Geração de energia através do efeito Piezoelétrico inserido no concreto translúcido aplicado em faixas de segurança

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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PATRICK KAZMIERCZAK DA SILVA

GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DO EFEITO PIEZOELÉTRICO INSERIDO NO CONCRETO TRANSLÚCIDO APLICADO EM FAIXAS DE SEGURANÇA

Ijuí 2017

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PATRICK KAZMIERCZAK DA SILVA

GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DO EFEITO PIEZOELÉTRICO INSERIDO NO CONCRETO TRANSLÚCIDO APLICADO NAS FAIXAS DE SEGURANÇA

Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.

Orientador: Prof. Me. Mauro Fonseca Rodrigues

Ijuí 2017

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GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DO EFEITO PIEZOELÉTRICO INSERIDO NO CONCRETO TRANSLÚCIDO APLICADO NAS FAIXAS DE SEGURANÇA

Esta monografia foi julgada adequada para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA, e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pela banca avaliadora do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ.

Ijuí, 18 de dezembro de 2017.

COMISSÃO EXAMINADORA:

_____________________________________________ Prof. Me. Mauro Fonseca Rodrigues Orientador

_____________________________________________ Prof. Dr. Manuel Martin Perez Reimbold Avaliador da Banca

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AGRADECIMENTOS

Agradeço em primeiro lugar а Deus qυе iluminou о mеυ caminho durante esta caminhada.

À minha família, principalmente meu pai Vanderlei, minha mãe Verlane e a minha Irmã Karine que, com muito carinho е apoio, não mediram esforços para qυе еυ chegasse até esta etapa da minha vida.

À minha namorada Amanda, que sempre me apoiou, acreditou na minha capacidade e que sempre esteve ao meu lado durante a realização deste trabalho.

Ao meu orientador Prof. Me. Mauro Fonseca Rodrigues, pelo seu empenho, pela sua dedicação, pelo auxílio e incentivo na realização deste trabalho.

Aos meus amigos pelo apoio, companheirismo, compreensão e sincera amizade.

Em especial ao meu avô Edvino “in memoriam”, pelo carinho, pela amizade, pelo incentivo e que sempre me apoiou.

Por fim, agradeço a todos do corpo docente, funcionários e demais colaboradores da UNIJUÍ.

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RESUMO

Silva, P. K. Geração de energia através do efeito piezoelétrico inserido no

concreto translúcido aplicado nas faixas de segurança. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUI, Ijuí, 2017.

Este trabalho consiste em um estudo bibliográfico e prático sobre a utilização de cápsulas piezoelétricas, mais precisamente o estudo na utilização da geração de energia através do efeito piezoelétrico, inseridas ao concreto translúcido aplicado nas faixas de segurança. A piezoeletricidade é definida pela capacidade de alguns cristais tornarem-se eletricamente polarizados quando sujeitos a algum tipo de pressão, ou seja, convertem energia mecânica em elétrica. Assim sendo, no decorrer deste trabalho foram realizados testes com cápsulas piezoelétricas através de diferentes configurações para encontrar a melhor forma de obter uma energia mais elevada e as formas para realizar o armazenamento e a aplicação sugerida em faixas de segurança com concreto translúcido. Com o uso de três pesos diferentes (100 g, 200 g e 500 g), foi possível fazer a analogia de quanto de energia um veículo pode proporcionar ao sistema quando o mesmo oferece ao material piezoelétrico uma pressão superficial. E neste segmento, foi utilizado em conjunto com as cápsulas piezoelétricas o regulador tensão LTC 3588 que possui no seu interior uma ponte retificadora de onda completa e um conversor Buck e foi conectada uma bateria recarregável em sua saída, sendo possível comprovar o armazenamento de energia. Assim, foi possível demonstrar o funcionamento real e prático na geração de energia elétrica a partir do uso das cápsulas piezoelétricas, que quando sofrem pressões convertem energia mecânica em energia elétrica.

Palavras chave: Geração de energia. Fontes renováveis de energia.

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ABSTRACT

Silva, P. K. Energy generation through the piezoelectric effect inserted in the

translucent concrete applied in security strip. 2017.

Completion of course thesis. Electrical Engineering Course, Universidade do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUI, Ijuí, 2017.

This work consists of a bibliographical and practical study on the use of piezoelectric capsules, more precisely the study on the use of energy generation through the piezoelectric effect inserted in the translucent concrete applied in the safety bands. Piezoelectricity is defined by the ability of some crystals to become electrically polarized when subjected to some kind of stress. Thus, in the course of this work, tests were carried out with piezoelectric capsules, and through different configurations they demonstrate, the best way to obtain a higher energy. After the first tests that prove the piezoelectric effect, it went deeper into the practical tests. With the use of three different weights (100 g, 200 g and 500 g), it is possible to make the analogy of how much energy a vehicle can provide to the system when it gives the piezoelectric material a mechanical stress. In this segment, the voltage regulator LTC 3588 (Complete solution for collecting and storing the energy generated by piezoelectricity) was used together with the piezoelectric capsules, which has a full-wave rectifier bridge and a buck converter and connecting a rechargeable battery to the output of this regulator can store power. Thus, it is possible to demonstrate the real and practical operation in the generation of electric energy and from the use of the piezoelectric capsules, which when pressures convert mechanical energy into electric energy.

Keywords: Power generation; Renewable energy sources; piezoelectricity;

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Polarização de um material piezoelétrico. ... 16

Figura 2 – Modos de conversão de energia. ... 16

Figura 3 - Efeito piezoelétrico de modo direto. ... 17

Figura 4 - Efeito piezoelétrico de modo inverso. ... 17

Figura 5 – Estrutura atômica do quartzo. ... 18

Figura 6 - Esquema de uma autoclave (a) Quartzo cultivado com base em sementes barra Y e placa Z ... 20

Figura 7 - Geração de energia a partir de placas instaladas em calçadas. ... 22

Figura 8 - Deformação do piezoelétrico transformando energia mecânica em energia elétrica. ... 22

Figura 9 - Asfalto sendo preparado. ... 23

Figura 10 - Material piezoelétrico inserido no asfalto. ... 23

Figura 11 - IPED PAD. ... 24

Figura 12 - Cápsula piezoelétrica ... 26

Figura 13 - Deformação da cápsula piezoelétrica ... 27

Figura 14 – Primeiro teste na cápsula piezoelétrica ... 27

Figura 15 – Ligação de um osciloscópio, multímetro digital e uma cápsula piezoelétrica ... 28

Figura 16 - Ligação de um osciloscópio, multímetro analógico e uma cápsula piezoelétrica ... 29

Figura 17 - Ligação de um osciloscópio, multímetro analógico, uma carga e uma cápsula piezoelétrica ... 29

Figura 18 – Cápsula piezoelétrica alimentando um LED ... 30

Figura 19 - Cápsula piezoelétrica alimentando um LED ... 30

Figura 20 - Estrada Iluminada ... 32

Figura 21 – Asfalto sendo preparado para instalação das cápsulas piezoelétricas .. 33

Figura 22 - Deformação do material piezoelétrico provocada por veículos e pedestres ... 34

Figura 23 – Pinos do LTC 3588 ... 35

Figura 24 - Diagrama de blocos do LTC 3588 ... 36

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Figura 26 - LEDs de alto brilho ... 38

Figura 27 - Junção p-n e polarização direta com bateria. ... 39

Figura 28 – Concreto translúcido ... 40

Figura 29 - Fibra ótica. ... 41

Figura 30 - Fibra ótica monomodo ... 41

Figura 31 - Fibra ótica multimodo ... 42

Figura 32 - Pedestre atravessando a faixa de segurança. ... 43

Figura 33 - Acionamento de um LED ligado diretamente em uma cápsula piezoelétrica ... 44

Figura 34 – Tensão elétrica gerada por uma cápsula piezoelétrica ... 45

Figura 35 – Aplicação de uma pressão no piezoelétrico a partir de três pesos ... 49

Figura 36 – Forma de onda obtida por uma pressão de 100g ... 50

Figura 37 - Forma de onda obtida por uma pressão de 200g ... 50

Figura 38 - Forma de onda obtida por uma pressão de 500g ... 51

Figura 39 - Faixa de segurança base deste estudo ... 53

Figura 40 – Vista frontal das três camadas ... 53

Figura 41 – Teste inicial com bateria ... 54

Figura 42- Bateria com sua carga inicial ... 55

Figura 43 - Forma de onda inicial da bateria ... 55

Figura 44 - Bateria descarregada 1,1 V (50% da carga inicial) ... 56

Figura 45 - Forma de onda (50 % da carga inicial) ... 56

Figura 46 - Bateria carregando ... 57

Figura 47 - Bateria em pleno carregamento ... 57

Figura 48 - Forma de onda (91,62% da carga inicial) ... 58

Figura 49 - Bateria descarregada 1,05 V e carregando com duas cápsulas em paralelo ... 58

Figura 50 – Bateria sendo carregada ... 59

Figura 51 - Forma de onda (carregamento de 0,95 V) ... 59

Figura 52 - Bateria descarregada 1,00 V e carregando com duas cápsulas em série ... 60

Figura 53 – Bateria carregando ... 60

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Datasheet CUI INC - CEB-35D26... 26 Tabela 2 – Variação da tensão x peso ... 49

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CA Corrente Alternada CC mA Vrms Vpp Vmax LED PZT KHz Pa EUA m F r A p MME MCD Corrente Contínua Miliampère Tensão eficaz

Tensão de pico a pico Tensão máxima Diodo Emissor de Luz

Titanato Zirconato de Chumbo Kilohertz

Pascal

Estados Unidos da América Massa

Força Raio Área Pressão

Ministério de Minas e Energia Microcandela

min h

Minuto Hora

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LISTA DE SÍMBOLOS

PbTiO2 Titanato de chumbo PbZrO3 BaTiO3 ABO3 % zirconato de chumbo Titanato de bário Simetria tetragonal Porcentagem

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 12 1.1 OBJETIVOS ... 12 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 13 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 15 2.1 HISTÓRIA DA PIEZOELETRICIDADE ... 15 2.2 EFEITO PIEZOELÉTRICO ... 16 2.3 MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS ... 18 2.3.1 Materiais monocristalinos ... 19 2.3.2 Quartzo ... 19 2.3.2 Materiais policristalinos (PTZ) ... 20 2.4 APLICAÇÃO DA PIEZOELETRICIDADE ... 21

2.4.1 Geração de energia nas calçadas ... 21

2.4.2 Geração de energia nas estradas ... 22

2.4.3 Geração de energia em trilhos de trem ... 24

3 COMPOSIÇÃO DE UM ELEMENTO PIEZOELÉTRICO ... 26

4 GERAÇÃO DE ENERGIA NAS ESTRADAS ATRAVÉS DO EFEITO PIEZOELÉTRICO INSERIDO EM FAIXAS DE SEGURANÇA ... 32

4.1 EFEITO PIEZOELÉTRICO ... 33

4.2 ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ... 34

4.3 ACIONAMENTO DOS LEDS ... 38

4.4 CONCRETO TRANSLÚCIDO COM FIBRAS ÓTICAS ... 40

4.5 FAIXAS DE SEGURANÇA ... 42

5 RESULTADOS OBTIDOS NA DEFORMAÇÃO DO MATERIAL PIEZOELÉTRICO ... 44

6 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ... 53

7 CONCLUSÃO ... 62

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1 INTRODUÇÃO

O homem procura sempre a evolução, descobrindo fontes e formas alternativas de adaptação ao meio ambiente, uma delas é a energia, nas suas mais diversas, é indispensável para à sobrevivência da espécie humana. Desta forma, a exaustão, escassez ou inconveniência de um dado recurso tendem a ser compensadas pelo surgimento de outro(s) (ANEEL,2002).

Buscando alternativas de possuir equipamentos autossustentáveis, a geração distribuída, entre outros aspectos, visa reduzir os gastos com energia elétrica, tornando os equipamentos economicamente melhores, viabilizando os pequenos aproveitamentos de energia.

Para Farret (2014) pequenos aproveitamentos de energia é toda a forma de utilização de qualquer uma das várias fontes de energia encontradas na natureza, passíveis de serem economicamente convertidas em energia elétrica.

Os recursos renováveis disponibilizam diversas opções para o cenário de geração, através da energia solar, eólica, das ondas e das mares, são exemplos de recursos naturais que estão disponíveis na natureza e ao qual podem ser explorados.

Este estudo apresentará a proposta de obter pequenos aproveitamentos de energia elétrica com o uso da piezoeletricidade. Energia que é desenvolvida pelo efeito piezoelétrico, ou seja, quando um material piezoelétrico sofre uma deformação suas propriedades convertem tensões mecânicas em impulsos elétricos e vice-versa quando sob pressão ou tração.

1.1 OBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivo revisar a bibliografia e desenvolver um sistema de geração de energia renovável e limpa. Geração de energia que será provida da piezeletricidade que consiste no aparecimento de uma polarização elétrica quando determinado material é submetido a forças de compressão ou tensão.

O desenvolvimento será baseado na aplicação de cápsulas piezoelétricas inseridas nas pistas de rolamento, ou seja, será aproveitado o fluxo de automóveis que ao se deslocarem sobre o material piezoelétrico acabam aplicando no material

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uma pressão pelos pneus dos veículos transformando a energia mecânica em elétrica. Esta energia gerada irá alimentar os diodos emissores de luz (LEDs) demarcando através de sua luminância a faixa de segurança no concreto translúcido.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Durante a realização deste trabalho foram estudadas as seguintes bibliografias.

• Revisar a bibliografia sobre o efeito piezoelétrico; • Revisar a bibliografia sobre a faixa de segurança; • Revisar a bibliografia sobre o concreto translúcido; • Revisar a bibliografia sobre a fibra ótica;

• Revisar a bibliografia sobre o armazenamento de energia; • Revisar a bibliografia sobre os LEDs.

1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

No capítulo 2, contém a revisão bibliográfica, tendo por objetivo fazer uma contextualização acerca de temas importantes para o melhor entendimento dos itens posteriores. Estas englobam a história da piezoelétricidade, os materiais com estas características, bem como o efeito da piezoeletricidades após este sofrer deformação. No terceiro capítulo apresenta o material que será utilizado neste trabalho e a comprovação do efeito piezoelétrico através de testes práticos.

O capítulo 4, por sua vez, englobam explicações do aproveitamento da pressão e velocidade aplicada pelos veículos nas estradas para fim de gerar energia elétrica do efeito piezoelétrico no consumo de LEDs instalados abaixo do concreto translúcido ao qual a mesma irá demarcar as faixas de segurança.

No capítulo 5, avalia o material piezoelétrico através de experimentos laboratoriais, bem como sua capacidade de geração de energia após o mesmo sofrer deformações.

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O capítulo 6, por sua vez, comprova armazenamento de energia em baterias recarregáveis através de testes práticos.

No capítulo 7, se encerra com a conclusão e recomendações para a continuação deste trabalho.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 HISTÓRIA DA PIEZOELETRICIDADE

A piezoeletricidade foi descoberta no ano de 1880 pelos irmãos Pierre e Paul-Jacques Curie, ao qual descobriram que alguns cristais quando comprimidos em certas direções apresentavam uma diferença de potencial elétrico em algumas partes da superfície do cristal. Essas cargas eram proporcionais à pressão aplicada e desapareciam quando não havia mais pressão. (TICHÝ, et al., 2010 apud DOMINGOS; WEISS; WOLF, 2013).

Ainda em 1880 foi publicado pelos irmãos Pierre e Paul-Jacques Curie a primeira demonstração experimental de uma ligação entre os fenômenos piezoelétricos macroscópicas e estrutura cristalográfica. Seu experimento consistiu de uma medida conclusiva de cargas de superfície que aparecem em cristais especialmente preparados (turmalina, quartzo, topázio, cana-de-açúcar e de sal Rochelle entre eles), que foram submetidos a estresse mecânico. Estes resultados eram um crédito à imaginação e à perseverança dos Curies, considerando que foram obtidos com nada mais do que papel alumínio, cola, arame, ímãs e uma serra de joalheiro (PIEZO SYSTEMS).

Segundo Farret (2014) este efeito da piezoeletricidade foi usado no desenvolvimento de sonares durante a primeira guerra mundial por Paul Langevin, que o utilizou em uma primeira tentativa de aplicação prática. Langevin acoplou cristais de quartzo a massas metálicas (coincidentemente, inventando o transdutor tipo Langevin) para gerar ultrassom na faixa de algumas dezenas de KHz’s.

Havia uma grande dificuldade de se excitar os transdutores construídos com cristais de quartzo, pois estes demandavam o uso de geradores de alta tensão. No decorrer das décadas de 40 e 50, iniciou-se o desenvolvimento de materiais piezoelétricos sintéticos com a descoberta e aperfeiçoamento das cerâmicas piezoelétricas de Titanato de Bário, pela então URSS e Japão, e das cerâmicas piezoelétricas de Titanato Zirconato de Chumbo (PZT’s) pelos EUA (Farret, 2014).

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2.2 EFEITO PIEZOELÉTRICO

Segundo Carbonari (2003) a piezoeletricidade é uma propriedade que certos materiais apresentam, que pode ser definida como a polarização elétrica produzida por uma deformação mecânica em certos tipos de cristais.

O material piezoelétrico ao sofrer uma deformação tornasse eletricamente polarizado, criando assim um campo elétrico interno (ÖZEMIR, OY, 2016).

A figura 1, apresenta a polarização de um material que sofre com uma deformação, definida assim (a) estado de repouso e (b) estado de compressão quando o material sofre com uma deformação.

Figura 1 - Polarização de um material piezoelétrico.

Fonte: (ÖZEMIR, OY, 2016).

O efeito piezoelétrico é definido como a conversão de energia mecânica em energia elétrica ou vice-versa, a conversão de energia mecânica em energia elétrica se pelo modo direto, e a conversão de energia elétrica em energia mecânica se da pelo modo inverso. Assim, o sistema constitui de dois sistemas físicos acoplados os quais são: O mecânico e o elétrico (eletromecânico) (MOHEINMANI, et al.,2006 apud FILHO, 2014).

Figura 2 – Conversão de energia de uma cápsula piezoelétrica.

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O modo de conversão direto pode ser definido pela mudança da polaridade conforme a deformação aplicada. Assim o material é defino como piezoelétrico quando se aplica uma força externa e obtém-se uma polarização elétrica interna, tendo a intensidade relacionada diretamente a simetria do material (TICHÝ et al., 2010 apud DOMINGOS; WEISS; WOLF, 2013, p 24.).

Figura 3 - Efeito piezoelétrico de modo direto

Fonte: (CERAMTEC, 2017)

A conversão de modo direto visto na figura 3 apresenta o uso de uma força externa para gerar uma carga elétrica, a quantidade de energia elétrica a ser gerada dependerá da proporção de uma força aplicada.

O modo de conversão inverso é aquele que ao aplicar um campo elétrico externo, o cristal se deforma. Os efeitos se manifestam da mesma propriedade fundamental dos cristais acêntricos (TICHÝ et al., 2010 apud DOMINGOS; WEISS; WOLF, 2013).

Figura 4 - Efeito piezoelétrico de modo inverso

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A conversão de modo inverso visto na figura 4 apresenta um campo elétrico paralelo em relação à direção da polarização ao qual induz em uma expansão do material.

2.3 MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

Os materiais piezoelétricos são aqueles que sob pressão ou tensão mecânica liberam cargas elétricas, descoberto no ano de 1880 pelos irmãos Curies. Estes materiais são o cristal de quartzo, turmalina, sal de Rochelle, topázio entre outros. Estes têm efeito piezoelétrico em seu estado natural. Como exemplo, o cristal de quartzo possui sua estrutura constituída por uma hélice a qual se estende ao longo do eixo z, a mesma é ilustrada na figura 5, possuindo dois átomos de oxigênio (cargas negativas) e um de silício (carga positiva). No plano XY os átomos formam um hexágono que, no estado natural (ausência de stress) possuem cargas totalmente nulas. Com a aplicação de tração no cristal na direção x ou Y, faz com que tenha um desbalanceamento de cargas elétricas, gerando assim cargas elétricas externas. Porém aplicação de forças no eixo Z não gera cargas elétricas. O efeito inverso, tem a aplicação dos campos elétricos externos nas direções X ou Y fazendo com que o material se deforme, sendo que a magnitude dessa deformação seja proporcional a este campo (LEO, 2007 apud PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

Figura 5 – Estrutura atômica do quartzo

(a) Estado natural; (b) Efeito de compressão; (c) efeito de tração

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Existem materiais que passam por processo de polarização, pois o mesmo não exibe o efeito piezoelétrico no estado natural. Após este processo este material adquire uma característica piezoelétrica. Alguns exemplos titanatozirconato de chumbo (PZT), titanato de chumbo (PbTiO2), zirconato de chumbo (PbZrO3) e titanato de bário (BaTiO3) (KINO, 1987 apud SAKAMOTO, 2006).

2.3.1 Materiais monocristalinos

Os materiais monocristalinos foram os primeiros tipos de materiais piezoelétricos utilizados. E suas principais vantagens, são destacadas pela sua alta temperatura de Curie, alta estabilidade e alto fator de qualidade mecânica (JONA e SHIRANE, 1962 apud ROSANELLI, 2016).

Para se obter os cristais monocristalinos de alta qualidade requer processo de crescimento de alto custo e demandam muito tempo para sua obtenção. Certas propriedades físicas querem cuidados e orientações para a utilização adequada. Alguns exemplos de matérias piezoelétricos mais utilizados são: (JONA e SHIRANE, 1962 apud ROSANELLI, 2016):

• Quartzo;

• Niobalto de lítio; • Tantalato de lítio;

• Dihidrogenosulfato de amônio; • Sulfato de lítio monohidratado;

• Tartarato de sódio e potássio tetra-hidratado (Sal Rochelle);

2.3.2 Quartzo

O cristal de quartzo é um material nobre, desde então estes cristais de melhor qualidade são destinados à indústria óptica, eletrônica e de instrumentação (considerados os maiores consumidores), enquanto os de qualidade inferior destinam-se à indústria em geral (abrasivos, cerâmica, metalúrgica) (MME, 2009).

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A obtenção do cristal de quartzo é obtida na natureza ou jazidas, ou ainda por crescimento hidrotérmico na indústria de cristais cultivados (ou quartzo sintético) (MME, 2009).

E atualmente o cristal de quartzo, possui aplicações piezoelétricas, este cristal precisa ter elevada pureza, livre de imperfeições, inclusões minerais e/ou fluidos e geminações óticas e/ou elétricas (MME, 2009).

Atualmente a procura por quartzo de alta qualidade, em aplicações piezoelétricas, tem impulsionado os estudos para sua produção sintética (W. A. Deer – R. A. Howie – J. Zussman, 2000).

Figura 6 - Esquema de uma autoclave (a) Quartzo cultivado com base em sementes barra Y e placa Z

Fonte: (DIANA, F. R., 2004(a) adaptado de Brice, 1985(b) apud Domingos; Weiss; Wolf, 2013). O quartzo sintético consiste na recristalização do quartzo natural em solução aquosa à pressão e temperatura elevadas. Semelhante à cristalização hidrotermal dos minerais quando são formados no interior da crosta terrestre (MME, 2009).

2.3.2 Materiais policristalinos (PTZ)

Estes materiais são constituídos por inúmeros cristais microscópicos contendo propriedades ferroelétricas, denominada assim como policristalinas. As cerâmicas de PTZ (titanotozirconato de chumbo) possui uma estrutura cristalina de Perovskita apresentando fórmula geral ABO3 de simetria tetragonal, romboédrica ou

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cúbica simples, depende a temperatura que o material se encontra (MOULSON e HERBERT, 1990 apud ROSANELLI, 2016).

Podem ser citados os seguintes materiais piezoelétricos policristalinos como exemplos mais utilizados (MOULSON e HERBERT, 1990 apud ROSANELLI, 2016). • Titanato de bário;

• Titanato de cálcio; • Titanato de chumbo;

• TitanatoZirconato de chumbo (PZT).

2.4 APLICAÇÃO DA PIEZOELETRICIDADE

O efeito piezoelétrico pode ser usado tanto na geração de energia elétrica como em sensores para medir movimento de aceleração, vibração, pressão, impacto sobre uma superfície e forças flutuantes (FARRET, 2014).

Segundo Farret (2014) mais recentemente, a geração piezelétrica tem sido pensada para aproveitamento da atividade humana natural para produzir eletricidade. Exemplos disso estão na utilização dos materiais piezelétricos em piso de clubes noturnos, passeios e pontes, onde a pressão causada pela movimentação de pessoas, a vibração de máquinas ou a passagem de veículos podem ser usadas para gerar eletricidade de forma barata, limpa e autossustentada.

