İnfrared Spektroskopisi (IR) İncelemeleri

Esse tipo de aproveitamento de energia é possível devido ao comportamento de materiais ditos piezoelétricos. Estes materiais quando deformados mecanicamente se polarizam gerando certa tensão entre suas faces (efeito piezoelétrico direto), o contrário também se faz verdade, quando o mesmo é submetido a uma diferença de potencial se deforma (efeito piezoelétrico nverso) (SACHS, 2005), Figura 32.

Fonte: adaptado de Galhardi; Guilherme; Lopes Junior (2008) Figura 32 – Comportamento de materiais piezoelétricos

A utilização de materiais piezoelétricos aparece nas mais diversas áreas, entretanto é o fato de gerar energia (geradores de tensão) ao se deformar que interessa para o aproveitamento da energia de vibração, Figura 33.

Fonte: Adaptado de Maria (2010)

Figura 33 – Aplicações do efeito piezoelétrico

A piezoeletricidade foi descoberta em 1880 por Jacques Curie e Pierre Curie durante um estudo de geração de corrente elétrica aplicando certa pressão em materiais como o quartzo (zirconia e turmalina), é uma propriedade de um pequeno grupo de materiais.

Os piezoelétricos mais utilizados no aproveitamento de energia de vibração são as cerâmicas a base de titanato zirconato de chumbo (PZT) nas suas mais variadas formas microestruturais, sendo que o mais utilizado é o PZT-5H (WU, 2009).

Para o aproveitamento de vibração a idéia é instalar esses chips de PZTs em locais onde exista um bom potencial vibracional para posterior conversão em energia elétrica para se carregar baterias.

Como é o exemplo de uma estação de metrô de Tokio que instalou um piso constituido de PZT abaixo de 5 portões de bilhetes (catracas), Figura 34. O investimento experimental gerou cerca de 36 MWh por dia de energia elétrica (GALHARDI; GUILHERME; LOPES JUNIOR, 2008).

Fonte: adaptado de (GALHARDI; GUILHERME; LOPES JUNIOR, 2008). Figura 34 – piso gerador de energia instalado em metrô de Tokio

As aplicações para se recolher a energia de vibração são muitas, como aplicação em músculos humanos com o objetivo de se disponibilizar energia para alimentar marcapassos, instalação em pontes e viadutos para aproveitar a energia de vibração disponibilizada pela passagem de carros, sob o asfalto de rodovias, ou mesmo no chão de danceterias e casas noturnas, como é o caso de um bar em Londres chamado Suria que gera 60% das necessidades energéticas do local, Figura 35.

Fonte: Environmenttimes (2011)

Figura 35 – Bar Suria, exemplo de aproveitamento de energia vibracional

Com o piezoelétrico, a cada passo uma pessoa de 60 kg produz cerca de 0,1 W de potência, e 1 km de pista rodoviária revestida com material piezoelétrico pode gerar 200 kW quando submetida ao movimento intenso (SILVEIRA, 2010).

A geração de energia por meio do revestimento de superfícies onde há muito fluxo de pessoas ou carros é bastante promissora, pois os transdutores PZTs não precisam ser instalados diretamente na parte superior do solo, estes podem ser colocados em camadas logo abaixo da superfície, propriamente dita, (Figura 36), e podem suportar temperaturas pouco menores que 0°C, além de poderem entrar em contato com água sem perderem o potencial gerador, o que seria muito útil para o caso de enchentes, por exemplo (SODANO; INMAN; PARK, 2004).

Fonte: adaptado de (GALHARDI; GUILHERME; LOPES JUNIOR, 2008). Figura 36 – esboço da instalação de piezoelétricos em superfícies

A vibração do PZT faz gerar uma corrente alternada de frequência igual a frequência de excitação. Após ser gerada essa corrente alternada uma parte da energia é perdida devido à resistência (impedância) do próprio material piezoelétrico, depois o sinal deve passar por um sistema retificador (normalmente composto por diodos e capacitores) para ser retificado para corrente contínua (CC), pois as baterias necessitam de um sinal em corrente contínua para o seu carregamento, Figura 37. Na retificação do sinal perde-se, em média, 0,5 V da tensão máxima, esse valor perdido é inerente da tecnologia atual de retificadores(SEDRA; SMITH, 2000).

Fonte: adaptado de (GONÇALVES, 2011)

Após o sinal ser retificado deve-se tentar deixar a impedância da bateria o mais próximo da impedância interna do PZT (casamento de impedâncias – feitos normalmente por circuitos eletrônicos de chaveamento) para que ocorra a máxima transferência de potencia entre o PZT e a bateria (carga) (SEDRA; SMITH, 2000), como se observa na Figura 38.

Figura 38 – esboço de um circuito gerador

Em média, a densidade energética do PZT-5H é de 35,4 mJ/cm³ = 2,8x10-10 kWh/cm3 e essa energia é gerada segundo a regra de que quanto maior for a deformação e frequência de oscilação sofrida por um transdutor PZT maior será seu potencial energético (EGGBORN, 2003).O preço de uma pastilha de PZT é em torno de R$ 4,5/cm3 (SODANO; INMAN; PARK, 2004).

Será feita uma estimativa da energia gerada durante um dia de uma pessoa não sedentária, para isso será suposto que o solado de um tênis qualquer é composto por materiais piezoelétricos. Para tanto, admite-se que:

x Com o piezoelétrico, a cada passo uma pessoa de 60 kg produz cerca de 0,1 W de potência (SILVEIRA, 2010);

x a pessoa que caminha tem 60 kg, para coincidir com a informação acima;

x Uma pessoa não sedentária dá, em média, 10.000 passos por dia (VEJAONLINE, 2008);

No caminhar de um ser humano, quando um pé levanta do solo, imediatamente depois o outro toca o solo, portanto podemos concluir que se ele der 10.000 passos sem parar, vai gerar energia durante o tempo todo.

Tempo gerando energia no dia = 10.000 passos x 0,5s/passo = 5.000s ~ 1,4h

Energia gerada durante o dia = potência x tempo = 0,1 x 1,4 = 0,14 Wh = 0,00014kWh Para esse caso do tênis a energia acumulada seria extremamente baixa, mesmo considerando 1 mês, 1 ano ou considerando atletas que dêem muitos passos por dia.

Essa estimativa confirma o fato de a geração de energia ser pequena quando a frequência que o piezoelétrico é excitado e a deformação sofrida por ele é pequena. Entretanto em exemplos como o de rodovias submetidas a alto fluxo de veículos a energia gerada é alta, as mesmas podem gerar 200 kW (SILVEIRA, 2010). Essa energia é gerada em uma única faixa (cerca de 3,6m de largura), com a condição de se passar por um mesmo ponto 20 carros/min (CONSONI; MANENTI, 2010). Portanto em uma hora de tráfego a pista geraria 200 kWh de energia, ou seja, 66 reais a cada hora. Cidades como São Paulo possuem horários em que o trânsito permanece nessas condições, no mínimo 5 horas por dia, há locais em que existem 5 pistas, que gera uma economia de energia de 1.650 reais por dia.

O desafio principal encontrado no aproveitamento de energia está na quantidade de energia que os dispositivos piezoelétricos podem gerar em situações quotidianas que o mesmo poderia ser empregado em relação à demanda de energia dos equipamentos eletrônicos.

3 FORMAS DE MOBILIDADE UTILIZANDO TECNOLOGIA

RENOVÁVEL

Veículos movidos a combustíveis fósseis produzem muitos gases nocivos ao meio ambiente, o que é significativo do ponto de vista ambiental, que sofre cada vez mais com o aumento do efeito estufa pela descarga descontrolada de CO2 decorrente

principalmente da combustão de fontes fósseis, resultando em um aumento na temperatura global com consequências imensuráveis para o planeta. Na figura 39 ilustra-se uma das consequências do derretimento das calotas polares.

Fonte: Carlos (2009)

Figura 39 – derretimento de blocos de gelo, decorrente do efeito estufa

Quando, nos motores de combustão interna, a combustão ocorre de forma incompleta, que é a queima do combustível com falta de oxigênio suficiente para ser realizado o processo correto, há a formação de hidrocarbonetos aromáticos polinucleares (HPA), que mesmo em baixas concentrações agridem o equilíbrio atmosférico. Esses mesmos hidrocarbonetos sofrem nitratação e oxidação, cujos produtos possuem ação genotóxica, não obstante a isso produzem fototoxinas que colaboram para a destruição das florestas (SERPA, 2004).

Do ponto de vista social, as pessoas que respiram esse ar dotado de gases tóxicos vêm tendo cada vez mais problemas respiratórios. Como exemplo, o monóxido de carbono (CO) que se liga a hemoglobina das pessoas e assim persiste, fazendo com que o indivíduo fique, com o passar do tempo, com insuficiência respiratória, stress, deficiência na capacidade psicomotora, dor de cabeça, alucinação, depressão, angina, sincope, asfixia. A poluição automotiva pode causar em longo prazo, inúmeras doenças respiratórias, dentre as quais se destacam a fibrose pulmonar e o câncer do trato respiratório, tudo isso em conseqüência de inúmeros gases de escape de motores de combustão interna (LISBOA, 2007). Isto tem feito até mesmo com que a propaganda para venda de veículos sinalize para tais questões, como se vê na Figura 40, relativamente à venda de veículos na Espanha. Sendo assim, é imperativo que veículos com tecnologias renováveis sejam analisados.

Fonte: arquivo pessoal Prof. José Antonio Perrella Balestieri

Figura 40 – ilustração do anúncio de venda de veículo em Barcelona, Outubro de 2012.