E XPLANATORY VARIABLES

Como citado anteriormente, é possível obter energia elétrica a partir de fontes de vibração mecânica utilizando materiais piezoelétricos. Segundo Liang e Liao (2012) um sistema de colheita de energia deve se preocupar o quanto de energia é

eliminado e/ou utilizados para alimentar o dispositivo final, salientando que a energia obtida é apenas uma parte da energia extraída de um sistema.

Estes autores apresentaram um fluxograma de energia de forma intuitiva indicando as possibilidades de destino da energia elétrica a partir de uma fonte de vibração mecânica. Através da figura 9, é possível verificar os três destinos possíveis: 1) pode ser convertida em energia térmica (ramo G); 2) pode ser armazenada e/ou utilizada diretamente no dispositivo final (ramo I) ou 3) retornar ao domínio mecânico (ramo J).

FIGURA 9- FLUXO DE ENERGIA

(LIANG e LIAO, 2012)

Para verificar a potência elétrica colhida, os autores utilizaram três interfaces eletrônicas diferentes, conforme representadas na Figura 10, no qual nomeadas RSD, P-SSHI e S-SSHI, para a primeira, segunda e terceira configuração, repectivamente. Para isto, foi desenvolvido um modelamento teórico confrontado com dados experimentais.

FIGURA 10- TOPOLOGIA DAS INTERFACES UTILIZADAS. (A)RSD. (B)P-SSHI. (C)S-SSHI

Para obtenção dos dados experimentais, foi desenvolvido um aparato mecânico no qual se pretendia converter a energia mecânica, através da vibração, em energia elétrica, utilizando-se da estrutura apresentada na Figura 11.

FIGURA 11- EXEMPLO DE APARATO EXPERIMENTAL PARA COLHEITA DE ENERGIA

(LIANG e LIAO, 2012)

Esta estrutura consistia de uma viga monoengastada de alumínio sendo conectada a um gerador de vibração (modelo 4810, Brüel & kjaer) juntamente com um acelerômetro (modelo 4501, Brüel & kjaer) para rastrear a aceleração imposta, e um sensor eletromagnético para detectar a velocidade relativa entre a viga e a base a fim de sincronizar o chaveamento nas configurações P-SSHI e S-SSHI. A unidade microcontrolada (eZ430-RF2500,Texas Instrument) tem a função de analisar este sinal de velocidade, e gerar comandos para sincronização destes chaveamentos. O elemento piezoelétrico (T120-AE4-602), de dimensões 49 mm(comprimento) x 24 mm(largura) x 0,508 mm(espessura), foi fixado na região engastada.

Os resultados apresentados na Figura 12 demonstram que as configurações P-SSHI E S-SSHI geraram 500% e 400%, respectivamente, mais potência elétrica que a configuração RSD para uma frequência de 42Hz e uma aceleração de 10m/s² . Foi constatada, também, que a resposta alcançada apresentou uma curva simétrica para a interface RSD e curvas assimétricas para as demais configurações quando relacionada à tensão retificada (Vrect) e a potência recuperada (Ph) para uma dada

excitação mecânica constante. O motivo desta simetria é explicado pelos autores por condicionarem à baixa influência exercida pelo circuito RSD na dinâmica do sistema.

Na nossa pesquisa foi utilizada a configuração RSD, ou seja, com o elemento piezoelétrico alimentando diretamente uma carga.

FIGURA 12- RESULTADOS TEÓRICOS E EXPERIMENTAIS UTILIZANDO DIFERENTES INTERFACES. (a)RSD. (b)P-SSHI. (c)S-SHHI

(LIANG e LIAO, 2012)

Diversas pesquisas vêm sendo realizadas a fim de determinar parâmetros ou fatores que maximizem a geração de energia elétrica utilizando elementos piezoeletricos. Em uma delas, Xu et al (1998) afirmam que diversos pesquisadores investigaram o PZT quando submetido a grandes impactos, tendo estes estudos resultados satisfatórios, contudo o autor concluiu que era necessário pesquisar quando este mesmo material é submetido a baixos valores de impacto. Para a obtenção dos resultados da tensão elétrica na saída do PZT, foram aplicadas compressões mecânicas utilizando duas técnicas diferentes, conforme apresentadas nas figuras 13a e 13b. A primeira consistia em aplicar uma compressão sobre o material de forma lenta e gradual, sob uma velocidade constante de 1 mm/min. A outra técnica era baseada em apenas um impacto, onde uma esfera de aço, guiada por um tubo, era arremessada contra o PZT, provocando a deformação no material.

