Edición No. 22, Issue II, Enero 2026
1. INTRODUCCIÓN
La creciente necesidad de fuentes energéticas
sostenibles ha incentivado el desarrollo de tecnologías
capaces de capturar y reutilizar energía ambiental. Entre
estas, los sistemas piezoeléctricos han cobrado relevancia
como una alternativa factible para la recolección de
energía en entornos urbanos densamente poblados. Este
enfoque se basa en la capacidad de ciertos materiales de
generar electricidad cuando son sometidos a
deformaciones mecánicas, lo cual, permite convertir
vibraciones ambientales como las generadas por pisadas
humanas en energía eléctrica [1].
Los materiales piezoeléctricos cerámicos, como el
titanato zirconato de plomo (PZT), han demostrado un
alto rendimiento en términos de densidad energética y
fiabilidad. En particular, el modelo PZT-51 se destaca
por su elevado coeficiente piezoeléctrico d33 su
estabilidad bajo excitaciones cíclicas, y una buena
relación entre su rigidez mecánica y sensibilidad eléctrica
[2]. Estas propiedades lo convierten en un candidato ideal
para aplicaciones donde la energía mecánica es de baja
frecuencia, pero alta recurrencia como es el caso del
tránsito peatonal urbano.
No obstante, la transición del laboratorio a
aplicaciones reales presenta obstáculos fundamentales.
Uno de ellos es la ausencia de modelos eléctricos
validados y específicos para el material PZT-51 que
permitan simular su respuesta de forma precisa bajo
condiciones reales de carga, geometría y excitación. La
mayoría de las aproximaciones disponibles utilizan
modelos generalistas que no integran los parámetros
físicos reales del material, lo que limita la capacidad
predictiva y la eficiencia de los sistemas desarrollados
[3].
Para abordar este vacío, el presente trabajo se
fundamenta en el modelo eléctrico detallado en el
documento técnico “Modelo de circuito equivalente
Butterworth Van Dyke para transductores
piezoeléctricos” [4], donde se describe el
comportamiento de materiales piezoeléctricos mediante
un circuito equivalente RLC en paralelo. En dicho
modelo, la capacitancia representa la permitividad
dieléctrica del material, la resistencia modela las pérdidas
dieléctricas internas y la inductancia se asocia a la inercia
mecánica equivalente del sistema. Este marco teórico
permite aproximar el comportamiento dinámico del
material piezoeléctrico con mayor precisión que modelos
idealizados no paramétricos.[6]
Proyectos como E-STEP, desarrollado por Ibáñez
García [5], han demostrado que el diseño ergonómico de
pavimentos inteligentes puede convertir el tránsito
peatonal en una fuente de energía renovable, útil para
iluminación de emergencia, sensores inalámbricos e
incluso la carga de dispositivos móviles [10]. Estos
prototipos integran materiales piezoeléctricos en
estructuras modulares que aprovechan la fuerza vertical
de la pisada para generar pulsos eléctricos. La validación
experimental de E-STEP subraya la importancia de
adaptar el diseño estructural y la configuración eléctrica
del sistema a las características del material
piezoeléctrico utilizado, reforzando la necesidad de
simulaciones específicas y precisas para optimizar su
rendimiento en condiciones reales.[7]
La presente investigación, busca generar la respuesta
de un modelo piezoeléctrico, aplicando características
propias de la fuerza que se ejerce al momento de realizar
las pisadas, lo cual permite obtener una respuesta más
cercana al funcionamiento real del dispositivo.
Las soluciones comerciales que se encuentran en el
mercado son sistemas cerrados que no permiten
escalabilidad, el modelo que se plantea con este
documento corresponde a una arquitectura adaptable y
abierta, planteándose como una plataforma conceptual
que puede escalarse a modelos que se adapten a los
contextos y realidades de su aplicación.
Con base en ese enfoque, se ha desarrollado una
simulación del comportamiento eléctrico del material
PZT-51 en el entorno Simulink, utilizando parámetros
reales proporcionados por el fabricante He-Shuai Ltd.
como permitividad dieléctrica, factor de perdida
dieléctrica y coeficiente piezoeléctrico. El objetivo
principal es validar un modelo que permita optimizar la
captación y almacenamiento de energía eléctrica en
edificios mediante configuraciones de celdas en serie y
paralelo. Se analiza también la viabilidad de escalar el
sistema para alcanzar corrientes del orden de 1 amperio,
mediante el uso coordinado de múltiples unidades
piezoeléctricas.
El documento se estructura para presentar primero la
caracterización del material piezoeléctrico PZT-51
mediante un modelo eléctrico RLC basado en parámetros
reales. También se definen las condiciones de operación
simulando pisadas humanas como fuente de excitación
mecánica. Posteriormente se describe el modelado en
Simulink, donde una fuente de corriente controlada
alimenta un circuito RLC que representa la celda
piezoeléctrica, se detalla la señal de excitación utilizada,
un impulso tipo campana diseñado para reproducir el
impacto de una pisada humana sobre el material.
2. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL PZT-
51:
Según el modelo eléctrico estándar de materiales
piezoeléctricos descrito en el documento “Modelo de
circuito equivalente Butterworth Van Dyke para
transductores piezoeléctricos,”, se considera una red
RLC en paralelo como representación funcional del
comportamiento eléctrico.[8]
Los parámetros técnicos proporcionados por el
fabricante para el material piezoeléctrico son: