Geração de energia elétrica utilizando tecnologia piezoelétrica
1. GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO TECNOLOGIA
PIEZOELÉTRICA
Gabriel de Andrade Vieira¹; Hylquias Martins Moura², André Pereira Motta³.
1. Acadêmico de Engenharia Elétrica na Faculdade Brasileira – Multivix - Vitória
2. Acadêmico de Engenharia Elétrica na Faculdade Brasileira – Multivix – Vitória
3. Engenheiro Civil, Mestre em Administração, Professor na Faculdade Brasileira- Multivix- Vitória.
RESUMO
O presente trabalho avalia a viabilidade de implementação de um sistema de geração de energia
utilizando a tecnologia da piezoeletricidade para alimentação de um conjunto semafórico
localizado no cruzamento entre a Avenida Nossa Senhora da Penha e a Avenida Desembargador
Santos Neves, na cidade de Vitória- ES, onde através da pressão exercida pelas rodas dos
carros e motos sobre a placa piezoelétrica é gerada a energia elétrica, que é armazenada em
baterias podendo tornar o sistema semafórico autossustentável. Palavras chave:
Piezoeletricidade, geração de energia, semáforos.
ABSTRACT
The present work evaluates the viability of implementation of a power generation system, using
the piezoeletric technology to feed a traffic light set located on the cross between the Avenida
Nossa Senhora da Penha and the Avenida Desembargador Santos Neves, at Vitória-ES, where
through the pressure exerted by the wheels of cars and motorcycles on the piezoeletric plates
generates the electric energy, which is stored in batteries and it can make the piezoeletric system
self-sustaining. Key words: Piezoeletric, power generation, traffic light.
INTRODUÇÃO
Grande parte da energia elétrica consumida no Brasil, veem de fontes hidroelétricas,
porém a sua implantação causa impactos socioambientais irreversíveis, geralmente
devido às áreas alagadas por seus reservatórios (TOLMASQUIM, 2016). Devido a
este problema, surge a necessidade de utilização de fontes alternativas, buscando
formas mais sustentáveis para a geração da energia elétrica, onde podem se
encaixar as matrizes solar, eólica e hídrica. Entre tais fontes, surge a
piezoeletricidade, a qual ainda é pouco utilizada, porém pode ser bem eficiente
quando empregada da maneira correta (de SOUSA, 2015).
O termo piezoeletricidade surgiu em meados dos anos 1880, criado por Jacques e
Pierre Curie (KUHN, Gustavo 2014), quando descobriram que certos cristais de
quartzo possuíam a propriedade de gerar corrente elétrica quando sofriam
deformação mecânica, abrindo assim a possibilidade de diversas aplicações no
mundo moderno.
A piezoeletricidade hoje é aplicada em tecnologias como atuadores ou sensores, como
captadores para instrumentos musicais elétricos, ou sensores de pressão (FREITAS,
2012). Em Israel, uma empresa chamada Innowattec instalou em uma estrada várias
placas piezoelétricas que convertem a pressão exercida pelas rodas dos automóveis
em energia elétrica, e de acordo com a empresa, cada 1km de extensão da rodovia
já gera 0,5 megawatts por hora (HANDERSON, 2009). Outra aplicação notória, foi
2. da empresa Pavegen em parceria com a Shell, onde foram instaladas diversas
placas piezoelétricas em um campo de futebol no Morro da Mineira no Rio de Janeiro,
sendo possível converter a pressão exercida pelas pessoas praticando o esporte em
energia elétrica suficiente para alimentar os refletores (ANTUNES, 2014).
Diante dos grandes impactos ambientais já introduzidos no nosso meio ambiente
devido a geração de energia e à muitas outras atividades, é de suma importância a
busca por alternativas sustentáveis e renováveis, a fim de amenizar ou até mesmo
eliminar os impactos gerados, tendo como objetivo um futuro melhor em nosso planeta
(TOMALSQUIM, 2016).
Diante da necessidade de inovação e do sucesso obtido em suas aplicações, justifica-
se avaliar a viabilidade de instalar conversores piezoelétricos para aproveitar a
pressão exercida por veículos na Avenida Nossa Senhora da Penha, no município de
Vitória, Espirito Santo.
Dessa forma, a cidade e a avenida em questão, apresentam um bom potencial para
implantação do sistema piezoelétrico, onde a energia gerada pode ser utilizada para
alimentação de um conjunto semafórico, garantindo que funcione de forma autônoma,
evitando com que o trânsito seja prejudicado em casos de falta de energia da
concessionária e diminuindo o consumo energético do município.