FIGURA 13- TÉCNICAS DE COMPRESSÃO SOBRE UM PZT. (a) GRADUAL. (b) ÚNICO IMPACTO

No experimento destes autores, foi detectado que o elemento, ao ser submetido a baixos valores de impacto, apresentava como resposta correntes elétricas em sentidos diferentes à medida que o nível deste impacto aplicado ao material era incrementado ou decrementado, contudo a energia elétrica gerada era equivalentes.

Em um dos trabalhos desenvolvidos Engel e Keawboonchuay (2003) estabeleceram que a relação entre a área transversal e a espessura do material piezoelétrico (relação TAR, ver Figura 14) e a força em que é submetido este elemento determina uma maior ou menor geração de corrente e tensão elétrica.

FIGURA 14- RELAÇÃO ENTRE A ÁREA TRANVERSAL E A ESPESSURA DO MATERIAL PIEZOELETRICO

(ENGEL e KEAWBOONCHUAY, 2003)

Foi definido que quando o material possui uma área transversal maior que a sua espessura, o mesmo apresentava uma capacidade maior de fornecimento de tensão elétrica, contudo com uma menor capacidade de fornecimento de corrente elétrica. Na sua pesquisa, foram apresentados resultados experimentais com relações TAR diferentes, para efeitos de comparação com resultados teóricos.

Em outra pesquisa, FANG et al. (2006) afirmaram que a vibração mecânica pode ser transformada em energia elétrica através de três tipos de transdutores eletromecânicos: eletromagnéticos, eletrostáticos e piezoelétricos. Foi observado que o elemento gerador mais efetivo dependia das condições específicas de funcionamento. Foi detectado que o transdutor piezoelétrico possuía melhor rendimento de conversão. Assim, foi apresentado um microgerador piezoelétrico, baseado em uma de viga em balanço, conforme configuração apresentada na Figura 15.

FIGURA 15 – SEÇÃO TRANSVERSAL DO GERADOR

(FANG et al., 2006)

O bloco de níquel presente na extremidade livre tinha por finalidade alterar a frequência natural do sistema para a frequência de vibração aplicada junto à estrutura, com o objetivo de otimizar a capacidade de geração.

Para a colheita da energia elétrica, foram utilizados dois métodos: sendo o primeiro por obter a máxima potência elétrica fornecida sobre uma carga variável e o segundo foi retificar o sinal alcançado, utilizando quatro diodos de germânio comuns, e alimentando esta mesma carga, conforme configuração apresentada na Figura 16.

FIGURA 16 - FLUXOGRAMA DE UTILIZAÇÃO DO APARATO INSTRUMENTAL

(FANG et al., 2006)

Com uma camada de 1,66 µm de PZT, o microgerador, submetido a uma vibração mecânica de frequência idêntica à frequência natural em torno de 608Hz, gerou um nível máximo de tensão de pico a pico de 898 mV sob uma carga de 112 kΩ e máxima potência elétrica de 2,16 µW para uma carga de 21.4 kΩ, sob uma tensão elétrica de pico a pico de 608mV, conforme apresentado na Figura 17.

FIGURA 17 – RELAÇÃO DA POTENCIA E TENSÃO ELÉTRICA EM FUNÇÃO DA CARGA RESISTIVA

(FANG et al., 2006)

Liu et al (2012) afirmam em seu trabalho que com o desenvolvimento de redes de sensores sem-fio de baixo consumo foi aberta a possibilidade aos equipamentos que formam esta rede trabalharem de maneira autônoma, utilizando fontes de energia alternativas ao invés das tradicionais baterias. Como alternativas para servirem de fonte de energia para estes dispositivos, pode-se citar o aproveitamento da energia solar, da radiação eletromagnética ou até mesmo vibração mecânica no processo de geração de energia elétrica. Assim, foi realizado um estudo, em que um elemento piezoelétrico acoplado a um sistema micro eletromecânico (MEMS), conforme as figura 18a e 18b, era submetido a baixas frequências de vibração (<30Hz) e baixas acelerações. Neste estudo, foi alcançada uma tensão elétrica máxima de 42 mV para uma aceleração de 0.06g.