2.4.1 Geração de energia nas calçadas

Este tipo de geração vem ganhando espaço pelos pesquisadores da Innowattech, contando já com sua utilização em estradas e ferrovias, agora exploram a geração de energia em calçadas e pisos aplicando à tecnologia em lugares onde se possui um grande fluxo de pessoas a energia gerada pode ser bem elevada (PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

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Figura 7 - Geração de energia a partir de placas instaladas em calçadas

Fonte: (PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016)

Estimando-se que pode ser gerado 1 kW para cada 100 metros de piso com material piezoelétrico se três mil pessoas passarem a cada hora pelo local (PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

2.4.2 Geração de energia nas estradas

A geração de energia elétrica nas estradas acontece a partir da instalação de geradores piezoelétricos, convertendo a energia mecânica provocada pela pressão aplicada pelos veículos em eletricidade (KATZ, 2009 apud PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

Figura 8 - Deformação do piezoelétrico transformando energia mecânica em energia elétrica

A quantidade de eletricidade gerada irá depender diretamente do peso e velocidade dos veículos, a partir da pressão provocada na superfície das estradas, onde estão instalados os geradores piezoelétricos. Produzindo eletricidade de forma

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natural e utilizando de meios aos quais não estão sendo aproveitados (PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

A empresa Innowattech em 2010 realizou um projeto piloto, inseriu em duas colunas no asfalto um trecho de 10 metros de comprimento, nestas duas colunas foram instalando geradores piezoelétricos de 5,5 cm de espessura (PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

Figura 9 - Asfalto sendo preparado

Figura 10 - Material piezoelétrico inserido no asfalto

Fonte: (PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

A quantidade de energia produzida deverá levar em consideração o peso, frequência, velocidade dos veículos e as condições físicas da estrada. Segundo cálculos realizados pela empresa Innowattech, onde exista um fluxo de 20 carros por uma via expressa a cada minuto, pode gerar 200 kW/h o qual é suficiente para abastecer uma casa por um mês. A partir de pesquisas e estudos o professor pesquisador Haim Abramovich, afirma que com 1,6 quilômetros empregando o material supracitado, porém com quatro colunas no asfalto e possuindo uma

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circulação de mil veículos por hora pode gerar aproximadamente 0,4 MW, suficiente para abastecer 600 casas (PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

Essas constatações são hipóteses e ainda devem ser estudadas mais profundamente. No entanto, apresentam claramente o potencial desta tecnologia para gerar energia elétrica. O empecilho ainda é o armazenamento de energia, que poderia ser realizado pela Rede de Distribuição de energia elétrica se a Resolução 687 previsse o uso deste tipo de gerador para compensação energética. Assim, o armazenamento de energia poderia ser realizado pelas estruturas centralizadas de grandes geradoras, no Brasil, as hidrelétricas.

2.4.3 Geração de energia em trilhos de trem

Utilizando do mesmo princípio de geração de energia nas estradas, a empresa Innowattech desenvolveu coxins utilizados em trilhos de trem com material piezoelétrico (figura 11), este desenvolvimento teve como parceira a Companhia Nacional Ferroviária de Israel com objetivo de fazer a substituição dos coxins dos trilhos tradicionais feitos de borracha, por este novo material desenvolvido pela Innowattech (PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

Figura 11 - IPED PAD

Como pode ser visto na figura 11, o desenvolvimento criado pela Innowattech nomeado como IPED PAD possui as mesmas dimensões dos coxins tradicionais utilizados, a diferença é que são produzidos com elementos piezoelétricos que

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acabam utilizando o princípio da conversão direta transformando tensões mecânicas em energia elétrica. Em testes preliminares substituindo 32 coxins em uma determinada área, onde possui um trafego de 10 a 20 trens por hora pode ser produzindo até 120KW/h (PERLINGEIRO; PIMENTA; SILVA, 2016).

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3 COMPOSIÇÃO DE UM ELEMENTO PIEZOELÉTRICO

O presente trabalho tem como objetivo estudar as cápsulas piezoelétricas de 35 mm de diâmetro, captando e armazenando energia elétrica gerada pela mesma. Esses materiais, figura 12, são importados e apresentam poucas informações técnicas que permitam a sua aplicação em maior escala na geração de energia elétrica, principalmente por ser uma fonte renovável.

Figura 12 - Cápsula piezoelétrica

Fonte: (ELABORADO PELO AUTOR)

Analisando a figura 12, a cápsula piezoelétrica é composta por uma placa metálica em conjunto com um adesivo no centro da mesma. Contendo o eletrodo de condução elétrica em suas bordas.

Para se saber a ordem das grandezas presentes, as respectivas especificações da cápsula piezoelétrica é verificada diretamente em seu datasheet e são apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1 – Datasheet CUI INC - CEB-35D26

Descrição: Elemento Piezoelétrico – Mod. Fabricante CEB-35D26

Frequência 2,6 kHz

Tensão máxima 30 Vpp

Impedância 300 Ohms

Capacitância 30000 pF

Temperatura de operação -20 ~ +70o C

Tamanho 35 mm

Peso 2,0 g

Material Latão

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O datasheet representa as seguintes características da cápsula piezoelétrica a ser utilizada nos testes práticos deste trabalho.

Existem vários outros modelos de placas cerâmicas piezoelétricas, ou seja, a escolha irá depender de suas especificações e qual necessidade de aplicação.

A partir deste então, a figura 13 representa a ilustração de como a pressão será exercida nas cápsulas piezoelétricas. Esta pressão será aplicada em sua parte superior de preferência no centro, fazendo com que a mesma sofra uma deformação que irá converter energia mecânica em energia elétrica.

Figura 13 - Deformação da cápsula piezoelétrica

Fonte: (HACKADAY, 2015 adaptada PELO AUTOR)

Através da deformação do material piezoelétrico pode-se concluir que é possível obter tensão elétrica. A fim de comprovar esta afirmação foram realizados alguns testes práticos em uma cápsula piezoelétrica de 35 mm de diâmetro.

O primeiro teste servirá como base para saber o quanto uma cápsula piezoelétrica poderá gerar de energia. Desta forma para ter estas informações foi realizado o seguinte procedimento.

Figura 14 – Primeiro teste na cápsula piezoelétrica

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A figura 14 representa a ligação de um osciloscópio em paralelo e o amperímetro em série com a cápsula piezoelétrica. Para que tenha a leitura das informações é realizado um esforço mecânico sobre o piezoelétrico, assim sendo, o osciloscópio faria a leitura das tensões e o amperímetro apresentaria a corrente elétrica que a cápsula piezoelétrica geraria quando sofre um stress mecânico. No entanto, verificou-se que o osciloscópio tem alta impedância e não permitiu a medida de corrente pelo amperímetro. Outros testes foram realizados na sequência.

Figura 15 – Ligação de um osciloscópio, multímetro digital e uma cápsula piezoelétrica

A figura 15 foi montada de acordo com o esquema apresentado anteriormente e o osciloscópio apresenta a leitura de tensão que a cápsula piezoelétrica gera, mas o multímetro digital que se encontra na função de amperímetro não apresenta corrente elétrica. Isso ocorre porque o osciloscópio possui uma impedância de entrada muito elevada, tendendo a infinito, não permitindo uma corrente que seja percebida pelo amperímetro.