PIEZOELETRICIDADE
Segundo Gustavo Kuhn (2014), o efeito piezoelétrico tem como princípio de
funcionamento a capacidade de um material absorver energia mecânica e transformá-
la em elétrica. Tal propriedade é encontrada em alguns cristais e ocorre naturalmente,
por exemplo em materiais como quartzo, turmalina, tartarato de potássio de sódio. Para
o cristal apresentar um efeito piezoelétrico, a sua estrutura não pode ter nenhum centro
de simetria, dessa forma, a tensão mecânica seja ela compressão ou tração, aplicada
sobre um cristal com tais propriedades, irá fazer com que se altere a distância entre os
pontos de carga positiva e negativa criando uma polarização direta na superfície do
cristal.
De acordo com Laurence Kemball-Cook (CEO da empresa Pavegen), as placas
piezoelétricas, possuem características que facilitam a sua utilização, tais como dureza
e densidade elevadas, podendo ser produzidos de várias formas e formatos, são imunes
a condições atmosféricas adversas e à umidade, além de capacidade de orientar o eixo
mecânico e elétrico de acordo com a necessidade de orientação da polarização.
Quando comparado a outras fontes de energia renovável, a piezoeletricidade se
destaca, já que os geradores piezoelétricos independem de clima ou geografia do
terreno (SOUSA, Laylson Carneiro 2015), e podem ser instalados em locais de grande
movimento e por consequência de maior demanda, eliminando assim o custo com a
transmissão da energia.
Em um estudo realizado no estado da Califórnia nos EUA, a empresa GENZIKO,
mostrou que uma via de duas faixas com fluxo de oito mil veículos por dia, teria
capacidade de gerar até 7,5 MW em um quilometro (KUMAR, 2013).
3. Em outro estudo realizado por Haim Abramovich, no instituto israelense Tecknon-Israel
de Tecnologia, foi desenvolvida uma placa de um metro quadrado que de acordo com
o pesquisador, através de um fluxo de um carro por segundo (1Hz), é possível gerar
240Kw de energia elétrica em um quilômetro de extensão de via. Dessa forma, pode-se
observar uma taxa de geração de 0,24Kw/metro.
SEMÁFOROS
Segundo Wagner Bonetti (2001), a utilização de semáforos em intercessões de vias,
busca otimizar o trânsito a fim de dar fluidez e segurança para pedestres e motoristas.
Um conjunto de semáforo, utiliza-se de vários componentes como o controlador
semafórico, grupo focal ou porta focos, cabos, tubulações e poste (BONETTI, 2001).
Segundo Anderson L. de Lima (2008), o tipo mais comum de semáforo é o que possui
grupo focal de lâmpadas incandescentes, as quais possuem consumo médio de 100W
por lâmpada, entretanto, nos últimos anos vêm sendo implantado semáforos que
utilizam de LED’s onde o consumo médio de cada grupo focal é de 10W. Ainda segundo
Anderson L de Lima as vantagens dos sistemas a LED não param no consumo, já que
LED’s apresentam vida útil maior do que as lâmpadas incandescentes, chegando a
média de 50 mil horas de funcionamento, além de não perder o brilho durante a sua vida
útil, bem como serem resistentes a vibrações e impactos e trabalharem em baixas
tensões.
METODOLOGIA
O desenvolvimento dos estudos se iniciou com uma revisão de literatura sobre o tema
e suas aplicações, em paralelo foram executados levantamentos pontuais do sistema
semafórico do cruzamento da Avenida Nossa Senhora da Penha com a Avenida
Desembargador Santos Neves, na cidade de Vitória, Espirito Santo.
Numa segunda etapa, foram feitas medições em campo, somando a quantidade de
veículos que passam na faixa central do cruzamento durante 3 dias de 15:00h até
16:00h, para obtenção da média de veículos, sejam motocicletas ou carros, que
transitam regularmente no local no horário determinado. Posteriormente, foram feitas
novas medições no mesmo local, agora no horário de 17:00 horas até 18:00h horas,
durante novos 3 dias. Conforme a tabela 1.
Tabela 1: média de veículos em uma faixa.
DIA CARROS MOTOS
Veic/h Veic/h
QUINTA 1436 1115
SEXTA 1524 1386
SÁBADO 782 548
Considerando que cada carro aplica a sua massa sobre o asfalto em quatro pontos
distintos e as motos aplicam em dois pontos distintos, podemos estimar a média de
rodas que passam sobre o asfalto a cada segundo. Conforme a tabela 2.
