]. 5 Figura 3: Irradiación solar normal en España [15]. 6 Figura 4: Irradiación solar mensual en 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 en Sevilla [16]. 7 Figura 5: Comparación de generadores termoeléctricos [26]. 8 Figura 6: Generador termoeléctrico flexible [28]. 9 Figura 7: Imagen real del generador implantado en mascarilla [29]. 9 Figura 8: Nano generador triboeléctrico [30]. 10 Figura 9: Célula de biocombustible implantada en una paloma [31]. 10 Figura 10: Temperatura ambiente en el caso de uso. 11 Figura 11: Irradiación solar en el caso de uso. 12 Figura 12: Modelo eléctrico de una placa solar [34]. 12 Figura 13: Característica I-V y P-V de la célula solar. 13 Figura 14: Diagrama de bloques del generador solar. 14 Figura 15: Lazo de control del Duty Cicle. 14 Figura 16: Esquema SIMULINK para convertidor DC/DC elevador. 14 Figura 17: Modelo SIMULINK del harvester solar. 15 Figura 18: Pasos por segundo en el caso real. 15 Figura 19: Modelo electromecánico de un piezoeléctrico [35]. 16 Figura 20: Diagrama de bloques del harvester piezoeléctrico. 16 Figura 21: Puente de diodos rectificador de onda completa. 17 Figura 22: Modelo electromecánico del piezoeléctrico en SIMULINK. 17 Figura 23: Montaje del harvester piezoeléctrico en SIMULINK. 18 Figura 24: Montaje completo del harvester piezoeléctrico en SIMULINK. 18 Figura 25: Evolución de la temperatura y la diferencia térmica. 19 Figura 26: Diagrama de bloques del generador termoeléctrico. 20 Figura 27: Modelo matemático del harvester termoeléctrico en SIMULINK. 20 Figura 28: Modelo completo del harvester termoeléctrico en SIMULINK. 20 Figura 29: Salida de la celda solar. 21 Figura 30: Duty Cicle del convertidor DC/DC. 22 Figura 31: Evolución del estado de carga de la batería. 22 xix Figura 32: Salida del harvester termoeléctrico. 23 Figura 33: Duty Cicle del convertidor DC/DC. 24 Figura 34: Evolución del estado de carga de la batería. 24 Figura 35: Tensión y corriente a la salida del piezoeléctrico. 25 Figura 36: Detalle de los picos de tensión y corriente en el piezoeléctrico. 26 Figura 37: Tensión y corriente a la salida del rectificador. 26 Figura 38: Evolución del estado de carga de la batería. 27 Figura 39: Diagrama de Gantt del proyecto. 28 xxi Notación PVDF Fluoruro de polivinilideno EAP Polímero electroactivo PZT Titanato zirconita de plomo TEG Generador termoeléctrico FEA Análisis de elemento finito 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Motivación. La motivación que me ha llevado a realizar este trabajo es investigar posibles formas de utilizar la energía que ya está presente en el ambiente con el objetivo de eliminar el uso de baterías de usar y tirar en dispositivos biomédicos para así conseguir una solución que sea más sana para el medio ambiente. Aunque en principio usamos como objetivo la alimentación de una bomba de insulina, la idea es que estos dispositivos que se están analizando se puedan usar en cualquier aparato electrónico de carácter biomédico como pueden ser prótesis electromecánicas, audífonos, marcapasos… 1.2 Objetivos y Alcance del Trabajo. El objetivo principal de este trabajo es el análisis y simulación de varios energy harvesters y comprobar la viabilidad de sustituir la pila que incorporan las bombas de insulina por un harvester y una pila recargable que almacene la energía suministrada y la bomba pueda usarla cuando la necesite. Para ello, en primer lugar, realizaremos una revisión bibliográfica de los diferentes energy harvester que existen, las múltiples formas que hay para extraer energía de la actividad humana y de los dispositivos que ya existen y que implementen esta tecnología. También estudiaremos que patentes y artículos científicos han sido publicadas recientemente respecto a esta tecnología. El alcance de este proyecto es plantear unos modelos de simulación tales que podamos determinar si realmente son viables para la implementación física en la aplicación que hemos propuesto. Para poder realizar este análisis, planteamos un caso de uso real basado en mi actividad diaria y con los resultados de la simulación podremos determinar si son una opción real y también cuál de ellos sería el mejor. 1.3 Requisitos. 1.3.1 Funcionales. El dispositivo que va a ser estudiado en este trabajo debe ser capaz de suministrar suficiente energía como para cargar una pila recargable. Esta pila debe garantizar un suministro constante de potencia a la bomba de insulina permitiendo así su funcionamiento continuado a lo largo del día, sin importar que las condiciones ambientales impidan la generación de energía a través del dispositivo. El dispositivo también debe adaptarse al modo de vida del usuario y, además, debe ser cómodo para no interferir en las actividades del día a día. Audentis Fortuna Iuvat - Virgilio - Introducción 2 F.1 El dispositivo debe suministrar potencia a la pila recargable. F.2 La pila recargable debe garantizar el funcionamiento continuado de la bomba de insulina. F.3 El dispositivo debe ser portátil. F.4 El dispositivo debe estar adaptado al día a día del usuario. 1.3.2 Prestaciones. Las prestaciones del dispositivo que se relacionan con las funcionalidades previamente expuestas: P.1.1 El dispositivo debe suministrar más potencia que la demandada por la bomba de insulina. P.1.2 Se podrán combinar varios harvester para garantizar la carga de la pila. P.2.1 La pila que se usará para modelar la carga es una Energizer recargable de 2300 mAh. P.2.2 La pila garantiza una tensión constante a la entrada de la bomba de insulina de 1.2 V. P.3.1 El tamaño del dispositivo debe permitir que su colocación no obstaculice al usuario. P.3.2 El dispositivo deberá adaptarse al sitio donde sea colocado. P.4.1 El dispositivo usado debe ser elegido de acuerdo al estilo de vida del usuario. P.4.2 El dispositivo podrá combinarse con otros harvester para optimizar la producción de energía. 1.3.3 Diseño. Son requisitos que se exigen al diseño del dispositivo con el objetivo de cumplir con lo previamente expuesto. D.1 El dispositivo debe pesar menos de 50 gramos. D.2 El dispositivo debe tener unas dimensiones menores a 150x50 50mm. D.3 El dispositivo debe tener un coste inferior a los 100€. D.4 El dispositivo debe ser resistente a salpicaduras de polvo y agua, al menos IP65. 1.3.4 Operación. Estos requisitos garantizan que mientras el dispositivo esté operando, sea seguro de usar y que cumpla con las normativas pertinentes para poder asegurar que el usuario no va a percibir ningún daño por usarlo. O.1 El dispositivo en funcionamiento no debe sobrepasar los 60ºC. O.2 La temperatura ambiente para que el dispositivo funcione debe estar entre -10ºC y 50ºC. O.3 El dispositivo debe cumplir con la normativa de compatibilidad electromagnética. O.4 Las conexiones eléctricas del dispositivo deben estar completamente aisladas. O.5 El dispositivo debe cumplir con la normativa de seguridad eléctrica. 1.4 Organización de la memoria. En este Apartado 1, definiremos los objetivos del proyecto, la motivación y el alcance de este. También analizamos los requisitos que esperamos obtener del proyecto en función de los objetivos que previamente hemos descrito. También se estudian las bombas de insulina, que actuará como carga en nuestro sistema. En el Apartado 2 revisamos en un primer lugar el concepto de los energy harvesters y algunas de las principales actividades del día a día que nos permitirían obtener energía gracias a estos dispositivos. Posteriormente realizamos un análisis más exhaustivo de los tres tipos de energy harvester en los que se basa este trabajo. Por último, se incluyen algunas de las patentes o artículos de investigación más actuales sobre diferentes dispositivos que se han desarrollado implementando energy harvesters. 3 3 Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. En el Apartado 3 analizamos los modelos analíticos y las ecuaciones de comportamiento que describen el modelo matemático que hemos utilizado en las simulaciones y también los parámetros más característicos que describen el dispositivo que hemos elegido como modelo para la simulación y se incluyen los esquemas de los modelos en SIMULINK. Finalmente, para cada simulación, expondremos el caso de uso en el que nos hemos basado para la simulación. En el Apartado 4 realizamos las simulaciones por el período de un día (24 horas) en un supuesto real para poder analizar la producción de potencia de cada uno de ellos en una situación realista de uso y posteriormente comparamos la energía que hemos recolectado con cada uno de ellos a lo largo del día en función de su tamaño. También se incluyen gráficas para poder realizar un análisis más claro del funcionamiento de estos. En el Apartado 5, tras realizar todas las simulaciones comparamos y exponemos las conclusiones del proyecto. Además, incluimos las posibles líneas futuras de investigación relacionadas con este trabajo. 1.5 Bombas de insulina. Las bombas de insulina son dispositivos usados por personas que padecen de diabetes para que se suministre insulina de forma parecida a como lo haría el páncreas en una persona no diabética, este tipo de tratamiento permite un control mucho más preciso de los diferentes tipos de glucemia [1]. Estos dispositivos cuentan con muchos sensores con el objetivo de automatizar al máximo este proceso y hacer un uso más sencillo para los pacientes. Sin embargo, todavía se requiere del control por parte del paciente para su correcto funcionamiento. La insulina se administra mediante un catéter con una cánula de inserción subcutánea, que libera insulina en un mismo sitio durante 3 o 4 días a diferencia de las inyecciones que habitualmente se aplican los pacientes de diabetes para mantener niveles normales de insulina. La insulina inyectada se almacena en cartuchos que se renuevan y para impulsarla cuenta con un motor eléctrico [2]. La bomba que vamos a utilizar es la MiniMed 780G de Medtronic [3]. Para estimar el consumo de esta bomba de insulina hemos recurrido a preguntar a usuarios reales sobre la duración aproximada de una batería y de forma aproximada hemos estimado el consumo medio de la bomba. En la Figura 1, podemos apreciar la estimación de consumo que hemos considerado para las simulaciones. Figura 1: Consumo estimado de la bomba de insulina. Estado del Arte 10 Figura 8: Nano generador triboeléctrico [30]. El nano generador se utiliza para cargar capacidades con un puente rectificador siendo capaz de cargar una capacidad de 1 𝜇𝐹 sobre los 2V en 200 segundos. Su pico máximo de potencia es de 15 𝜇𝑊. • Célula de biocombustible enzimático implantada en aves [31]. En algunas aplicaciones, el uso de animales para el reconocimiento aéreo es mejor que el uso de vehículos autónomos voladores y para ello se requiere controlar la conducta de dichos animales mediante neuroestimulación. Hasta ahora se hacía uso de baterías de litio para alimentar los dispositivos de control remoto, aunque requerían de mantenimiento (operaciones quirúrgicas). La solución que propone este artículo es aprovechar la energía química presente en el cuerpo del animal. Figura 9: Célula de biocombustible implantada en una paloma [31]. Hoy en día estos dispositivos se han implementados en otros animales como ratones y langostas obteniendo potencias máximas del orden del centenar de microwatios por centímetro cuadrado. Gracias a la implementación de convertidores elevadores de baja tensión de entrada, los dispositivos que se insertaron en las palomas proporcionaron potencias de hasta 0.3 W. 11 3 MODELOS ANALÍTICOS 3.1 Generador Solar. Para la realización de las simulaciones, nos hemos basado en los parámetros reales de células solares de la marca DFRobot [32]. Los parámetros característicos de este modelo de célula solar que tenemos que introducir en la