Parte da rua, geralmente limitada por listras e com sinal luminoso. Padrão que define uma sinalização horizontal formada por uma série de faixas que determinam a área reservada para a travessia pedestre de ruas, avenidas e vias em geral (UFRGS, 2012). Nesse ponto, normalmente, os veículos mantêm uma velocidade aproximadamente constante. Espera-se, com isso, um melhor aproveitamento do fluxo energético proveniente das células piezoelétricas utilizadas.
A sinalização de trânsito que é utilizada universalmente, a faixa de segurança, usa como regra geral aos pedestres atravessarem ruas e avenidas nestes determinados espaços com segurança. Muitas vezes as faixas de segurança não são respeitadas, já que muitas vezes os motoristas passam sem dar preferência aos pedestres, ocasionando acidentes por não respeitarem esta diretriz (UFRGS, 2012).
Segundo a CTB - Código de Trânsito Brasileiro (1997) diz no Art. 70 que os pedestres que estiverem atravessando a via sobre as faixas delimitadas para esse fim terão prioridade de passagem, exceto nos locais com sinalização semafórica, onde deverão ser respeitadas as disposições de preferência aos pedestres que não
tenham concluído a travessia, mesmo em caso de mudança do semáforo liberando a passagem dos veículos e quando estiver liberada a passagem dos veículos os pedestres deverão esperar até o sinal do semáforo seja interrompido.
Figura 32 - Pedestre atravessando a faixa de segurança.
Fonte: (DETRAN RS, 2014).
A figura 32 apresenta pedestres fazendo a travessia de uma faixa de segurança, como supracitado acima a faixa de segurança é uma sinalização de trânsito utilizada universalmente, sendo assim traz aos pedestres uma maior segurança na sua utilização. Quando existem tráfegos intensos de veículos as utilizações destas faixas servem para dar prioridade aos pedestres. Mas mesmo existindo esta proteção para os pedestres existem muitos casos de acidentes ocasionados encima da própria faixa de segurança, muitos casos por pressa, distração, imprudência e descaso. Muitos motoristas, simplesmente, ignoram a faixa, e os pedestres têm que se virar para atravessar.
Segundo a CTB (1997) diz no Art. 71 que o órgão ou entidade com circunscrição sobre a via manterá, obrigatoriamente, as faixas e passagens de pedestres em boas condições de visibilidade, higiene, segurança e sinalização.
Desta forma o seguinte trabalho tem como objetivo estudar a possibilidade da substituição da sinalização atual das faixas de segurança pintadas sobre a via, pela utilização do concreto translúcido junto com o material piezoelétrico gerando energia elétrica para armazenar em baterias e alimentar a sinalização através de LEDs, que demarcariam na pista a faixa de segurança.
5 RESULTADOS OBTIDOS NA DEFORMAÇÃO DO MATERIAL PIEZOELÉTRICO
Para avaliar o material PZT a ser utilizado, foi necessário realizar vários experimentos laboratoriais de forma a buscar determinar o potencial, aproximado, capaz de ser atendido pelas células.
Na aplicação prática foram levados em consideração os resultados obtidos e apresentados no capítulo 3. O desenvolvimento partiu da análise da cápsula piezoelétrica, assim sendo, o efeito piezoelétrico de modo direto através de aplicações de pressão no material proposto, onde ocorre a conversão de energia mecânica em energia elétrica.
A energia elétrica gerada através das cápsulas piezoelétricas tem a finalidade de alimentar os LEDs dispostos em formato de retângulos acoplados no concreto translúcido desenhando assim, a faixa de segurança. A energia que for excedente no sistema será armazenada em baterias de íon de lítio, buscando assim, autonomia para o sistema de iluminação das faixas sem ter o seu funcionamento comprometido.
Figura 33 - Acionamento de um LED ligado diretamente em uma cápsula piezoelétrica
O teste inicial realizado é a comprovação do efeito piezoelétrico, assim sendo, foi ligada uma cápsula piezoelétrica diretamente ao LED de alto brilho. Quando o circuito é submetido a uma pequena pressão mecânica, o LED é acionado como pode ser visto na Figura 33.
Foi então inserido o osciloscópio nos terminais do piezoelétrico, após este, foi exercida uma pressão significativa na cápsula. O resultado apresentado no osciloscópio foi satisfatório, pois apresentam valores bem significativos, uma tensão de pico de 20,4 V, tensão de pico a pico de 31,2 V e uma tensão rms de 4,54 V para apenas uma cápsula, como pode ser visto na Figura 34.
Figura 34 – Tensão elétrica gerada por uma cápsula piezoelétrica
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
A partir da tensão elétrica supracitada é possível calcular a potência que uma cápsula piezoelétrica pode fornecer, adotando os 30 mA que fizeram o LED de alto brilho acender. A potência pode ser calculada através da equação 1, mostrada a seguir (BOYLESTAD, 1998).
ܲ = ܸ x ܫ (1) Onde,
P=
Potência fornecida pela cápsula piezoelétrica;I=
Corrente elétrica fornecida pela cápsula piezoelétrica;V=
Tensão elétrica fornecida pela cápsula piezoelétrica.Sendo assim, a potência que uma cápsula piezoelétrica pode fornecer ao sistema é de 136,2 mW.
Na sequência, utilizaram-se três pesos, estes com suas seguintes especificações 100 g (15 cm de diâmetro ou 7,5 cm de raio), 200 g (20 cm de diâmetro ou 10 cm de raio) e 500 g (35 cm de diâmetro ou 17,5 cm de raio), fazendo o mesmo teste supracitado acima. Aplicou-se uma pressão na cápsula piezoelétrica, mas neste caso de uma forma diferente, deixando os pesos a uma distância de 5 centímetros de altura e após isso largando encima da cápsula. Através da equação 2, pode-se calcular a força peso (F) aplicada nas cápsulas piezoelétricas (HALLIDAY, 1976).
ܨ = ݉ x ݃ (2) Onde,
F=
Força peso aplicada nas PZT;m=
Massa dos experimentos;g=
Aceleração gravitacional.Os valores da força peso obtidos foram os seguintes: • Peso 100 g ܨ = ݉ x ݃ ܨ = 0,1 x 9,81 ܨ = 0,981 ܰ • Peso 200 g ܨ = ݉ x ݃ ܨ = 0,2 x 9,81 ܨ = 1,962 ܰ • Peso 500 g ܨ = ݉ x ݃ ܨ = 0,5 x 9,81 ܨ = 4,905 ܰ
Na equação 3 pode ser calculada a pressão exercida pelos pesos nos PZT (HALLIDAY, 2009).
= ܨ x ܣ (3) Onde,
p=
Pressão aplicada nos PZT;F=
Força peso aplicada nas PZT;A=
Área do peso.Os valores da pressão obtidos foram os seguintes: • Peso 100 g
Primeiramente é necessário calcular a área do peso, a qual pode ser definida pela equação 4 (HALLIDAY, 2009).
ܣ = ߨ x ݎ² (4) Onde,
A=
Área do peso; r=Raio do peso.Assim é possível obter.
ܣ = ߨ x 0,075ଶ ܣ = 0,0177 ݉²
Após encontrado o valor da área é possível calcular a pressão exercida.
=ܨ ܣ =0,981 0,017 = 57,706 ܲܽ • Peso 200 g
Na mesma linha de raciocínio, ocorre agora para o peso de 200 g, primeiramente é calculado a área do peso.
ܣ = ߨ x ݎଶ ܣ = ߨ x 0,1ଶ ܣ = 0,031 ݉²
Após encontrado o valor da área é possível calcular a pressão exercida.
=ܨ ܣ =1,962 0,031 = 63,29 ܲܽ • Peso 500 g
E por fim, o cálculo da área do peso de 500 g. ܣ = ߨ ݔ ݎଶ
ܣ = ߨ ݔ 0,175ଶ ܣ = 0,096 ݉²
Após encontrado o valor da área é possível calcular a pressão exercida.
=ܨ ܣ =4,905
0,096 = 51,09 ܲܽ
A figura 35 demonstra o arranjo dos próximos testes a serem realizados, como supracitado, serão utilizados 3 valores de pesos diferentes (100 g, 200 g e 500 g) e a partir destes será apresentado os valores da tensão rms, tensão de pico a pico e tensão máxima.
