Bancada experimental

O valor inicial de frequência emitido pelo software, Tone Generation, foi 16Hz e para a variação da frequência no intervalo de 16Hz a 69Hz, a plataforma não gerou energia, ou seja, para este intervalo, o esforço mecânico sobre o disco piezoelétrico foi insuficiente para provocar um momento de dipolo induzido, Figura 5.1. Com a frequência de 73Hz, a plataforma começou a gerar energia, quando o sistema apresentou o valor de 8mV. Portanto, 73Hz foi o valor mínimo para a obtenção de energia a partir da plataforma piezoelétrica composta por dez discos piezoelétricos.

Figura 5.1 – Relação entre a tensão gerada a partir da variação de frequência

frequencia te n s ã o 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 200 400 600 800 1000

38 Para o restante das frequências emitidas pelo software, intervalo de 146Hz a 986Hz,a plataforma piezoelétrica continuou gerando valores de tensão. Os resultados da tensão apresentam um comportamento linear, para o intervalo da frequência analisada, Figura 5.1, e é estatisticamente significante ao nível de 5% de significância (r=0,92 e p-valor < 0,0001, no teste de correlação de Spearman). Isso ocorre, pois tanto a plataforma em MDF como os piezoelétricos, apresentam frequências de ressonância que assumem diferentes valores dentro do intervalo de frequência analisado.

Na realização deste experimento as ondas acústicas com frequência controlada, emitidas por uma caixa de som, foram a fonte de energia utilizada deformação dos discos piezoelétricos. Com o aumento da frequência a plataforma piezoelétrica passou a apresentar níveis em média maiores. Para melhor visualização do comportamento da plataforma piezoelétrica, a Figura 5.5 mostra a variação da energia gerada pela plataforma, no intervalo de 392Hz a 659Hz, lida pelo osciloscópio.

Figura 5.1- Gráficos Gerado pelo osciloscópio

A fonte de energia mecânica utilizada neste experimento provocou o aumento da vibração da estrutura física sobre a qual os discos foram posicionados e também provocou uma força incidente sobre os discos a partir das ondas sonoras geradas. Se os mesmos discos são implementados sob uma calçada ou pavimento, irão gerar energia elétrica de acordo com a conversão do esforço mecânico, gerado por exemplo, por um possível fluxo de pessoas ou de carros. É importante notar que o esforço mecânico incidente sobre o piezo, é devido a onda sonora incidente e também a partir da vibração da plataforma, desta forma, concluímos que é possível utilizar elementos piezoelétricos para a geração de energia em locais onde existam vibrações mecânicas possíveis de serem transferidas para uma plataforma com discos

piezoelétricos, no sistema em que é aproveitada a energia de um fluxo de ar para a deformação de filmes piezoelétricos, proposta desenvolvida pela NASA e mencionada na revisão de literatura.

5.2. Bancada experimental II

Na figura 5.3 é avaliado a tensão gerada pela plataforma através da altura, observa-se que para a altura de 100 mm, a tensão teve menor variação e os valores foram próximos de zero. Para as alturas de 200 mm e 300 mm a dispersão da tensão é maior devido à maneira como os discos caem sobre a plataforma, mesmo procurando soltá-los sobre o mesmo local, não foi possível aplicar sempre a mesma força sobre todos os discos piezoelétricos, e isto fez com que ocorresse a dispersão dos valores. Porém, percebe-se que a tensão aumenta a partir do aumento da altura, Figura 5.3, e foi altamente significante ao nível de 5%, no teste de Kruskall Wallis (p- valor=0,001), entre as alturas de 100 mm e 200 mm o p-valor foi de 0,05, entre 100 mm e 300 mm de 0,000 e entre 200 mm a 300 mm de 0,019. Isso ocorre porque a variação da altura aumenta o tempo de queda das massas e, com isso, o momento sobre a plataforma é aumentado e com este aumento, a deflexão dos discos piezoelétricos se tornam maiores. Com os dados obtidos, foi possível comprovar a maior quantidade de tensão gerada pela plataforma através do aumento da altura e de massa o que indica uma maior quantidade de energia potencial elétrica gerada.

Figura 5.3 – Boxplot da tensão por altura.