simulación son los que se exponen en la Tabla 3: PARÁMETRO VALOR [UNIDADES] CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO (𝑰𝑺𝑪) 420 [𝑚𝐴] TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO (𝑽𝑶𝑪) 2 [𝑉] CORRIENTE EN EL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA (𝑰𝑴𝑷𝑷) 250 [𝑚𝐴] TENSIÓN EN EL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA (𝑽𝑴𝑷𝑷) 1.5 [𝑉] Tabla 3: Parámetros característicos de la célula solar. También determinamos los valores de la temperatura ambiente y de irradiación solar que son las entradas de nuestro sistema. Para ello usamos los datos reales en Sevilla [33], obteniendo los resultados expuestos en la Figura 10: Figura 10: Temperatura ambiente en el caso de uso. em eratura Ambiente Modelos Analíticos 12 12 Figura 11: Irradiación solar en el caso de uso. Con estos resultados hemos supuesto que el usuario permanecerá en la calle durante algunas horas del día y que en el resto permanece o bien en su puesto de trabajo o en su casa (con una temperatura más o menos constante y una irradiación solar muy reducida debido a que se encuentra en el interior de un edificio). Los resultados que obtendríamos en el caso de un usuario que pase mucho más tiempo al exterior sería mejores, en el sentido de que produciría más energía. Al igual que un usuario que pase mucho tiempo en el interior de edificios obtendría mucha menos energía. 3.1.1 Introducción teórica y ecuaciones de comportamiento. Para la simulación de una celda solar hemos usado el modelo ya existente en MATLAB. El circuito que implementa es el que se muestra en la Figura 12 [34]: Figura 12: Modelo eléctrico de una placa solar [34]. rradiación o ar 13 Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. Este modelo está definido por el conjunto de ecuaciones {1} que relacionan todos los parámetros con la característica I-V del diodo: { 𝐼𝑑=𝐼0∙[exp(𝑉𝑑 𝑉𝑡)−1] 𝑉𝑡=𝑘∙𝑇 𝑞∙𝑛𝐼∙𝑁𝑐𝑒𝑙𝑙 {1} Donde, 𝐼𝑑 es la corriente que pasa por el diodo con unidades de Amperios, 𝐼0 es la corriente de saturación del diodo con unidades de Amperios, 𝑉𝑑 es la tensión del diodo con unidades de Voltios, 𝑘 es la constante de Boltzman con valor de 1.3806∙10−23 𝐽/𝐾, 𝑇 es la temperatura de la célula en Kelvin, 𝑞 es la carga de un electrón con valor de 1.6022∙10−19 𝐶, 𝑛𝐼 es el factor de idealidad del diodo y 𝑁𝑐𝑒𝑙𝑙 es el número de células conectadas en serie en un módulo, que para nuestro caso específico es una única célula. Figura 13: Característica I-V y P-V de la célula solar. En la Figura 13 podemos observar la característica estática de la célula solar elegida y la potencia suministrada en función de la tensión a la salida. Estos gráficos están generados para una celda solar expuesta a una irradiación constante de 1000 𝑤/𝑚2 a dos temperaturas diferentes (25º𝐶 𝑦 35º𝐶). Como vemos en la gráfica el punto de máxima potencia de nuestra célula se sitúa cercano al 1.5 V por lo que trataremos de regular la tensión para que esté en ese punto el máximo tiempo posible. 3.1.2 Simulación del modelo. Nuestro modelo de simulación se basa en el diagrama de bloques de la Figura 14, en el que básicamente encontramos a la entrada los datos que presentamos en el caso de uso, a continuación, el modelo matemático que emula la célula fotovoltaica, posteriormente un convertidor elevador que controla la tensión de entrada al elemento final que es la batería recargable que tendía conectada la bomba de insulina: Robot e ib e o ar ane Modelos Analíticos 14 14 Figura 14: Diagrama de bloques del generador solar. 3.1.3 Modelos SIMULINK. 3.1.3.1 Control Automático Duty Cicle. Con el lazo de control de la Figura 15 podremos regular el duty cicle del convertidor DC/DC de forma autónoma simplemente teniendo en cuanta la tensión a la salida del harvester y cuál es la que nosotros hemos impuesto en el diseño que sea. De esta forma el control varía en función de las condiciones a las cuales se vea expuesto el generador. Figura 15: Lazo de control del Duty Cicle. 3.1.3.2 Convertidor DC/DC elevador. En la Figura 16 hemos implementado el bloque de SIMULINK del convertidor DC/DC ya que nos permite realizar una simulación promediada del convertidor con el objetivo de obtener una simulación más dinámica. Figura 16: Esquema SIMULINK para convertidor DC/DC elevador. 15 Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. 3.1.3.3 Modelo solar. En la Figura 17 se muestra el modelo completo con el cual se han obtenido los resultados de la simulación de dicho harvester. Figura 17: Modelo SIMULINK del harvester solar. 3.2 Generador Piezoeléctrico. Para este generador hemos supuesto otro caso de uso donde los parámetros del usuario que resultan relevantes para la simulación son el peso del usuario (90 kg), el tiempo que pasa andando y el número de pasos por segundo que da durante el tiempo que anda. En la Figura 18 se ilustra el número de pasos que da el usuario a lo largo del día, obtenidos de un caso real con una pulsera de actividad que ha registrado el número de pasos a cada media hora y por simplicidad hemos supuesto que se reparte uniformemente en dicho intervalo de tiempo: Figura 18: Pasos por segundo en el caso real. asos or segundo Modelos Analíticos 16 16 En la Figura 18 observamos cómo evoluciona la cantidad de pasos por segundo que da el usuario, suponiendo un reparto uniforme a lo largo de intervalos de media hora. En el momento más alto que se alcanzan los 1.9 pasos por segundo, esto se corresponde con un entrenamiento (correr) en el resto del día solo camina a un ritmo más bajo. 3.2.1 Introducción teórica y ecuaciones de comportamiento. El modelo de piezoeléctrico podría ser dividido en dos partes, la primera es la que modelo el comportamiento físico del material y cómo se comporta al deformarse. Y luego la segunda parte del modelo analiza la conversión de esta deformación a energía eléctrica. El primer modelo fue propuesto por Katz H.W. y es el que se usa de forma general para estudiar los piezoeléctricos: Figura 19: Modelo electromecánico de un piezoeléctrico [35]. En este modelo de la Figura 19 tenemos a la entrada la fuerza equivalente que deforma el material en nuestro caso la pisada que tiene unidades de Newton, una resistencia equivalente, 𝑅𝑚, que representa el amortiguamiento mecánico y tiene unidades de Ohmio, una capacidad equivalente, 𝐶𝑚, que modela la rigidez recíproca del material con unidades de Faradio y una inductancia equivalente, 𝐿𝑚, que modela la inercia del generador con unidades de Henrio. Y en la parte eléctrica del modelo tenemos un transformador con una relación de transformación n que represente el coeficiente de acoplamiento del piezoeléctrico y por último la capacidad equivalente a la salida, 𝐶𝑝, que modela la capacitancia inherente de las capas de PZT [36] que conforman el generador. Dado este modelo el conjunto de ecuaciones {2} describe su comportamiento dinámico: {𝑅𝑚∙𝑥󰇘+𝐿𝑚∙𝑥=𝐹−𝑛∙𝑉 𝑉=𝑛 𝐶𝑝∙𝑥−𝑞 𝐶𝑝 {2} En el conjunto de ecuaciones {2} podemos ver como aparecen los parámetros del circuito equivalente 𝑅𝑚,𝑛,𝐶𝑝 𝑦 𝐿𝑚 además de F que es la fuerza en unidades de Newton y V que es la tensión en Voltios, q es la carga de un electrón con valor de 1.6022∙10−19 𝐶, x es la deformación sufrida por el piezoeléctrico y 𝑥󰇘 es la segunda derivada de dicha deformación. 3.2.2 Simulación del modelo. El modelo implementado para simular este harvester sigue el diagrama de bloques de la Figura 20. Como podemos observar el circuito de acondicionamiento de la señal es bastante similar al del generador solar que expusimos en la Figura 14, con la salvedad de que en este caso tendremos un puente de diodos para rectificar a la salida del generador piezoeléctrico. Figura 20: Diagrama de bloques del harvester piezoeléctrico. 17 Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. 