4. Tabela 2: média de rodas por segundo.
DIA CARROS MOTOS
Rodas/s Rodas/s
QUINTA 1,59 0.62
SEXTA 1,69 0,77
SÁBADO 0,86 0,3
Para estimar o fluxo diário, propõe-se considerar os valores da tabela 1 por 12h e então,
as 12h restantes ser considerado 20% do fluxo medido. Conforme apresentado na
tabela 3.
Tabela 3: Fluxo diário de veículos em uma faixa.
DIA CARROS MOTOS
Veic/dia Veic/dia
SEG - SEX 21312 18007
SAB-DOM 11260 7890
Vale ressaltar que os valores acima mencionados, buscam modelar um sistema a ser
instalado no local de estudo, porém características gerais podem ser aproveitadas para
outros tipos de sistemas alimentados por conversores piezoelétricos.
Figura1: Cruzamento da Avenida Nossa Senhora da Penha com a Avenida Desembargador Santos
Neves.
5. Figura 2: Semáforo localizado no cruzamento.
GERAÇÃO E ARMAZENAMENTO DA ENERGIA PIEZOELETRICA
A energia é gerada através das placas piezoelétricas que estão embutidas no asfalto,
onde a passagem dos veículos causa a deformação da placa que gera uma corrente
elétrica em seus terminais. Após a geração, a corrente é direcionada para um retificador
que transforma o sinal de pulsos gerado em frequências aleatórias em um sinal de
corrente continua que é necessário para carregar as baterias. E então direciona a
corrente para um conversor que controla o nível de tensão e corrente para carregamento
das baterias (KUHN, 2014).
O módulo de baterias é responsável por armazenar a energia gerada e alimentar o
sistema de controle do semáforo e os focos LEDS da sinalização. (de SOUSA, 2015).
Figura 3: Modelo de armazenamento da energia piezoelétrica.
DADOS EXPERIMENTAIS
Para obtenção do comportamento elétrico do sistema piezoelétrico, foram realizados
experimentos em laboratório utilizando transdutores piezoelétricos, que consistem em
pastilhas de 35mm que quando deformadas geram corrente elétrica em seus terminais.
Um total de 18 pastilhas foram utilizadas, formando 3 fileiras de 6 transdutores ligados
em série entre si e em paralelo entre as fileiras. As pastilhas são eletricamente
conectadas a um diodo que retifica e direciona o sinal elétrico para um capacitor.
Conforme apresentado na figura 4.
6. Figura 4: Placa conversora piezoelétrica.
O experimento foi executado de forma a obter um comportamento elétrico próximo ao
encontrado na via que está sendo estudada. É importante ressaltar que os resultados
apresentados são apenas para demonstrar o comportamento elétrico, já que em um
sistema real existem variáveis que não são possíveis de serem aplicadas nesse
experimento, como por exemplo a resistência mecânica que deve suportar massas
superiores a alguns milhares de quilogramas, ou condições de temperaturas elevadas
e adversidades climáticas como a chuva.
Para realização do teste, foi utilizada uma caixa de madeira de 1kg de massa, que
possui tamanho idêntico ao da placa montada. Essa massa foi aplicada sobre os
transdutores de forma a obter uma frequência próxima à frequência máxima encontrada
na tabela 2. Dessa forma, foi estipulado duas aplicações cronometradas em um
segundo, que se aproxima do valor encontrado de 1,59 rodas por segundo.
Foram feitos repetidos testes com as especificações acima mencionadas, obtendo
assim valores de tensão de pico de 12V com pequenas variações para mais ou para
menos. O valor máximo de corrente alcançado foi de 0,02A.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Abramovich orienta que seja aplicado um fator K (que varia de 0 a 1) à potência gerada,
já que podem haver perdas mecânicas devido à má deformação da placa ou até mesmo
perdas elétricas por más conexões ou defeitos de circuito.
As placas que estão à disposição no mercado que pertencem a empresa Pavegen e a
Genziko, possuem valor de K que está próximo a 0,6. Baseado nessas informações, é
proposto a seguinte relação de geração:
𝑃𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = (𝑃𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑥 𝑛𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑥 𝑛𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎𝑠 𝑥 𝑛𝑣𝑒𝑖𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠)𝑥 𝐾
Onde 𝑃𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 é a quantidade de potência que cada placa de um metro quadrado tem
capacidade de gerar, 𝑛𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑡𝑜𝑠 o número de rodas que estarão em contato com a placa
7. e 𝑛𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎𝑠 a quantidade de faixas onde as placas estão instaladas e 𝑛𝑣𝑒𝑖𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠 a
quantidade de veículos que passam sobre as placas.
O sinal medido pode ser comparado a uma onda senoidal, que varia de 0 a 12 volts com
picos na frequência em que a pressão é aplicada. Dessa forma pode-se concluir que
um sistema piezoelétrico devidamente retificado, pode ser utilizado para carregamento
de um banco de baterias de forma a alimentar o circuito do semáforo.
Considerando os dados obtidos no experimento de 12V de tensão e 0,02A de corrente,
conclui-se através da expressão 𝑃 = 𝑉 𝑥 𝐼 que a potência gerada é de 0,24W.
Devido à escassez de dados confiáveis referente as placas disponíveis no mercado, foi
considerado para fins de cálculo os valores obtidos no experimento. Dessa forma,
considerando o fluxo medido em campo e os valores de geração proposto pelos dados
experimentais, podemos definir a potência gerada por uma faixa de rolamento conforme
a figura 5.
Figura 5: Gráfico de geração de uma faixa de rolamento.
Segundo o Conselho Nacional de Trânsito (Contran), a largura mínima de uma faixa de
trânsito é de 2,70m, e essa é a largura já implantada nas faixas da Avenida Nossa
Senhora da Penha. Neste caso, pode-se observar que a instalação de três placas em
uma faixa, seria o ideal para garantir que todas as rodas de um carro ou de uma moto
exercessem pressão sobre as placas geradores.
Segundo Sun Hsien Ming, cada foco de um semáforo a LED consome em média 10W/h,
no cenário atual do cruzamento temos nove semáforos veiculares que possuem três
focos cada e quatro semáforos de pedestres que possuem dois focos cada, ambos de
LED, necessitam de aproximadamente 350W/h de potência para funcionamento normal.
Tendo em vista que é necessário o movimento dos veículos sobre a placa e não a sua
parada (de SOUSA, 2015), pode-se concluir que a instalação de três placas geradoras
em apenas uma via de rolamento, antes da faixa de pedestres, seria o necessário para
garantir a potência necessária para alimentação do conjunto semafórico, bem como o
carregamento das baterias para suprimento nos horários de menor fluxo de veículos.
0,83
0,8
0,45
0,32
0,4
0,157
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Quinta Sexta Sábado
Potência gerada em uma hora (Kw)
P carros(Kw) P motos(Kw)
8. Considerando a instalação em apenas uma faixa da via, propõe-se a instalação de três
placas geradoras de 1m² cada.
Conforme o consumo de energia estipulado por Ming, o conjunto semafórico consome
em 24h o equivalente a 8,16Kw de potência. Considerando os valores da tabela 3, pode-
se obter a potência gerada por dia. Com a figura 6 demonstramos os valores separados
e a soma das potências geradas através dos carros e motos. Onde pode ser concluído
que a potência gerada em um dia seria o necessário para suprir toda a demanda de
potência do semáforo e ainda seria capaz de armazenar potência o suficiente para dias
atípicos de menor fluxo.
Figura 6: Gráfico de geração de energia por um dia de funcionamento.
O sistema proposto é um exemplo para condições normais de clima e temperatura,
tendo em vista que as informações sobre as placas já instaladas são escassas, já que
as empresas buscam reter informações com intuito de centralizar a tecnologia. Dessa
forma, necessita de mais estudos para verificar o comportamento em casos de
condições adversas.
VIABILIDADE ECONÔMICA
Segundo a EDP Espírito Santo, o preço do kWh no estado é de R$ 0,67. Dessa forma,
pode ser aplicada uma média ponderada sobre a potência diária gerada de segunda a
sexta feira com a potência diária gerada nos fins de semana, e assim obter o valor em
reais economizado na fatura de energia elétrica através da instalação do sistema
piezoelétrico.
Considerando os valores da figura 6, de segunda a sexta são gerados 17,71kW de
energia e nos finais de semana 8,74kW de energia. A média ponderada nos indica um
valor estimado em 15kW gerados por dia, e assim, 450kW de energia gerados por mês,
resultando num ganho financeiro de R$ 301,50 mensais.
Para a instalação das placas piezoelétricas, é necessário a contratação de serviços
como a infraestrutura no asfalto, sendo necessário retirar parte do asfalto e
posteriormente o recapeamento, também a compra e a instalação do retificador, do
11,952
6,485,76
2,26
17,712
8,74
0
5
10
15
20
SEG- SEX SAB-DOM
Potência gerada por dia (Kw)
P carros(Kw) P motos(Kw)
9. conversor e das baterias do sistema. Dessa forma, os valores referentes ao investimento
estão listados na tabela 4, obtidos através de cotações de mercado, sendo que o valor
das placas geradoras é indexado ao dólar.
Tabela 4: Valores da instalação do sistema piezoelétrico
Item Qtd Preço (R$)
Infraestrutura do asfalto
(3m)
1 2950,00
Equipe de instalação 1 4000,00
Placas geradoras* 3 1962,00
Bateria estacionária 3 2700,00
Conversor CC-CC 1 1500,00
Retificador CA-CC 1 1100,00
Total 14212,00
*Depende da cotação do dólar. Usado R$ 3,27.
Com a soma dos preços levantados, foi obtido o investimento total necessário. A vida
útil do sistema considerada foi de 5 anos (FUJIMOTO, 2014), e a taxa mínima de
atratividade calculada, foi de 0,8% a.m., resultante da soma da taxa livre de risco de
mercado (SELIC) hoje em 7,50% a.a. e de uma taxa de risco de 2,5% a.a. Assim como
visualizado na tabela 5 a implantação do sistema apresentou um VPL de R$120,86 e
um payback de 3,93 anos, o que demonstra a viabilidade econômica do sistema, mesmo
sob premissas conservadoras, como as adotadas neste trabalho.
Tabela 5: Cálculo da viabilidade econômica.
Dados Valores
Investimento R$ 14.212,00
Fluxo de Caixa Gerado R$ 301,50 a.m.
Taxa Livre de Risco do Mercado 7,5% a.a.
Taxa de Risco 2,5% a.a.
Taxa de Atratividade Mínima 0,8% a.m.
Vida Útil 5 anos
VPL R$ 120,86
Payback 3,93 anos
A figura 7 apresenta uma análise de sensibilidade do VPL em função do fluxo diário de
veículos, na qual podemos verificar que a partir de um tráfego médio mínimo de 1800
veículos por hora, o sistema se mostra economicamente viável.
10. Figura 7: VPL por fluxo diário de veículos
CONCLUSÃO
Os estudos realizados para estimar o potencial de geração de energia elétrica através
da instalação de placas piezoelétricas no cruzamento da Avenida Nossa Senhora da
Penha com a Avenida Desembargador Santos Neves, demonstraram que o intenso fluxo
de veículos que trafegam por uma faixa da avenida seria suficiente para manter o
funcionamento sustentável do sistema semafórico de todo o cruzamento. Dessa forma,
pôde-se verificar a eficiência do sistema proposto, que garante o suprimento de energia
total para o sistema semafórico através da piezoeletricidade, evitando que em casos de
faltas provenientes da rede elétrica da concessionária, venha a ocorrer o desligamento
de todo sistema causando congestionamentos ou acidentes, bem como a economia no
consumo de energia elétrica e a redução dos impactos ambientais causados pelos
outros meios comuns de gerar energia já conhecidos.
Com base nos dados obtidos foi possível observar que é vantajosa a utilização de placas
piezoelétricas em avenidas com fluxo intenso de veículos, a partir de 1800
veículos/hora, tendo em vista que utilizando apenas três placas foi possível alimentar
todo um conjunto semafórico. Seguindo por essa linha pode-se considerar que o
incremento de mais placas piezoelétricas pode também auxiliar na alimentação da
iluminação pública ou de outros tipos de sinalização eletrônica.
O presente trabalho apresenta como limitação o uso de um protótipo executado em
laboratório para estimativa da energia gerada, uma vez que há escassez de dados e
publicações confiáveis que indiquem a real capacidade de geração das placas
piezoelétricas e suas tecnologias auxiliares aplicadas. Destaca-se também que apesar
das garantias dos fabricantes, a durabilidade das placas piezoelétricas é um ponto de
atenção que precisa ser melhor estudado, uma vez que por ser implantada sob o asfalto,
estas devem suportar as elevadas pressões mecânicas e ter a capacidade de se
deformar e voltar a forma inicial, além de manter a capacidade de transformação de
energia mesmo em temperaturas elevadas. Portanto, observa-se que apesar das
vantagens da geração de energia piezoelétrica, ainda se fazem necessárias mais
pesquisas e investimentos para analisar as interferências nestes sistemas, bem como a
busca por materiais mais eficientes e economicamente viáveis.
(R$10.249,25)
R$ -6286,5
R$ -2323,75
R$ 1638,99
R$ 5601,74
R$ 9564,49
VPL
500 1000 1500 2000 2500 3000
Fluxo de Veículos
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