Além disso, o uso do multímetro digital tem limitações quando se pretende constatar grandezas que variam e que sejam rápidas demais, não tendo o tempo suficiente para que o circuito de amostragem opere corretamente. Desta forma será substituído por um multímetro analógico que é o mais indicado quando as grandezas são variáveis. Além disso, a percepção da corrente instantânea é melhor obtida visualmente.

(30)

Figura 16 - Ligação de um osciloscópio, multímetro analógico e uma cápsula piezoelétrica

Porém como constatado na figura 16, mesmo com a alteração do multímetro digital por um analógico a corrente elétrica não é apresentada. Deixando a entender que faz necessária a inserção de uma carga padrão em série no circuito porque a impedância de entrada do osciloscópio é demasiadamente elevada. Com isso, gerou-se a gerou-seguinte experiência, repregerou-sentada na figura 17, com uma carga e o osciloscópio em paralelo com a mesma.

Figura 17 - Ligação de um osciloscópio, multímetro analógico, uma carga e uma cápsula piezoelétrica

Desta forma, o valor da corrente elétrica (valor eficaz) medida foi 29,7 μA, considerando assim uma corrente muito baixa, porém a mesma será estipulada levando em consideração, que para alimentar um diodo emissor de luz (LED), a cápsula piezoelétrica ligada diretamente nos terminais do LED gera uma corrente elétrica rápida demais não conseguindo ser medida precisamente, mas esta consegue acender o LED, tornando perceptível sua luminosidade ao olho humano.

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Figura 18 – Cápsula piezoelétrica alimentando um LED

Para que o LED de alto brilho de 5 mm transparente que acende branco de 10.000 MCD (microcandela), seja aceso terá que receber uma corrente elétrica de no mínimo 30 mA. Assim foram realizados alguns esforços sobre o material, onde comprova a conversão de energia mecânica em energia elétrica, emitindo corrente elétrica suficiente que acenda o LED, conforme demonstra a Figura 19.

Figura 19 - Cápsula piezoelétrica alimentando um LED

(32)

No decorrer dos testes realizados é possível afirmar que a corrente elétrica gerada pelo piezoelétrico são pulsos de corrente extremamente rápidos. Nos ensaios diretamente com osciloscópio não foi possível medir corrente. No entanto, com a carga e com o LED foi possível perceber que há uma corrente proporcional ao esforço mecânico (pressão) exercido sobre o dispositivo piezoelétrico.

(33)

4 GERAÇÃO DE ENERGIA NAS ESTRADAS ATRAVÉS DO EFEITO PIEZOELÉTRICO INSERIDO EM FAIXAS DE SEGURANÇA

De acordo com o item 2.4.2 supracitado, este trabalho tem o mesmo princípio: o aproveitamento da pressão e velocidade aplicada pelos veículos nas estradas para fim de gerar energia elétrica para consumo de LEDs instalados abaixo do concreto translúcido ao qual a mesma irá demarcar as faixas de segurança.

A iluminação da faixa de segurança e da sinalização de trânsito pode melhorar a observação das placas e sinais, além de possibilitar o aproveitamento energético das células com efeito piezoelétrico. A aplicação do concreto translúcido visa aproveitar essa tecnologia e empreender novos modos de uso da mesma, que hoje é utilizada como forma de sustentação na construção civil, aproveitando a iluminação externa.

A figura 20 apresenta a ilustração de uma estrada totalmente iluminada, conceito este que consiste na transformação das estradas convencionais em estradas inovadoras. Assim o projeto partiria do uso do concreto translúcido que permite a passagem de luz, além de desenvolver características mecânicas superiores às do concreto tradicional e o uso da piezoeletricidade afim de gerar energia para iluminar estas faixas, eliminando as necessidades de pinturas posteriores.

Figura 20 - Estrada Iluminada

Fonte: (ARCHDAILY, 2012)

Como apresentado a fonte geradora de energia será do tipo piezoelétrico ao qual terá sua conversão de modo direto a partir da deformação do material, onde ocorrerá a transformação da energia mecânica em energia elétrica. Esta eletricidade

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será armazenada em baterias ou capacitores para alimentação de LEDs que iráão iluminar o concreto translúcido presente nas faixas de segurança propostas.

Será substituindo partes das estradas pelo concreto translúcido o qual terá abaixo faixas de LEDs instaladas e a comunicação por fibra óptica. O concreto translúcido possui a capacidade de permitir a passagem de luz possibilitando pintar a faixa de segurança a partir de sua iluminação. Além disso, sinalizações pintadas nas vias também poderão ser alvo deste tipo de tecnologia, sinalizando mais claramente seu objetivo e evitando a contínua necessidade de repintura da sinalização.

A aplicação deste estudo terá o seguinte sistema de funcionamento: inserção de cápsulas piezoelétricas no asfalto.

Figura 21 – Asfalto sendo preparado para instalação das cápsulas piezoelétricas

Assim sendo, por primeiro as cápsulas serão inseridas abaixo da camada do asfalto levando como ideia o subitem 2.4.2, onde serão abertas duas colunas com distâncias adequadas ao distanciamento dos pneus dos veículos. Como já visto na figura 9 e reapresentado na figura 21, a ideia será a mesma, apenas seu local de instalação é destinado à faixa de segurança.

4.1 EFEITO PIEZOELÉTRICO

Como já supracitada no capitulo 2, o efeito piezoelétrico ocorre a partir da deformação do material piezoelétrico provocada pela pressão exercida no movimento de veículos, figura 22, ocorrendo o stress mecânico no material PZT, fazendo com

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que ocorra o efeito piezoelétrico direto. Ou seja, os pulsos mecânicos se convertem em pulsos elétricos em forma alternada, transformando assim em energia elétrica.

Figura 22 - Deformação do material piezoelétrico provocada por veículos e pedestres

Fonte: (GENERAL ELETRONICS adaptada PELO AUTOR)

Como a área de contato é pequena e a pressão é rapidamente retirada, o material deve ter uma boa durabilidade, além de permitir uma geração considerável a partir do processo e retirada e colocação de peso sobre ele.

4.2 ARMAZENAMENTO DE ENERGIA

Para este projeto, a energia elétrica gerada através do efeito piezoelétrico será armazenada em uma bateria recarregável; para este realizar a interface que permita este armazenamento vai ser utilizado o seguinte componente LTC 3588, que é um tipo de regulador de tensão com alto nível de conversão e eficiência, onde é capaz de permitir o acúmulo de cargas em baterias.