Figura 35 – Aplicação de uma pressão no piezoelétrico a partir de três pesos
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Para cada peso mencionado acima foi realizado 3 testes deixando os pesos a uma distância de 5 centímetros de altura e após isso largando encima da cápsula piezoelétrica, desta forma o material sofrerá uma deformação e serão liberados pulsos elétricos. Com os testes realizados foi criada a seguinte tabela.
Tabela 2 – Variação da tensão x peso
100 g 200 g 500 g
Vrms
(V) Vpp (V) Vmax (V) Vrms (V) Vpp (V) Vmax (V) Vrms (V) Vpp (V) Vmax (V) 1,07 7,92 3,92 1,73 7,92 3,92 2,49 7,92 3,92 1,05 7,92 3,92 1,77 7,92 3,92 2,38 7,92 3,92 1,08 7,92 3,92 1,85 7,92 3,92 2,43 7,92 3,92
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Analisando-se os resultados da Tabela 2 para cada peso é possível perceber que a variação nas tensões rms é totalmente tolerável, pois o peso é liberado de uma distância e nesta pode ocorrer uma variação de centímetros logo que o teste foi realizado manualmente. Porém os outros valores Vpp e Vmax se mantém fixos; isto se dá pela cápsula piezoelétrica sofrer o mesmo impacto nos três casos.
A figura 36 apresenta a forma de onda obtida quando a cápsula piezoelétrica sofre uma deformação aplicada pelo peso de 100 g.
Figura 36 – Forma de onda obtida por uma pressão de 100g
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
A figura 37, por sua vez, representa a forma de onda obtida quando a cápsula piezoelétrica sofre uma deformação aplicada pelo peso de 200 g.
Figura 37 - Forma de onda obtida por uma pressão de 200g
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
A figura 38 a seguir ilustra a forma de onda obtida quando a cápsula piezoelétrica sofre uma deformação aplicada pelo peso de 500 g.
Figura 38 - Forma de onda obtida por uma pressão de 500g
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Com os testes supracitados utilizando os pesos é possível fazer a seguinte analogia. Um peso de 100 g é possível gerar 1,05 Vrms, um peso de 200 g é possível gerar 1,77 Vrms e com um peso de 500 g é possível gerar 2,38 Vrms.
Após os testes realizados com os pesos supracitados será realizada uma analogia usando um veículo cuja massa é de 800 kg e a área de contato de um dos pneus de um automóvel com o solo vale 100 cm².
Portanto, com os seguintes dados é possível calcular a força aplicada pelo pneu no solo, porém um automóvel contém 4 pneus, logo, deve-se distribuir a massa total do carro para os 4 pneus, ou seja, 200 Kg para cada pneu. Assim é possível obter a seguinte força:
ܨ = ݉ x ݃ ܨ = 200 x 9,81 ܨ = 1962 ܰ
Sendo assim, como a área já é especificada o que se deve fazer é a conversão das unidades.
Tendo os seguintes valores 100 cm² equivale a 0,01 m², após este é possível calcular a pressão que cada pneu exerce no solo.
=ܨ ܣ
=1962 0,01 = 196,2 ݇ܲܽ
Portanto, a pressão que um pneu exerce no solo é muito superior quando comparado com os testes supracitados, ou seja, pode-se afirmar que um veículo proporciona uma boa deformação no material PZT convertendo assim energia mecânica em energia elétrica.
6 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Para o desenvolvimento deste projeto é utilizado como base de estudo as faixas de segurança (figura 39), onde o intuito é substituir o concreto tradicional pelo concreto translúcido, ou seja, ao invés de usar tinta nas sinalizações, irá utilizar a pintura dispostas por LEDs.
Figura 39 - Faixa de segurança base deste estudo
Fonte: (CETSP, 2013 adaptado AUTOR)
A estrutura do projeto é formada por uma placa de três camadas (figura 40), no fundo contém as cápsulas piezoelétricas, no meio o sistema de LEDs e no topo o material translúcido junto com as fibras óticas que demarcaram a faixa de segurança.
