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CENTRO PAULA SOUZA

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE TATUÍ

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

JOSÉ FRANCISCO DE ALMEIDA NETO

LUCAS EVANGELISTA DA SILVAVICTOR DE MORAES DO PRADO

VITOR TRINDADE PALMA

A OTIMIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE COLETA DE ENERGIA 

Tatuí/SP2º Semestre/2015

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JOSÉ FRANCISCO DE ALMEIDA NETO

LUCAS EVANGELISTA DA SILVA

VICTOR DE MORAES DO PRADO

VITOR TRINDADE PALMA

A OTIMIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE COLETA DE ENERGIA 

Trabalho de Graduação apresentado àFaculdade de Tecnologia de Tatuí, comoexigência parcial para obtenção do grau detecnólogo em Automação Industrial, soborientação do Prof. Dr. Eik Tenório.

Tatuí/SP2º Semestre/2015

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JOSÉ FRANCISCO DE ALMEIDA NETO

LUCAS EVANGELISTA DA SILVA

VICTOR DE MORAES DO PRADO

VITOR TRINDADE PALMA

A OTIMIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE COLETA DE ENERGIA 

Trabalho de Graduação apresentado à

Faculdade de Tecnologia de Tatuí, comoexigência parcial para obtenção do grau detecnólogo em Automação Industrial, soborientação do Prof. Dr. Eik Tenório.

( ) APROVADO ( ) REPROVADO

Com média:..............

Tatuí, .............. de .......................... 20........

 ___________________________

Prof. ..........................................

FATEC – Tatuí

 ___________________________

Prof. ..........................................

FATEC – Tatuí

 ___________________________

Prof. ..........................................

FATEC – Tatuí

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES 

Figura 01: Sistema autônomo de geração de energia.................................................14

Figura 02: Sistema interligado de geração de energia................................................14

Figura 03: Radiação Solar Global Horizontal, Média Anual.........................................16

Figura 04: Estrutura e função de uma célula cristalina solar......................................17

Figura 05: Curva característica de um diodo..............................................................18

Figura 06: Diagrama do circuito equivalente e curva característica de uma célula em

total escuridão............................................................................................................19

Figura 07: Diagrama do circuito equivalente e curva característica da célula

irradiada......................................................................................................................19Figura 08: Diagrama completo do circuito equivalente................................................20

Figura 09: Circuito representante...............................................................................24

Figura 10: Pastilha Piezoelétrica com cabos soldados..............................................25

Figura 11: Demonstrativo do circuito utilizado............................................................25

Figura 12: Demonstrativo de uma pastilha ligada no circuito.....................................26

Figura 13: Disposição das pastilhas na esponja........................................................26

Figura 14: Disposição do tapete em relação as pastilhas..........................................27Figura 15: Disposição final do protótipo.....................................................................27

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

 ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica

 ABRASCE – Associação Brasileira de Shopping Centers

Pnude - Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento

CC – Corrente Contínua

CA – Corrente Alternada

INEE – Instituto Nacional de Eficiência Energética

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Dedicamos a todas as gerações futuras,

para que tenham consciência do quão

importante é buscar novos meios de

geração de energia.

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 Agradecimentos

 Ao professor Dr. Eik, pela incrível orientação, dedicação, apoio, instruções e

todas as maneiras que agiu para auxiliar no desenvolvimento de todo esse trabalho e

protótipo.

 A renomada instituição, Faculdade de Tecnologia de Tatuí, pela oportunidade

de crescimento e formação.

 A todos os familiares e amigos, pela cumplicidade, apoio e motivação, não

deixando faltar afeto nos momentos de preocupações e falhas.

 Ao nosso amigo e companheiro de turma, Luiz Cláudio da Silva, pelas ideias,

direções e empenho em ajudar.

E por fim, a Deus e todos aqueles que de alguma forma, diretamente ou

indiretamente, contribuíram para o desenvolvimento desse trabalho.

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“Nossas dúvidas são traidoras e nos fazem perder

o que, com frequência, poderíamos ganhar pelo

simples medo de arriscar”  

(Willian Shakespeare)

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SUMÁRIO

1.  INTRODUÇÃO ................................................................................................... 10 

1.1  JUSTIFICATIVA .................................................................................................. 11 

1.2  OBJETIVOS ........................................................................................................ 11 

1.2.1  OBJETIVO GERAL ...................................................................................... 11 

1.2.2  OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 11 

2.  REVISÃO DA LITERATURA .............................................................................. 12 

2.1 

PAINEL FOTOVOLTAICO .................................................................................. 12 

2.1.1.  DEFINIÇÕES ............................................................................................... 13 

2.1.2.  SISTEMAS AUTÔNOMOS E SISTEMAS LIGADOS A REDE ..................... 13 

2.1.3.  COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO LIGADO A

REDE ELÉTRICA ...................................................................................................... 14 

2.1.4.  RADIAÇÃO SOLAR ..................................................................................... 15 

2.1.5.  TIPOS DE CÉLULAS SOLARES ................................................................. 16 

2.1.6. 