3.2.3 Modelos de SIMULINK. En esta simulación se vuelven a incluir los modelos de control automático del duty cicle y del convertidor elevador expuestos previamente en la Figura 15 y Figura 16 respectivamente, pero por simplicidad no se han vuelto a poner. Además, incluimos el puente de diodos y el modelo del piezoeléctrico. 3.2.3.1 Puente de diodos. Figura 21: Puente de diodos rectificador de onda completa. 3.3 Modelo piezoeléctrico. Figura 22: Modelo electromecánico del piezoeléctrico en SIMULINK. Este es el modelo que hemos implementado en SIMULINK tal y como explicamos en el Apartado 3.2, luego en la simulación hemos colocado 3 de estos modelos con su respectivo rectificador de onda completa por cada zapatilla: Modelos Analíticos 18 18 Figura 23: Montaje del harvester piezoeléctrico en SIMULINK. Y, por último, el montaje del dispositivo completo se muestra en la Figura 24 Figura 24: Montaje completo del harvester piezoeléctrico en SIMULINK. 19 Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. 3.4 Generador Termoeléctrico. Para este modelo de generador el parámetro que resulta más relevante es el de la diferencia de temperatura entre el usuario y el ambiente, para ello hemos tomado una temperatura constante para el usuario (36.2ºC) y la temperatura del ambiente se corresponde con la real de Sevilla a 17 de Mayo suponiendo que el usuario pasa ciertas horas del día en el interior de un recinto que cuenta con aire acondicionado y mantiene la sala en torno a 21ºC, a continuación, en la Figura 25, representamos la evolución de temperaturas: Figura 25: Evolución de la temperatura y la diferencia térmica. Como comprobaremos en la simulación cuando la diferencia de temperaturas es muy pequeña, el dispositivo no genera la suficiente corriente como para cargar la batería, así que como hemos comentado anteriormente este dispositivo está pensado para un caso de uso donde el usuario no permanezca en ambientes con temperaturas altas, por encima de 30ºC, durante períodos muy prolongados ya que en ese caso la producción es casi nula. 3.4.1 Introducción teórica y ecuaciones de comportamiento. Como comentamos anteriormente, la simulación del modelo termoeléctrico se basa en el efecto de Seebeck por el cual dos materiales diferentes unidos que se encuentren a distintas temperaturas generan una diferencia de potencial que depende de dichos materiales. En nuestro caso hemos elegido una unión de hierro y constantán. La ecuación {3} que determina el voltaje generado por un termogenerador: 𝑉=𝛼∙∆𝑇 {3} Donde 𝛼 es un parámetro llamado coeficiente de Seebeck y sus unidades son 𝑉/º𝐶 en nuestro caso particular 𝛼= 0.000053𝑉 º𝐶. Como podemos comprobar cada termopar genera una tensión muy pequeña por cada grado de diferencia entre las dos placas, por tanto, tenemos que colocar varios termopares en serie para poder tener una producción significativa. Existen dispositivos comerciales como el MPG-D751 que alcanzan densidades de hasta 100 termopares por mm2 [37], esto significa que, aunque generen poco de forma individual, también se pueden conectar muchos en poco espacio. En concreto en nuestra simulación hemos considerado que tendremos 800 termopares conectados en serie. em eratura Ambiente em eratura Ambiente em eratura Ambiente Análisis de los Resultados 26 26 Figura 36: Detalle de los picos de tensión y corriente en el piezoeléctrico. Como se puede observar en la Figura 36, los picos tanto de tensión como de corriente que ocurren cuando el piezoeléctrico recibe la pisada del usuario son de un valor muy elevado, del orden de 100 V en el caso de la tensión y de 2 A en el caso de la corriente. También vemos que la corriente tiene picos de tensión positivos y negativos así que para intentar evitar los picos negativos introducimos un rectificador de onda completa con un puente de diodos, obteniendo el resultado que se muestra en la Figura 37: Figura 37: Tensión y corriente a la salida del rectificador. Como se observa en la Figura 37, ahora tenemos picos de corriente positiva tal y como buscábamos, a continuación, en la Figura 38 cómo ha evolucionado a lo largo del día el estado de carga de la batería: ensión a a sa ida orriente a a a ida 27 Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. Figura 38: Evolución del estado de carga de la batería. Conclusiones 28 28 5 CONCLUSIONES 5.1 Conclusiones generales. En general las conclusiones que podemos sacar de las simulaciones realizadas es que en todos los casos podremos generar suficiente energía como para alimentar una bomba de insulina con su uso normal sin problema y además cargar una pila para los momentos en los que, por cualquier motivo, no se pueda generar potencia. Aunque sí que es cierto que estos generadores cumplen más o menos con su función dependiendo del estilo de vida del usuario, es decir, una persona que no ande mucho y se pase gran parte del día sentada no podrá aprovechar la producción de energía del piezoeléctrico, sin embargo, si está persona que está mucho tiempo sentada se encuentra en una sala aclimatada podrá exprimir la producción de un generador termoeléctrico ya que mantendrá una diferencia de temperaturas elevada constante durante un período prolongado de tiempo. Cabe resaltar una problemática con el planteamiento del proyecto y es de qué forma conectaríamos el harvester a la bomba de insulina ya que parece realmente poco práctico el uso de cables para la interconexión de estos dispositivos. Aunque podría plantearse el caso de conectar un termogenerador colocado en el brazo a la bomba de insulina, no es muy lógico intentar conectar un generador piezoeléctrico colocado en la suela del zapato a una bomba de insulina que generalmente se coloca en la cintura. En vistas de dicho problema aparece una solución que actualmente está siendo muy investigada que es la transmisión inalámbrica de energía, sin necesidad de cables de ningún tipo, mediante resonancia magnética y en un principio de forma teórica sería posible tener una eficiencia suficiente como para que la transmisión fuera efectiva [39], obteniendo un rendimiento del 75% en distancias inferiores a 20 cm. 5.2 Cronograma y presupuesto. La duración total del proyecto ha sido de 22 semanas, desde la primera semana de febrero hasta la primera semana de julio, la distribución del trabajo a lo largo del proyecto ha sido la que se muestra en la Figura 39 Figura 39: Diagrama de Gantt del proyecto. En total, el proyecto ha contado con 220 horas, ya que se han dedicado aproximadamente 10 horas por semana. De acuerdo con el BOE [40] un ingeniero debe cobrar 1799.68€ mensuales, por tanto, las 220 horas invertidas en el proyecto supondrían un coste de 2249.60€. 29 Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. 5.3 Líneas futuras de investigación. Con los resultados de la simulación y los modelos propuestos tenemos una solución viable al uso de baterías desechables para dispositivos biomédicos como pueden ser las bombas de insulina. Sin embargo, el proyecto tiene mucho por mejorar y existen varias líneas de desarrollo que podrían ser las siguientes: 1) Implementación física de los energy harvester y comprobación de la veracidad de las simulaciones. Implementar uno o varios de los harvester a la vez y, haciendo un uso real de ellos, poder comprobar de forma experimental si obtuviéramos unos resultados favorables que resulten en la alimentación de un dispositivo biomédico como puede ser una bomba de insulina. 2) Investigación y simulación de un energy harvester con transmisión de energía sin cables. Comprobar mediante análisis y simulación que posibilidad existiría de que el harvester transmitiese la energía de una forma totalmente libre de cables al dispositivo el cual quisiese alimentar. Conclusiones 30 30 31 Análisis/estudio de los sistemas de cosecha de energía en el cuerpo humano. REFERENCIAS [1] E. Gutiérrez-Torre, A. R. Alconero-Camarero, B. Torres-Manrique, and E. 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