Outro ponto positivo para se usar este componente é, que quando se usa fontes de energia alternativas, que neste caso é a cápsula piezoelétrica, na energia gerada podem existir picos de tensão e corrente capazes de causar danos aos equipamentos que estiverem conectados.

O LTC 3588 tem nas suas características internas, uma ponte de onda completa, um bloqueio de subtensão (UVLO), um capacitor e um conversor Buck (conversor abaixador). Solução completa para a colheita e armazenamento da energia gerada através da piezoeletricidade (LINEAR TECHNOLOGY, 2010).

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Internamente o UVLO permite que a carga se acumule na entrada do capacitor até que o conversor Buck possa transferir eficientemente a carga armazenada para a sua saída. Existem 4 níveis de tensão de saída usando apenas o componente 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V e 3,6 V. Porém, projetando um conjunto de proteção na entrada a tensão pode chegar até 20 V permitindo um maior armazenamento de energia para uma determinada quantidade de capacitância de entrada (LINEAR TECHNOLOGY, 2010).

Figura 23 – Pinos do LTC 3588

Fonte: (LINEAR TECHNOLOGY, 2010)

A figura 23 apresenta os pinos do LTC 3588 e as características dos pinos são (LINEAR TECHNOLOGY, 2010) apresentadas a seguir.

• Pino 1 (PZ1) - Conexão de entrada para elemento piezoelétrico, entrada positiva no retificador de onda completa (usada em conjunto com PZ2).

• Pino 2 (PZ2) - Conexão de entrada para elemento piezoelétrico, entrada negativa no retificador de onda completa (usada em conjunto com PZ1).

• Pino 3 (CAP) - Referenciado ao Vin, serve como porta para conduzir uma tensão mais elevada no Vout.

• Pino 4 (Vin) - Tensão de entrada é fixada internamente a um maxímo de 20 V e em conjunto com o CAP serve como reservatório de energia.

• Pino 5 (SW) - Entrada do regulador do conversor Buck. Deve ser inserido um indutor de 10 μH ou maior deve ser conectado entre o SW e Vout.

(37)

• Pino 7 (Vin2) - Tensão de entrada de baixa voltagem, serve também como nível lógico para bits de seleção de tensão de saída D0 e D1. Para isso deve ser conctado um capacitor de 4.7 μF entre os pinos Vin2 e o GND.

• Pino 8 (D0) - Bit de seleção de tensão de saída. O D0 deve ter nível alto para Vin2 ou Baixo para GND para selecionar o Vout desejado.

• Pino 9 (D1) - Bit de seleção de tensão de saída. O D1 deve ter nível alto para Vin2 ou Baixo para GND para selecionar o Vout desejado.

• Pino 10 (PGOOD) - Potência de saída lógica alta quando Vout é superior a 92% do valor da entrada.

• Pino 11 (GND) – É o terra ou ponto comum do sistema, o GND deve servir de referência ao Vin.

Na figura 24, apresenta o diagrama de blocos do LTC 3588, bem como uma ilustração mais detalhada do seu funcionamento interno e pinos de referência deste componente.

Figura 24 - Diagrama de blocos do LTC 3588

Fonte: (LINEAR TECHNOLOGY, 2010)

O LTC 3588 é um componente projetado para a colheita de energia diretamente de cápsulas piezoelétricas ou fontes alternadas. Possui uma fonte retificadora de onda completa de tensão, a fim de estabilizar a tensão de entrada do sistema, além de possuir a opção de inserir um capacitor externo na entrada para conduzir uma tensão mais elevada na saída, além de ter a função de regulador de

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tensão estabilizando a tensão de entrada até sua saída (LINEAR TECHNOLOGY, 2010).

O LTC 3588 possui em seu interior um retificador de ponte de onda completa acessível nas entradas PZ1 e PZ2 que retifica a entrada CA do elemento piezoelétrico em CC, podendo assim, armazenar a energia no capacitor externo e através do conversor Buck dispor nos pinos de saída do componente o carregamento de uma bateria recarregável (LINEAR TECHNOLOGY, 2010).

A energia gerada pelo elemento piezoelétrico é colhida e armazenada no capacitor de entrada ou no capacitor de saída. Depois a tensão de saída é transformada em qualquer excesso e a energia é armazenada no capacitor de entrada e sua tensão aumenta (LINEAR TECHNOLOGY, 2010).

Quando existe uma carga na saída, o Buck pode transferir eficientemente a energia armazenada em alta tensão para a saída regulada. Enquanto o armazenamento de energia na entrada utiliza a alta tensão, a corrente de carga é limitada para o que o conversor do Buck pode fornecer. Para cargas maiores precisa-se dimensionar um capacitor na saída que suporte uma corrente maior por algum tempo (LINEAR TECHNOLOGY, 2010).

De acordo com o supracitado, o LTC3588 é um componente destinado ao armazenamento de energia piezoelétrica por possuir em suas características internas um retificador de ponte de onda completa e um conversor Buck. Estes dois servem para regular a tensão de entrada, retificar a tensão alternada na entrada em tensão continua na saída e posterior armazenar em uma bateria.

Na sequência, a energia elétrica gerada é convertida na forma contínua. Esta conversão é necessária para o carregamento e armazenagem desta energia. Para realizar esse processo, pretende-se utilizar baterias de íons de Lítio, conforme figura 25.

(39)

Figura 25 - Baterias de Íons de Lítio

Fonte: (UDESC, 2012)

As baterias de lítio oferecem várias vantagens, possibilitando a armazenagem de uma grande quantidade de energia devido às suas ligações atômicas, à alta reatividade, e em baterias extremamente leves devido à baixa densidade do metal, características que as tornam comerciais e oferecem um melhor desempenho com um custo baixo. Outra vantagem neste tipo de bateria é a ausência do efeito memória possibilitando a carga e descarga a qualquer momento (TATEYAMA, 2011).

4.3 ACIONAMENTO DOS LEDS

O sistema de baixo consumo para iluminação serão os LEDs, o que permitirá pintar as faixas de seguranças, colorindo-as. Estes LEDs serão instalados abaixo do material translúcido ou em pontos adjacentes transportando a luminosidade por fibras óticas.

