MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

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TRANSFORMAÇÃO DA ENERGIA MECÂNICA PRODUZIDA PELO CORPO DURANTE EXERCÍCIOS FÍSICOS EM ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS
Ana Paula Lua Carvalho Bonfim (020141332@unifacs.edu.br), Carolina Silva Santos (164141119@unifacs.edu.br), Cláudia Monique Mendes de Menezes (167132037@unifacs.edu.br), Juliana Maria Lima Brito Souza (020141035@unifacs.edu.br), Marcela Félix Sobral (020141367@unifacs.edu.br)
Nome da equipe: Engenheiras em Construção
Orientador: Luiz Augusto Hegouet Carvalho (luiz.hegouet@pro.unifacs.br)
Palavras Chave: Piezoeletricidade, bicicleta ergométrica, energia, corrente
	
	Programa Interdisciplinar ARHTE
Escola de Engenharia e Tecnologia da Informação – EETI
	
Resumo
	Descrito como uma propriedade química que alguns materiais tem de gerar corrente elétrica quando deformados por uma pressão, o efeito piezoelétrico é capaz de transformar a energia mecânica produzida pelo corpo durante exercícios físicos, em energia elétrica. O reaproveitamento da energia proveniente das pedaladas em uma bicicleta ergométrica é viável com a instalação de materiais piezoelétricos na mesma, de forma que o movimento gerado no aparelho possa exercer uma pressão sobre o material e, assim, gerar energia.
BELO HORIZONTE - MINAS GERAIS
05 a 08 DE OUTUBRO DE 2010
Introdução
O aumento do consumo de energia elétrica, em razão de um consumismo acelerado, tem afetado o meio ambiente e a economia brasileira. Dados recentes divulgados pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) [1] mostram que a energia disponível no mercado está muito próxima da energia consumida. A busca por meios alternativos de produção de energia gera, além de gastos extensivos, grandes e irremediáveis impactos ambientais.
Visando gerar uma energia saudável e sem grandes custos por meio do reaproveitamento de uma energia que é normalmente perdida, o projeto tem por objetivo adpatar bicicletas ergométricas, aparelhos usados diariamente em academias, de forma que serão capazes de transformar a energia mecânica gerada pelo corpo durante o exercício em energia elétrica, por intermédio de materiais que apresentam o efeito piezoelétrico. Essa transformação só é possível em cristais que não possuem centro de simetria, pois suas cargas antes da deformação são neutras e quando se aplica uma força externa (vibração, deflexão ou pressão) a estrutura reticular de tais materiais pode ser deformada, levando a uma separação dos centros gravitacionais - ou seja, as cargas positivas e negativas se separam gerando pequenos dipolos. As estruturas internas se cancelam e as outras cargas ficam na superfície do material, ocasionando uma polarização, assim um campo elétrico é estabelecido, gerando uma diferença de potencial. 
Desta maneira, a corrente elétrica gerada pode ser direcionada, através de um circuito elétrico, para o consumo de lâmpadas leds, economizando a energia usada diariamente proveniente das usinas geradoras.[2][3]
	
Experimental
Para adaptar a bicicleta ergométrica é necessária a instalação de um circuito elétrico que conduz a corrente elétrica que foi gerada a partir da energia mecânica produzida pelas pedaladas. Esse circuito consiste na inserção de sensores de vibração piezoelétricos [Figura 1] conectados em paralelo [Figura 2] por meio de fios e conectores. A conexão é estabelecida em paralelo pois, desta maneira, a intensidade da corrente elétrica é dividida entre os sensores de forma que a corrente total é a soma de todas que passam nos mesmos. 
Na roda foi fixada uma correia dentada para que ao girá-la os piezos sofressem uma deformação. Os fios, previamente soldados aos sensores, são conectados a um capacitor (2uF) - que tem por finalidade armazenar a corrente obtida - que conduzirá a eletricidade para uma lâmpada led (4V), que será acesa ao receber a corrente gerada. [Figura 3]
Figura 1 – Sensor de Vibração Piezoelétrico, feito de fluoreto de polivinilideno (PVDF)
Figura 2 – Sensores instalados em um PVC sobre a roda, conectados por um circuito paralelo.
Figura 3 – Fios conectando-se ao capacitor e ao led.
Resultados e Discussão
	Quando as pedaladas induzem o giro da roda, onde foi implantada a correia dentada, a mesma entra em contato com os sensores piezoelétricos que sofrem uma deflexão (ou vibração, dependendo da intensidade do giro) produzindo assim uma pequena corrente contínua, pois ao se mover para trás e para frente, os sensores produzem uma ddp. No entanto, os sensores piezoelétricos apresentam propriedades específicas. Quando o primeiro teste foi realizado, percebeu-se que quando a vibração ou deflexão difere entre os piezos, a corrente é anulada entre cada sensor. “Materiais piezoelétricos são materiais que possuem momento de dipolo elétrico. Esta piezoeletricidade muitas vezes não é percebida, pois os momentos de dipolo elétrico do material se anulam por estarem desalinhados e, só é percebida quando os dipolos elétricos do material são rearranjados em uma mesma direção, de modo que se somem de forma construtiva, formando domínios.” [4] Dessa forma, a corrente só pode ser gerada e conduzida por todo circuito até o abastecimento final se todos os sensores estiverem simetricamente instalados e recebendo a mesma pressão.
Devido ao fato da bicicleta apresentar uma estrutura redonda e do PVC ser um material não muito estável, a instalação precisou ser realizada em um pequeno espaço onde todos os sensores sofressem exatamente a mesma vibração, por essa razão foram instalados apenas 3 sensores. Ao ser testado novamente após a instalação mais precisa, o led acendeu comprovando a eficácia do projeto.
Conclusão
	A produção de energia por meio dos sensores piezoelétricos instalados na bicicleta é possível e é comprovada quando o led se acende. Objetiva-se agora, aprimorar a estrutura do protótipo à instalações de uma estrutura fixa e estável, a fim da adaptação de uma maior quantidade de piezoelétricos estando todos eles arranjados na mesma direção e recebendo a mesma vibração a cada pedalada, para que assim obtenha-se o aumento da corrente elétrica gerada.
Agradecimentos
Ao professor e orientador Luiz Augusto Hegouet Carvalho, por todo apoio, paciência, instrução, motivação e ensinamento que nos foi dado ao longo do semestre.
À Paulo César dos Santos Bonfim, pai e amigo, pelo tempo e enorme ajuda que nos foi prestada para realização do protótipo.
Referência Bibliográfica
AMCHAM BRASIL, Consequências da crise do setor elétrico para a economia do Brasil. Disponível em: <http://www.amchamrio.com.br/site-noticia.id=548> Acessado em 28 de abril de 2014.
2Shackelford, James F.; Introdução à ciência dos materiais para engenheiros. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008.
3Callister, Jr., William D.; Ciência e Engenharia de materiais: Uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2008.
4Duarte, Maurício G. Estudo da apodização de cerâmicas piezoelétricas. Fevereiro – 2013. 152 páginas. Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Departamento de Engenharia Biomédica.
Asinatura dos autores
Componente 1: Ana Paula Lua Carvalho Bonfim Assinatura:
Componente 2: Carolina Silva Santos Assinatura:
Componente 3: Cláudia Monique Mendes de Menezes Assinatura:
Componente 4: Juliana Maria Lima Brito Souza Assinatura:
Componente 5: Marcela Félix Sobral Assinatura:
Nome do orientador
Prof.:Luiz Augusto Hegouet Carvalho Assinatura: