Novos acumuladores de enerxía baseados en composites magnetoeléctricos
2018/11/30 Andoni Lasheras Aransay - Euskal Herriko Unibertsitateko irakasle atxikia Fisika Aplikatua I Sailean | Gutiérrez Etxebarria, Jon - Euskal Herriko Unibertsitateko irakaslea Elektrizitatea eta Elektronika Sailean Iturria: Elhuyar aldizkaria
A sociedade actual demanda o uso de dispositivos de baixo consumo enerxético cada vez máis pequenos e útiles. Os composites magnetoeléctricos, capaces de inducir a tensión eléctrica baixo un campo magnético, poden ser utilizados paira alimentar novos sistemas de baixo consumo mediante o axuste entre propiedades magnéticas e eléctricas.
Os composites magnetoeléctricos evolucionaron notablemente nos últimos anos en acumuladores de enerxía. Estes composites, en xeral, están formados por material magnetostrictivo e material piezoeléctrico (materiais que se deforman baixo un campo magnético e materiais que inducen a tensión eléctrica ao sufrir una deformación, respectivamente). Por tanto, ao aplicar un campo magnético sobre estes composites, o compoñente magnetostrictivo se deforma. Esta deformación transmítese ao compoñente piezoeléctrico inducindo a tensión eléctrica. Este efecto denomínase efecto magnetoeléctrico e utilízase en moitas aplicacións [1].
Os compoñentes magnetostrictivos utilizados nos composites magnetoeléctricos son aliaxes metálicas en forma de chapa fabricadas con ferro e/ou cobalto. Como compoñentes piezoeléctricos adóitase empregar STP cerámico en forma de película ou polímero PVDF. Aínda que o STP teña una mellor resposta piezoeléctrica, é un material moi fráxil e pode causar problemas nalgunhas aplicacións. O polímero PVDF presenta una resposta piezoeléctrica máis baixa, pero máis adaptable e cun mellor comportamento en aplicacións prácticas.
Nos composites magnetoeléctricos obtense o sinal máis alto inducida ao redor da frecuencia de resonancia do composite. A frecuencia de resonancia é inversamente proporcional á lonxitude do compoñente magnetostricativo. Por tanto, canto máis longo sexa o composite, menor será a frecuencia de resonancia.
Composites magnetoeléctricos como acumuladores de enerxía
A fabricación de composites magnetoeléctricos require una certa combinación de materiais magnetostrictivos e piezoeléctricos. Paira seleccionar os materiais máis adecuados paira a súa fabricación, débense analizar as propiedades de cada elemento. De face aos materiais magnetostrictivos, adóitanse utilizar aliaxes do tipo FeCoSiB, entre outras, debido ás súas excelentes propiedades magnéticas. Como material piezoeléctrico, una opción apropiada é o polímero piezoeléctrico PVDF, que presenta a resposta piezoeléctrica máis alta entre os polímeros piezoeléctricos. Paira axustar as propiedades magnetostrictivas e piezoeléctricas, o habitual é utilizar una resina epoxi. Aproveitando este epoxi, fabrícase un composite en forma de sándwich con dúas placas magnetostrictivas pegadas a ambos os dous lados dunha película PVDF da mesma lonxitude.
Paira obter a potencia proporcionada polo composite Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 de 3 cm de lonxitude, por exemplo, é necesario medir en primeiro lugar a frecuencia de resonancia de leste composite, punto no que se atopa a resposta magnetoeléctrica máis alta do composite. En leste composite concreto, a frecuencia de resonancia atópase a 50 kHz. Por tanto, a utilización a esta frecuencia do sinal eléctrico alterna inducida no composite require que a tensión alterna convértase en tensión directa, para o que o sinal inducido debe pasar por un circuíto de multiplicación de tensión [2]. A partir desta tensión directa, a potencia proporcionada polo composite magnetoeléctrico pode calcularse en función da resistencia axustada no circuíto.
A potencia máxima obtida do circuíto é de 11,6 µW paira una resistencia de 220 kiloohmios. Este valor é totalmente comparable con outros acumuladores de enerxía que aparecen na bibliografía, onde se mediron potencias similares [3] utilizando STP e materiais piezoeléctricos (mellor resposta piezoeléctrica).
Con todo, a utilización de acumuladores de enerxía na vida cotiá require a substitución dos xeradores utilizados nos laboratorios polos recursos que a contorna nos ofrece. Estes recursos, por suposto, deben cumprir uns requisitos. Por exemplo, deben crear un campo magnético cuxa frecuencia debe estar situada nun rango determinado (á frecuencia de resonancia do composite correspondente) paira inducir una tensión suficiente no composite magnetoeléctrico.
Tendo en conta a frecuencia de resonancia do composite magnetoeléctrico Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co1 6.4 Si 10.8 B 11.2, poderíanse utilizar como xeradores placas de indución, computadores ou pantallas intelixentes, entre outros. A utilización de composites magnetoeléctricos de diferentes tamaños ou composicións alteran as frecuencias de resonancia, polo que habería que buscar fontes electromagnéticas que funcionen noutras frecuencias paira obter a máxima potencia dos composites.
Influencia do tamaño na potencia
Como se mencionou na introdución, o tamaño dos dispositivos é tan importante como a utilidade. Fabricar dispositivos cada vez máis pequenos é un dos obxectivos da industria e da sociedade actual. Por iso, no caso dos composites magnetoeléctricos tamén é necesario analizar a influencia da redución de dispositivos na potencia fornecida. No caso do composite magnetoeléctrico Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2, os sistemas de 1 e 0,5 cm proporcionan potencias de 0,28 e 0,06 ?W, respectivamente. Por tanto, se se desexa obter enerxía a partir de composites magnetoeléctricos de menor tamaño, hai que ter en conta que proporcionarán una potencia moito menor, e dependendo da aplicación haberá que decidir si é suficiente ou non.
Aplicacións en novas tecnoloxías
Como se pode observar, estes novos composites magnetoeléctricos son capaces de alcanzar una potencia duns microvatios. Esta potencia, aínda que pareza relativamente baixa, pode servir paira o seu uso en novas tecnoloxías. Por exemplo, os marcapasos que se colocan no corpo paira controlar o ritmo do corazón necesitan 10 ?W paira funcionar. A rede de sensores inalámbricos utiliza una potencia similar paira monitorizar a temperatura, controlar a contaminación química nas cidades ou a presión dos coches [6]. As redes de comunicacións inalámbricas utilízanse en moitas outras aplicacións de baixo consumo. Por exemplo, a miúdo os dispositivos que se sitúan no corpo utilizan este tipo de redes paira comunicarse entre si (coñecida en inglés coas letras WBAN).
Ademais das comunicacións, a enerxía xerada polos composites magnetoeléctricos pode ser utilizada noutros campos. Esta enerxía tamén pode servir paira substituír as baterías do noso móbil ou doutros dispositivos pequenos. De feito, empezáronse a fabricar móbiles sen batería [7]. Este tipo de móbiles toma enerxía dos sinais de luz ou radio da contorna.
Ponse de manifesto, por tanto, que as novas tecnoloxías do futuro requiren de tipos de enerxía de baixo consumo, fáciles de conseguir e inalámbricas. Neste percorrido espérase que os composites magnetoeléctricos teñan una influencia importante na investigación que se está levando a cabo sobre este tipo de materiais novos. Estes dispositivos, ademais de obter enerxía da contorna, son capaces de xerar a potencia necesaria paira alimentar pequenos dispositivos. Novos acumuladores de enerxía paira novas tecnoloxías!
Bibliografía
Traballo presentado aos premios CAF-Elhuyar.