PROPRIEDADES ELÉTRICAS DAS CÉLULAS SOLARES ........................ 18 

2.1.7.  NORMAS E LEGISLAÇÃO .......................................................................... 20 

2.2. TRANSDUTOR PIEZOELÉTRICO ..................................................................... 21 

3.  MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 23 

3.1 MATERIAIS........................................................................................................ 28

4.  RESULTADOS E DISICUSSÕES ...................................................................... 28 

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 29 

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1. INTRODUÇÃO

O Energy Harvesting  é uma forma de extração de energia que caracteriza a

aquisição e a conversão de algum tipo de energia natural em energia elétrica utilizável.

Nessa perspectiva, o trabalho pretende desenvolver um sistema de geração de

energia através de transdutores piezoelétricos. Para tanto, aperfeiçoar-se-á a geração

de energia utilizando o transdutor, analisar-se-á o rendimento, o dimensionamento e

os custos de aplicação do sistema de geração, bem como o impacto econômico deste

processo e possíveis projeções futuras para maiores escalas.

 A extração de energia através de painéis fotovoltaicos e transdutorespiezoelétricos são métodos de Energy Harvesting . Nos painéis, o calor gerado nas

placas de silício é transformado em uma parcela de energia por um circuito conversor

de potência. Já no transdutor piezoelétrico, a presença de uma ação mecânica é

convertida em energia (Souza, 2011).

Se comparado com outros países do mundo, o Brasil é o que mais possui

riquezas naturais ainda exploráveis. Porém, enfrentamos o problema de administrar e

de aproveitar essas riquezas sem causar danos futuros. No contexto da biocivilização,o país se destaca pelo alto potencial hídrico, pela vasta biodiversidade e outros

recursos base da economia verde. Como esses recursos hídricos são abundantes, as

outras fontes naturais de captação de energia acabam, muitas vezes, sendo deixadas

de lado.

Geograficamente, o Brasil possui regiões que são cortadas pela linha do

Equador, as quais recebem uma alta incidência de luminosidade, o que representa

cerca de 13 horas diárias de luz (University of Nebraska at Lincoln) durante o ano.Partindo deste cenário verifica-se a necessidade de buscar novos meios de extrair

energia dos recursos naturais ainda disponíveis.

Para tanto, o projeto aqui descrito atribui o transdutor para ser um piloto em

relação a extração e a geração de energia, obtendo um rendimento suficiente, ou seja,

uma quantidade significativa de energia, além das possíveis projeções futuras para

maiores escalas.

O projeto se divide em seções, nas quais serão apresentados todo conteúdo

relevante ao desenvolvimento do protótipo. Na seção 2 encontra-se o embasamento

teórico, que explica o histórico e funcionamento do painel fotovoltaico e do

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piezoelétrico. Na seção 3 encontra-se o desenvolvimento do protótipo, bem como

seus materiais, seleção e montagem. Na seção 4 é apresentado os resultados obtidos

nos testes realizados com o protótipo, e por fim, na seção 5 apresenta-se as

conclusões sobre o trabalho apresentado.

1.1 JUSTIFICATIVA

O aumento do consumo de energia, a escassez dos recursos e a busca por

novos meios de geração de energia vem sendo debatidos em larga escala mundial

para tentar suprir toda demanda, sem causar impactos que comprometam as

gerações futuras. Mesmo conseguindo reduzir a dependência total do petróleo, asgrandes potências buscam diversificar a sua matriz energética, através de tecnologias

mais limpas. O Brasil possui uma das matrizes mais limpas, se comparado com outros

países, tendo desde a hidroeletricidade, termoelétricas, eólica a biomassa.

Partindo deste pressuposto, a proposta da busca por um meio que gere energia

com baixo custo, una uma fonte natural e uma consequência mecânica, torna-se

fundamental, além de promover novas formas de manejar a energia elétrica.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo desta pesquisa é desenvolver e dimensionar um projeto piloto para

a geração de energia através do transdutor piezoelétrico, como uma nova linha do uso

da energia natural.

1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Como objetivos específicos, buscar-se:

a) Conceituar o transdutor piezoelétrico;

b) Desenvolver um circuito de potência e de controle da geração de

energia;c) Criar um protótipo como projeto piloto;

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d) Analisar o rendimento da nova proposta;

e) Demonstrar o sistema através do protótipo;

f) Desenvolver a possibilidade de aplicação em maiores escalas.

