Imario A. Barbosa, Paulo A. C. Aguilar, Calil C. Coelho, Francisco P. Cavalcante Neto, Larissa da S. Matos,
Luiz Henrique O. da Silva, Thiago V. Bezerra
1Universidade Federal do Cear´a (UFC) – Quixad´a – CE – Brasil
{ calilccoelho,thiagovb,fcoprata }@alu.ufc.br {luizenrik, imario.almeida, larissamatos}@alu.ufc.br
{pauloaguilar}@ufc.br
Abstract. As humanity evolves, energy consumption increases, as the main en-ergy sources are limited, there will come a day when it will not be possible to use them. Faced with this problem, some studies were developed in search of an alternative for energy generation, one of the main areas of study is that of renew-able energy. Among the renewrenew-able sources, one that has gained considerrenew-able prominence in recent years is the piezoel etrica source. This article discusses some studies carried out on piezoelectric floors, highlighting their main charac-teristics and proposes a floor design capable of generating energy from human steps.
Resumo. Conforme a humanidade evolui o consumo de energia aumenta, como as principais fontes de energia s˜ao limitadas, chegar´a um dia em que n˜ao ser´a poss´ıvel usufruir delas. Diante desse problema alguns estudos foram desen-volvidos na busca de uma alternativa para gerac¸˜ao de energia, uma das princi-pais ´areas de estudo ´e a das energias renov´aveis. Dentre as fontes renov´aveis, uma que ganhou consider´avel destaque nos ´ultimos anos ´e a fonte piezoel´etrica.
Esse artigo discute alguns estudos realizados sobre pisos piezoel´etricos, desta-cando suas principais caracter´ısticas e prop˜oe um projeto de piso capaz de gerar energia a partir de passos humanos.
1. Introduc¸˜ao
Nas ´ultimas d´ecadas o consumo de energia el´etrica vem aumentando bastante devido ao grande aumento no n´umero de dispositivos eletrˆonicos. Boa parte dessa energia ´e gerada por fontes n˜ao renov´aveis que prejudicam o meio ambiente, sendo elas o petr´oleo, carv˜ao mineral e o g´as natural. Diante desse problema a busca por fontes que gerem energia limpa se iniciou, hoje temos como principais fontes, a solar, hidr´aulica e e´olica. Uma fonte que vem crescendo bastante nas ´ultimas d´ecadas ´e a piezoel´etrica, que ´e obtida a partir de vibrac¸˜oes e deformac¸˜oes de materiais piezoel´etricos, essas deformac¸˜oes podem ser alcanc¸adas atrav´es da aplicac¸˜ao de press˜ao sobre os materiais, que pode ser originada de diversas formas, uma delas ´e o por meio de passos humanos. Esse estudo tem como objetivo propor um piso feito com materiais piezoel´etricos capaz de gerar energia, ela poder´a ser utilizada para alimentar dispositivos de baixa potˆencia, como sensores de IoT, dispositivos wireless ou at´e mesmo fontes luminosas.
2. Referencial te´orico
2.1. Formas de energias renov´aveis
Visto que os recursos tradicionais usados para gerar energia s˜ao limitados e n˜ao renov´aveis, uma alternativa para esses problemas seria a produc¸˜ao de energia por fontes renov´aveis. Elas s˜ao repostas constantemente pela natureza, o que significa que elas s˜ao fontes inesgot´avel. Como exemplo temos a energia hidrel´etrica, que ´e obtida aprovei-tando a energia gravitacional das quedas d’´agua e da ´agua corrente, a e´olica, que utiliza os ventos para gerac¸˜ao de energia, a solar, que converte a luz do sol em eletricidade e o foco desse estudo a energia piezoel´etrica.
2.2. Gerac¸˜ao de energia com piezoeletricidade
A piezoeletricidade foi descoberta por dois irm˜aos, Jacques e Pierre Curie, por volta de 1880. Essa descoberta se deu quando eles perceberam que quando era aplicada uma press˜ao sobre o quartzo e em alguns cristais, uma carga el´etrica era gerada naquele terial. A piezoeletricidade ´e gerada com a aplicac¸˜ao de press˜ao sobre determinado ma-terial piezoel´etrico e a press˜ao aplicada ao mama-terial ´e proporcional `a energia gerada, ou seja, quanto mais forte eu pressionar maior ser´a a tens˜ao gerada, a figura abaixo exem-plifica melhor o conceito. Nessa imagem temos um material artificial muito utilizado o PZT(titanato de zirconato de chumbo), ele ´e o respons´avel por gerar a tens˜ao el´etrica, ent˜ao quando o material ´e comprimido as mol´eculas dele se organizam de uma maneira em que os dois lados dele ficam polarizados, gerando assim uma diferenc¸a de potencial, ent˜ao com o auxilio das placas met´alicas essa tens˜ao gerada pode ser utilizada para al-guma finalidade.