FIGURA 18- (a) DESENHO ESQUEMÁTICO DO PZT EM FORMA DE S. (b) VISTA SUPERIOR DO DISPOSITIVO

Yang e Yun (2012) citam que cada vez mais equipamentos portáteis com baixo consumo de energia vêm sendo desenvolvidos para área a biomédica, militar e redes de sensores. Estes autores apresentam um estudo em que os movimentos de baixa frequência são utilizados para geração de energia elétrica através de elementos piezoelétricos. Para isso, o desenvolvimento experimental foi adaptado para os movimentos do corpo humano (Figura 19a e 19b). A estrutura criada proporcionou uma potência elétrica de saída de 0.87 mW sobre uma carga de 90 kΩ para uma frequência de 3.3 Hz.

FIGURA 19 – (a) IDEIA CONCEITUAL DE UM PZT FIXADO EM UM TECIDO. (b) APLICAÇÃO DO PROTOTIPO NAS ARTICULAÇÕES DOS DEDOS E COTOVELOS

(YANG e YUN, 2012)

Barbosa (2013) desenvolveu uma pesquisa que consistia numa investigação experimental da geração de energia elétrica que uma viga piezoelétrica gerava quando submetida a uma excitação mecânica. A viga utilizada no experimento foi do tipo MFC (micro fiber composite), tendo uma de suas extremidades fixada a um agitador por meio de um suporte metálico. A excitação mecânica foi fornecida por um shaker, numa faixa de frequência próxima à correspondente ao primeiro modo de vibração, com três amplitudes diferentes de oscilação de pico a pico, sendo as acelerações aquisitidas por um acelerômetro. Para a análise experimental foram montados circuitos de testes utilizando cargas resistivas, capacitivas e indutivas, sendo três valores distintos para cada uma delas. O aparato instrumental pode ser observado na Figura 20.

FIGURA 20 - APARATO INSTRUMENTAL

(BARBOSA, 2013)

Com o resultado apresentado foi constatado que o nível de tensão elétrica gerado foi maior quando o sistema era submetido à maior amplitude de vibração na frequência de 17,3 Hz. Foi discutido, também, que a tensão e a potência fornecida aumentava à medida que a resistência equivalente do circuito era elevada, obtendo- se uma tensão elétrica de 3,90 V e 1,86 mW de potência fornecida para uma carga de 8,14 kΩ. Em relação às cargas reativas, foi alcançada uma potência elétrica máxima de 19,6 µW sob um capacitor de 4,7 µF e 0,6 mW para uma carga indutiva de 611 mH, sendo estes os valores teóricos máximos das cargas utilizadas.

Conforme apresentado, diversos pesquisadores utilizam a estrutura de viga para recuperação de energia quando submetidas a vibrações mecânicas, utilizando muitas vezes um agitador/excitador para gerar este efeito mecânico. Yang et

al(2013) propuseram um estudo, também baseado em estrutura de viga, mas que a

vibração imposta sobre a estrutura era exercida pela ação dos ventos.

O protótipo desenvolvido, conforme apresentado na Figura 21, consistia de um piezoelétrico fixado a uma viga monoengastada, onde na extremidade livre foram acoplados corpos de prova com diversos perfis de seção transversal (quadrado, retângulo, triângulo e no formato de D), sendo testado em um túnel de vento.

FIGURA 2.21 – PROTÓTIPO DESENVOLVIDO PARA COLHEITA DA ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DA FORÇA DO VENTO

(YANG et al, 2013)

Para a obtenção dos resultados experimentais, foi adotada uma carga resistiva variável alimentada diretamente pelo elemento piezoelétrico com o objetivo de se alcançar o ponto ótimo de geração da potência elétrica em função dos perfis dos corpos de prova e da velocidade do vento. Foi constatado que o perfil quadrático se mostrou mais eficiente, fornecendo aproximadamente 5,5 mW de potência elétrica para uma carga de 105 kΩ quando submetido a uma velocidade do vento igual a 6 m\s. Foi demonstrado, também, que para este perfil, ocorria um aumento na potência elétrica fornecida à medida que a velocidade era aumentada, alcançando um fornecimento de 8.4 mW, para esta mesma carga, quando a estrutura era submetida a um vento com velocidade de 8 m/s.