100 mm 200 mm 300 mm 1 2 3 4 5 6 7 altura te n s ã o 61 63 64 65

A segunda variável analisada foi a energia gerada a partir da variação da quantidade de massa. Esta diferença foi verificada através do teste de Mann Whitney ao nível de 5% de significância,

40 p-valor=0,032. Observa-se na Figura 5.4 que o alcance dos dados é aumentado, ou seja, a tensão gerada é afetada pelo aumento da massa de cobre. Visto que a massa tem uma relação com o momento sobre a plataforma, que se torna maior a cada acréscimo de massa, consequentemente a deflexão dos discos se torna maior, gerando maiores valores de tensão.

Figura 5.4– Boxplot da tensão por peso

100 g 200 g 1 2 3 4 5 6 7 peso te n s ã o 23 24 29

Também foi analisada a tensão pelos valores gráficos apresentados no osciloscópio. Com isso afirma-se que a tensão gerada a ser analisada deve ser a da parte negativa da onda pois gerou maior quantidade de energia, Figura 5.5, e foi significante ao nível de 5% de significância pelo teste Mann-Whitney (p-valor=0,032).

Negativo Positivo 1 2 3 4 5 6 7 sinal te n s ã o 83 115

Obviamente coincide com a primeira metade do período da onda, pois a onda gerada pelo osciloscópio teve seu início determinado pela saída do sistema que emitiu primeiro um sinal no sentido negativo. Sabemos que o valor de tensão máximo de uma onda senoidal, Vp, é à distância

de um ponto que se encontra na crista da onda e o eixo de referência (tempo). Entretanto, neste experimento a onda representa a tensão gerada pela plataforma e este valor é dissipado, ao passo em que a energia proveniente do esforço mecânico instantâneo é transformado em energia elétrica, desconsiderando a dissipação por meio de som e calor, com isso o gráfico da onda gerada pelo osciloscópio, Figura 5.6, tem seu valor máximo no instante em que ocorre o impacto entre o disco e a plataforma e, ao passo em que a energia é transformada, o valor máximo tende a zero e o gráfico gerado pelo osciloscópio diminui. Entretanto, diante da diferença entre o valor máximo do primeiro para o segundo meio período de onda apresentado pelo osciloscópio, decidiu-se analisar a relação entre a corrente gerada a partir dos valores obtidos no primeiro meio período de onda separado da segunda metade do comprimento de onda.

42 Com os valores máximos, foi calculado o valor médio de potência gerada pelo sistema, 10.57µW para a variação de 300 mm de altura e dois discos de cobre e, 18.86µW para a mesma variação de altura e quatro discos de cobre. Os valores estão dentro da faixa esperada, microwatts, por se tratar de um elemento fabricado para ser trabalhado como atuador, mesmo assim, este valor é considerável em aplicações que exigem baixa potência.

5.3.

Inicialmente foram acoplados na bicicleta 9 discos piezoelétricos de 20 mm e depois por 9 discos piezoelétricos de 27 mm, e para cada um foi observada a energia gerada. Verificou-se que as energias geradas por ambos os sistemas diferem estatisticamente ao nível de 5% de significância, teste Mann-Whitney. Como era de se esperar, o piezoeletro de diâmetro maior tem um rendimento de corrente melhor quando comparado com o piezoeletro de menor diâmetro, Figura 5.7.

Figura 5.7 – Boxplots com relação entre a corrente e diâmetros de discos piezoelétricos.

20 cm 27 cm 0 .0 0 0 .0 5 0 .1 0 0 .1 5 diametro te n s ã o 28

O menor valor de energia obtido pelo microcontrolador arduino foi de 0,0029 V, valor utilizado como referência para o cálculo da distância percorrida. A potência média gerada pelo sistema utilizando os discos de diâmetro maior foi de 28.7 µW. Na utilização do valor de referência para o cálculo da distância percorrida pela bicicleta foi utilizado o código, Anexo B,

microcontrolador arduino, onde a cada iteração, durante o intervalo de 10 minutos, um contador registrava o número do pneu e, posteriormente, calculava a distância percorrida. Com esta aplicação, o disco foi utilizado como sensor e não como gerador de energia, pois, mesmo se dispuséssemos de 40 piezoelétricos, não seria possível aumentar a energia gerada devido à restrição na área da superfície do pneu disponível para acoplar os discos piezoelétricos. Dessa forma a deflexão do piezo na superfície do pneu ocorre em um piezo de cada vez e, com isso utiliza-los, nesta aplicação, como gerador de energia é inviável, porém estes discos apresentam níveis de energia suficientes para serem utilizados como gerador de energia.