Figure 1. Materiais piezoel ´etricos [Kamal and Buniyamin 2018]
2.3. Trabalhos relacionados
Fizemos uma busca aprofundada para encontrar os principais estudos na ´area da piezoelet-ricidade aplicada `a pisos, dessa busca 3 artigos foram selecionados para servir de base para a construc¸˜ao do piso.
O primeiro artigo [Maghsoudi Nia et al. 2019] tem como foco a modelagem de um piso que ´e mostrado na Figure 2(A), capaz de gerar energia, a estrutura do piso ´e composta por 4 camadas, a camada superior ´e feita de borracha para proporcionar um maior conforto, a segunda camada ´e composta por uma chapa de ac¸o, que foi adicionada para proporcionar uma melhor distribuic¸˜ao de carga, a terceira camada ´e composta por
uma matriz acr´ılica que tem como objetivo fixar os 36 sensores piezoel´etricos e por ´ultimo uma base de madeira. Esse estudo concluiu que para obter uma maior valor de tens˜ao
´e necess´ario que os sensores sejam organizados de forma paralela e os polos negativo e positivo de cada sensor fiquem alternados, com essas configurac¸˜oes uma pessoa com aproximadamente 50kg gerou cerca de 15V caminhando sobre o piso.
O artigo [Ahmed et al. 2019] prop˜oe um piso gerador de energia que ´e mostrado na Figure 2(B), nele os sensores s˜ao organizados em 8 colunas ligadas em paralelo e em cada coluna possui 8 sensores revestidos com uma camada de 7 a 8mm de isopor, a energia gerada por ele ´e armazenada em baterias. O diferencial desse piso ´e a possibilidade de visualizar quanta energia est´a sendo gerada, esses dados s˜ao expostos em uma tela LCD que esta conectada `a um Ardu´ıno. Esse piso foi capaz de gerar entre 15 a 16V de tens˜ao.
E por ´ultimo o [Abadi et al. 2018], ele prop˜oe um piso com a parte superior de borracha que ´e mostrado na Figure 4, com uma camada de acr´ılico e uma camada de sensores piezoel´etricos organizados em paralelo, o n´umero de sensores testados variou de 2 `a 20. A energia gerada por esse piso ´e armazenada em uma bateria e pode ser usada para alimentar dispositivos de baixa potencia. O artigo mostrou que quando uma pessoa de aproximadamente 60kg caminha sobre o piso durante 30 segundos ´e gerado em m´edia 67,20V de tens˜ao, podendo chegar at´e 71,20V.
Figure 2. (A) Maghsoudi Nia et al 2019, (B) Ahmed et al 2019
3. Metodologia
A proposta desse projeto ´e modelar um piso para captac¸˜ao de energia gerada pelo camin-har das pessoas, baseado nos artigos citados anteriormente, a ideia ´e absorver as principais qualidades de cada projeto e montar um piso de qualidade superior.
3.1. Descric¸˜ao geral
A figura mostra um diagrama de blocos do funcionamento do piso. Ele ´e composto por 4 etapas. A primeira, pisada, ´e o momento em que uma press˜ao ´e exercida sobre o piso, que
´e originada por um pisada humana, ap´os isso temos a segunda etapa, que s˜ao os sensores piezoel´etricos, nesse passo eles s˜ao deformados e geram uma tens˜ao alternada, a terceira etapa ´e quando o circuito retificador recebe a tens˜ao dos sensores e ent˜ao converte em uma tens˜ao cont´ınua e na ´ultima etapa, o armazenamento, a tens˜ao convertida ´e armazenada em uma bateria.
O piso ser´a composto por duas camadas superiores, uma de borracha, que foi escolhida para fornecer um maior conforto aos usu´arios, uma acr´ılica que servir´a para
Figure 3. Funcionamento b ´asico
garantir uma maior uniformidade na aplicac¸˜ao da press˜ao sobre os piezos, uma camada central de piezos, que ´e respons´avel pela convers˜ao da energia mecˆanica exercida em en-ergia el´etrica e mais duas camadas inferiores. Um modelo de como o piso ser´a estruturado
´e mostrado na figura abaixo.