Figura 26 - LEDs de alto brilho

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A energia elétrica gerada pelo efeito piezoelétrico será armazenada em baterias; após o armazenamento irá alimentar o consumo dos LEDs que farão a luminosidade do concreto translúcido, onde o mesmo terá demarcado em seu material para sinalização da faixa de segurança.

Segundo Lopes (2014) o LED (diodo emissor de luz) é formado por uma junção P-N (positivo-negativo) de um semicondutor. Estes semicondutores recebem elementos providos de carga (positiva ou negativa) e se tornam levemente carregados positivamente (com ausência dos elétrons), ou negativamente (com os elétrons livres). Na junção P-N existem dois tipos de materiais sendo eles a lacuna (positivo) e o elétron (negativo). Assim a corrente elétrica força o fluxo de elétrons em direção às lacunas combinando elétron-lacuna o que acaba provocando a liberação da energia sob forma da radiação eletromagnética (LOPES, 2014).

Figura 27 - Junção p-n e polarização direta com bateria.

Fonte: (HowStuffWorks apud LOPES, 2014)

O LED possui uma característica muito parecida com o diodo convencional, uma vez que excedido a junção P-N possui uma pequena resistência e conduz corrente rapidamente. Assim esta corrente precisa ser limitada por resistor externo (LOPES, 2014).

O LED tem seu brilho de iluminação máxima quando opera em máxima corrente. Mas o mesmo acaba fornecendo luz adequada com correntes menores. Equipamentos que são ligados em baterias tem sua melhor operação com 50% da corrente máxima garantindo durabilidade da bateria e do equipamento (LOPES, 2014).

(41)

4.4 CONCRETO TRANSLÚCIDO COM FIBRAS ÓTICAS

É um concreto com adição de fibras óticas no seu interior, o que oferece ao material propriedades translúcidas, mantendo a resistência à compressão típica do concreto (REPETTE, 2011 apud RESTREPO, 2013).

Segundo Restrepo (2013) o concreto translúcido é constituído de uma mescla de concreto convencional e fios de fibra ótica que transmitem a luz, seja natural ou artificial. Além disso, pode oferecer uma contribuição na eficiência energética.

Figura 28 – Concreto translúcido

Fonte: (http://piniweb.pini.com.br/)

O material está composto de membranas, painéis e filtros que jogam com a translucidez e criam uma nova arquitetura de luz com sombras, que incidem na textura da superfície do concreto e na rigidez do material (RESTREPO, 2013).

A fibra ótica é um filamento de vidro ou de materiais poliméricos, transparentes fazendo com que um feixe de luz incidente na sua extremidade possa ser transportado através deste filamento até a outra extremidade. A fibra ótica tem uma espessura variável e pode ser muito fino como um fio de cabelo humano. Transmite mensagens em forma de feixe de luz que atravessam de um extremo ao outro (RESTREPO, 2013). Uma fibra ótica consiste em três seções cilíndricas concêntricas: o núcleo, a casca e a jaqueta. O núcleo consiste de um ou mais filamentos de vidro ou de plástico. A casca é a camada de vidro ou de plástico que envolve o núcleo. A jaqueta envolve uma fibra ou feixe de fibras (SADIKU, 2004).

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Figura 29 - Fibra ótica.

Fonte: (SADIKU, 2004)

As fibras óticas existem em dois modelos: monomodo e multimodo.

• Monomodo: atende apenas um sinal por vez, normalmente um laser concentrado em seu interior, atingindo grandes distâncias.

Figura 30 - Fibra ótica monomodo

Fonte: (CFTV, 2015 adaptada PELO AUTOR)

É guiado diretamente para a outra extremidade, ponto a ponto tem a vantagem atender em distâncias maiores e ilimitadas, comparada as fibras óticas multimodo e sua desvantagem, devido às dimensões do núcleo serem extremamente reduzidas, torna difícil o alinhamento, que é o caso das emendas, conectores, etc.

• Multimodo: atende vários sinais por vez, normalmente atingindo pequenas distâncias, mas dispensando conexões mais complexas.

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Figura 31 - Fibra ótica multimodo

Fonte: (CFTV, 2015 adaptada PELO AUTOR)

Permite a passagem de múltiplos feixes de luz e tem a vantagem de possuir o seu núcleo de grande diâmetro tornando mais fácil o alinhamento, que é o caso das emendas, conectores, etc. e a desvantagem de atender uma distância muito menor em comparação à fibra ótica monomodo.

Portanto, em comparação com os dois tipos de fibras óticas supracitadas a mais adequada para o seu uso neste trabalho deve ser a multimodo por possuir facilidade em seu alinhamento e, caso necessária, manutenção.

4.5 FAIXAS DE SEGURANÇA

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

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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.

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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

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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

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.

(47)

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 ܰ

(48)

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

(49)

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

݌ =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

݌ =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.

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Figura 35 – Aplicação de uma pressão no piezoelétrico a partir de três pesos

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

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.

(51)

Figura 36 – Forma de onda obtida por uma pressão de 100g

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

A figura 38 a seguir ilustra a forma de onda obtida quando a cápsula piezoelétrica sofre uma deformação aplicada pelo peso de 500 g.

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Figura 38 - Forma de onda obtida por uma pressão de 500g

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

(53)

݌ =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.

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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

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.

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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

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.

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Figura 42- Bateria com sua carga inicial

Assim, a figura 43 apresenta a forma de onda inicial da bateria. Figura 43 - Forma de onda inicial da bateria

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.

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Figura 44 - Bateria descarregada 1,1 V (50% da carga inicial)

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)

O sistema em pleno funcionamento é identificado na figura 46, onde ao ser aplicado pressões no material, é possível perceber o carregamento da bateria.

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Figura 46 - Bateria carregando

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

A figura 48, por sua vez, apresenta a forma de onda obtida pelo osciloscópio, após 45 min de pressão aplicada no material piezoelétrico.

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Figura 48 - Forma de onda (91,62% da carga inicial)

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

A figura 50 representa a carga da bateria, após a mesma ser percorrida pela corrente depois de aplicado um stress mecânico nos materiais piezoelétricos.

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Figura 50 – Bateria sendo carregada

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)

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.

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Figura 52 - Bateria descarregada 1,00 V e carregando com duas cápsulas em série

Após aplicar um stress mecânico nos materiais piezoelétricos é possível ver o carregamento da bateria, figura 53.

Figura 53 – Bateria carregando

A figura 54, por sua vez, apresenta a forma de onda obtida pelo osciloscópio, após 30 min de pressão aplicada no material piezoelétrico.

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Figura 54 - Forma de onda (carregamento de 1,02 V)

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.