Figura 40 – Vista frontal das três camadas
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Seguindo a ideia supracitada com o movimento do veículo sobre as placas, ocorre a deformação do material e com isso ocorre o efeito piezoelétrico alimentando os LEDs que irão demarcar a sinalização no concreto translúcido.
Portanto o sistema terá seu funcionamento 24 horas por dia, desta forma a energia excedente nos períodos que tenha grande fluxo de veículos será armazenada em uma bateria recarregável, não deixando o sistema comprometido nos períodos com pouco fluxo de veículos.
Portanto, a ideia primordial é armazenar a energia gerada pelo material piezoelétrico em duas baterias recarregáveis, a seguinte especificação para cada uma delas é, corrente de 3000 mAh e tensão 1,2 Vcc. Desta forma o teste inicial contou com a ligação direta de duas baterias recarregáveis e uma cápsula piezoelétrica.
Analisando a figura 41, notou-se que não ouve nenhuma alteração, podendo afirmar que não ocorre o carregamento da bateria em ligação direta.
Figura 41 – Teste inicial com bateria
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Em seguida foi pensado na ideia de pôr um retificador de onda completa junto com a bateria e a cápsula, fazendo com que quando aplicasse um stress no material piezoelétrico o circuito melhorasse o nível CC e ocorresse o carregamento da bateria. Porém esta ideia não teve seguimento, pois a configuração interna do LTC 3588 possui um retificador de onda completa.
A figura 42 demonstra o teste realizado com as baterias que estavam com sua carga quase máxima, 91,67 % (2,2 VCC). Em seguida foi aplicado um stress mecânico sobre os piezoelétricos, por várias vezes onde se notou que a bateria estava carregando.
Figura 42- Bateria com sua carga inicial
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Assim, a figura 43 apresenta a forma de onda inicial da bateria. Figura 43 - Forma de onda inicial da bateria
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Para a comprovação do carregamento das baterias as mesmas foram descarregadas, deixando com 50% da carga inicial e após isso aplicado novamente um stress mecânico no material piezoelétrico, figura 44.
Figura 44 - Bateria descarregada 1,1 V (50% da carga inicial)
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
A figura 45, por sua vez, demonstra a forma de onda obtida com 50% da carga inicial da bateria.
Figura 45 - Forma de onda (50 % da carga inicial)
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
O sistema em pleno funcionamento é identificado na figura 46, onde ao ser aplicado pressões no material, é possível perceber o carregamento da bateria.
Figura 46 - Bateria carregando
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
A figura 47 apresenta a bateria com a tensão de 2,05 V (entorno de 91,62% da carga inicial), quase carga máxima.
Figura 47 - Bateria em pleno carregamento
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
A figura 48, por sua vez, apresenta a forma de onda obtida pelo osciloscópio, após 45 min de pressão aplicada no material piezoelétrico.
Figura 48 - Forma de onda (91,62% da carga inicial)
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Analisando-se as figuras 44, 45, 46, 47 e 48 é possível afirmar que o sistema funciona, ocorrendo o carregamento. Levando-se em torno de 45 min para carregar 1,00 V, com a pressão exercida em laboratório de cerca de 5,87 kPa a cada 1 s.
A figura 49, por sua vez, apresenta o mesmo conceito usado anteriormente, porém neste teste as cápsulas piezoelétricas são postas em paralelo.
Figura 49 - Bateria descarregada 1,05 V e carregando com duas cápsulas em paralelo
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
A figura 50 representa a carga da bateria, após a mesma ser percorrida pela corrente depois de aplicado um stress mecânico nos materiais piezoelétricos.
Figura 50 – Bateria sendo carregada
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Por sua vez a figura 51, por sua vez, apresenta a forma de onda obtida pelo osciloscópio, após 1 h e 15 min de pressão aplicada no material piezoelétrico.
Figura 51 - Forma de onda (carregamento de 0,95 V)
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Analisando as figuras 49, 50 e 51 é possível afirmar que o sistema funciona. Levando-se em torno de 1 h e 15 min para carregar 0,95 V.