Figure 4. Piso [Abadi et al. 2018]
A imagem abaixo exemplifica como o piso ir´a funcionar. Quando uma pessoa caminha sobre o piso ela exerce uma forc¸a sobre ele, que acaba deformando os sensores e dessa deformac¸˜ao a energia el´etrica ´e gerada.
Figure 5. Exemplo [Abadi et al. 2018]
3.2. Circuito Gerador
Na escolha de qual sensor utilizar, podemos notar que o titanato de zirconato de chumbo (PZT) ´e o mais utilizado entre os projetos, segundo o [Maghsoudi Nia et al. 2019], o PZT consegue se destacar em relac¸˜ao ao PVDF por ser mais eficiente na con-vers˜ao de energia mecˆanica para el´etrica. Diante disso a escolha que melhor se ad´equa ao projeto ´e o PZT, ent˜ao usaremos 20 discos PZT com 12mm de diˆametro cada. O [Kamal and Buniyamin 2018] faz uma an´alise minuciosa em como as c´elulas piezoel´etricas podem ser organizadas, ele conclui que a organizac¸˜ao que garante mel-hores resultados s˜ao as c´elulas organizadas em paralelo, com a distˆancia entre as colunas de 7cm e entre as linhas de 5cm.
A maioria dos dispositivos eletrˆonicos necessitam de corrente continua para fun-cionar corretamente e como a corrente gerada pelo piso ´e alternada ser´a necess´ario uma interface para fazer essa convers˜ao. Ent˜ao um circuito retificador de ponte de onda com-pleta ser´a utilizado para tal prop´osito. Ele ´e composto por 4 diodos IN4148, que segundo
o [Shreeshayana R 2017] ´e um diodo de alta frequˆencia de sinal e consegue retificar todas as frequˆencias e menos queda de tens˜ao se comparado ao IN4007. O circuito tamb´em ter´a um filtro capacitivo que tem a func¸˜ao de estabilizar a sa´ıda do retificador, o capacitor usado ser´a de 1000µF e um resistor de 100MΩ. Para armazenar a energia gerada uma bateria deve ser conectada `a sa´ıda do retificador.
Figure 6. Circuito retificador [Unruan et al. 2016]
As medic¸˜oes do circuito ser˜ao realizadas por meio de equipamentos apropriados como mult´ımetros e oscilosc´opios, isso na etapa de teste. Para o usu´ario, ser´a proposto um meio de visualizac¸˜ao de quanta energia est´a sendo gerada, a priori os dados ser˜ao mostrados em uma tela LCD da mesma forma como foi feito no [Ahmed et al. 2019], essa tela estar´a conectada `a um Ardu´ıno, que ter´a a func¸˜ao de receber os pulsos el´etricos gerado pelo piso.
4. Conclus˜oes
O objetivo desse piso ser´a a gerac¸˜ao de energia para dispositivos de baixa potencia, como foi visto nos artigos citados anteriormente esse ´e um objetivo bem palp´avel, tendo em vista que os projetos j´a citados conseguiram gerar entre 15V `a aproximadamente 72V de tens˜ao. Ent˜ao futuramente iremos adquirir os componentes necess´arios para a construc¸˜ao desse piso, vamos mont´a-lo e realizar alguns testes para verificar se o nosso objetivo foi alcanc¸ado.
References
Abadi, P., Darlis, D., and Suraatmadja, M. (2018). Green energy harvesting from human footsteps. MATEC Web of Conferences, 197.
Ahmed, S., Sabir, A., Ashraf, T., Haider, M., Perveen, F., Farooqui, Z., and Uddin, R.
(2019). Energy harvesting through floor tiles. pages 1–6.
Kamal, P. N. M. and Buniyamin, N. (2018). Using piezoelectric elements as footsteps energy harvester: an investigation. In 2018 IEEE 8th International Conference on System Engineering and Technology (ICSET), pages 1–6.
Maghsoudi Nia, E., Wan Abdullah Zawawi, N. A., and Singh, B. (2019). Design of a pavement using piezoelectric materials. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 50:320–328.
Shreeshayana R, Raghavendra L, M. V. G. (2017). Piezoelectric energy harvesting using pzt in floor tile design. International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, pages 8872–8879.
Unruan, M., Unruan, S., Pisitpipathsin, N., and Inkong, Y. (2016). Prototype of en-ergy harvester designed for ultra-low excitation frequency. Integrated Ferroelectrics, 175(1):165–173.