A figura 52 apresenta o mesmo conceito usado anteriormente, porém neste teste as cápsulas piezoelétricas são postas em série.
Figura 52 - Bateria descarregada 1,00 V e carregando com duas cápsulas em série
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Após aplicar um stress mecânico nos materiais piezoelétricos é possível ver o carregamento da bateria, figura 53.
Figura 53 – Bateria carregando
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
A figura 54, por sua vez, apresenta a forma de onda obtida pelo osciloscópio, após 30 min de pressão aplicada no material piezoelétrico.
Figura 54 - Forma de onda (carregamento de 1,02 V)
Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)
Analisando as figuras 48 e 49 é possível afirmar que o sistema funciona. Levando-se em torno de 30 min para carregar 1,02 V.
Após os testes realizados verificou-se que é possível carregar as baterias e isso depende diretamente da pressão exercida sobre a cápsula e a rapidez com que essa força é colocada e retirada sobre o material.
A conclusão que se chegou foi que o circuito permite o armazenamento de cargas em baterias, porém é necessário o uso do LTC 3588, afim de regular a tensão de saída do piezoelétrico, pois os mesmos geram pulsos variáveis de energia, conforme apresentam as figuras 15 e 16, por exemplo, do capítulo 3.
7 CONCLUSÃO
Este trabalho teve como objetivo estudar a geração de energia através da utilização do material piezoelétrico que transforma energia mecânica em energia elétrica, quando o mesmo sofre uma deformação. Com o crescimento da população aumenta o consumo de energia, pensando nisso, este estudo usa como base uma alternativa para suprir pequenos aproveitamentos de energia. E com esses resultados dá para afirmar que o uso do efeito da piezoeletricidade está cada vez mais próximo do seu uso no cotidiano, tendo várias utilizações, isto se dá por ser uma fonte de energia renovável e limpa.
Porém o foco deste trabalho é a utilização do efeito piezoelétrico inserido no concreto translúcido aplicado nas faixas de segurança, o qual a geração de energia é proporcionada no momento em que o veículo passa por cima do material piezoelétrico deformando o mesmo e a partir desta libera pulsos elétricos.
No desenvolvimento deste trabalho foram encontradas diversas dificuldades, primeiro por ser um assunto que existem poucos estudos teóricos, com poucas experiências práticas usando aproveitamentos maiores de energia e além de ser um assunto que é pouco estudado durante o período acadêmico.
Após um longo período de tentativas usando a cápsula piezoelétrica ou usando com um retificador de onda completa ligando diretamente nos terminais de uma bateria, foi comprovado que não é possível armazenar energia deste modo. Assim, após outro período de estudos foi encontrado um componente eletrônico (LTC 3855), capaz de retificar os pulsos elétricos e estabilizar a tensão, através de conversor buck interno, para armazenar a energia gerada pelo material piezoelétrico. Pode-se assim concluir que a tensão de saída do sistema de geração não é fixa, esta varia muito conforme a pressão aplicada no material piezoelétrico, desta forma usando o LTC 3588, que possui em suas características um retificador de onda completa e um conversor Buck, conseguiu-se fazer com que a tensão seja regulada na sua saída e possa ser armazenada em baterias recarregáveis.
Como demonstrado neste trabalho, é possível a geração de energia e o armazenamento em uma bateria, fazendo com que o sistema projetado não seja comprometido em períodos sem fluxo de automóveis.
De forma a sugerir uma continuidade deste trabalho, em forma de trabalhos futuros, pode-se considerar o estudo da quantidade necessária de LEDs e o tempo de manutenção deste sistema no acoplamento com o concreto translúcido nas faixas de segurança e a construção de um protótipo.
Outra possibilidade é considerar o uso em outros modelos de sinalização de trânsito expostas no asfalto, como por exemplo, indicações de pare, lombada, indicações de velocidade, semáforos, entre outros.
Além disso, com os dados obtidos poderia ser realizada a avaliação econômica desse material para uma implementação prática, com estudo de caso.
E por último elaborar cálculo do tempo para carga de bateria em função do fluxo de pressão nos piezoelétricos.
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