2. REVISÃO DA LITERATURA

Nesta seção é apresentado todo o conteúdo teórico para a compreensão e

desenvolvimento do trabalho e protótipo, assim, este embasamento aborda

principalmente a história do painel fotovoltaico e do transdutor piezoelétrico, bem

como seu funcionamento e conformidades.

2.1 PAINEL FOTOVOLTAICO

O Sol hoje é uma fonte de energia que está nos mesmos patamares

econômicos de produção de qualquer outra fonte não renovável, ademais de não

causar danos ambientais. Em 1839, Edmond Becquerel relatou o primeiro efeito

fotovoltaico, quando observou o aparecimento de uma tensão entre eletrodos imersos

em um eletrólito, cujo valor variava conforme a intensidade da luz.

Posteriormente, em 1905, Albert Einstein explicou o efeito fotovoltaico através

do advento da mecânica quântica e, em particular, a teoria de bandas e a física dos

semicondutores, assim como as técnicas de purificação e dopagem associadas ao

desenvolvimento do transístor de silício (VALLÊRA, 2006).

Dessa forma descobriu-se que vários outros materiais também produziam uma

tensão quando expostos a luz, principalmente solar. Na década de 50, constatou-seque os semicondutores eram os melhores materiais em performance e logo foram

usados para a confecção das primeiras células fotovoltaicas, as quais possuíam um

rendimento relativamente baixo (10 a 11%), porém atualmente, já superam os 42%

(Universidade de Delaware, 2007).

 As células foram utilizadas primeiramente nos satélites que eram lançados no

espaço, para depois evoluírem ao ponto de serem usadas a nível industrial e

residencial. 

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2.1.1. DEFINIÇÕES

Com o objetivo de uniformizar os termos utilizados serão definidas as

diferenças entre célula, módulo, painel fotovoltaico e coletor solar.

 A célula fotovoltaica é constituída por um material semicondutor com junções

positivas e negativas obtidas do processo de dopagem. Na sua superfície possui uma

película antireflexiva e filetes condutores. O módulo fotovoltaico é a união em série

e/ou paralelo de um conjunto de células fotovoltaicas acomodadas lado a lado em

uma estrutura que as comporte e ainda seja possível instalá-las em telhados e demais

superfícies. Na parte superior possui um vidro temperado para a passagem da luz e

na inferior, os terminais. Já o painel fotovoltaico é o conjunto de módulos, ou seja, a

estrutura final.

Por fim, o coletor solar não produz energia, apenas absorve e transfere o calor

para aquecer determinado fluido. Muito utilizado no aquecimento de água nas

residências.

2.1.2. SISTEMAS AUTÔNOMOS E SISTEMAS LIGADOS A REDE

Os painéis fotovoltaicos são objetos fabricados para serem utilizados em

ambientes externos, assim são apropriados para à integração ao envoltório de

edificações. Sistemas solares integrados às edificações podem ter dupla função de

gerar eletricidade e funcionar como elemento arquitetônico. Do ponto de vista da

eficiência energética, estes sistemas são bastante ideais, visto que a geração e o

consumo têm coincidência, reduzindo as perdas por transmissão, que são comuns

nos métodos tradicionais de geração e distribuição. Os sistemas fotovoltaicos podemser divididos em: sistemas ligados a rede e sistemas autônomos (RÜTHER, 2004).

No sistema autônomo, o aproveitamento da energia precisa ser ajustado à

demanda, uma vez que a energia produzida não seja o suficiente, tornando necessário

o uso de sistemas de armazenamento (banco de baterias) e meios de apoio

complementares de produção de energia (sistemas híbridos). Já no sistema ligado à

rede elétrica, a própria opera como um acumulador de energia, onde parte dela pode

ser devolvida à rede, no caso, redes smart grid  (GREENPRO, 2004).

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Figura 01: Sistema autônomo de geração de energia

Figura 02: Sistema interligado de geração de energia

2.1.3. COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO LIGADO A

REDE ELÉTRICA

Uma instalação solar fotovoltaica conectada à rede elétrica é composta por:

painéis solares, sistema de fixação ao envoltório da construção, sistema conversor

CC-CA (inversor), diodos de by-pass  e diodos de bloqueio, fusíveis e disjuntores,

cabos elétricos, terminais, proteções contra sobre tensões e descargas atmosféricas

e caixas de conexão (RÜTHER, 2004).

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Os módulos solares apresentam normalmente tensões de circuito aberto em

torno de 20V, apropriadas para a carga de baterias de 12V em sistemas autônomos,

visto que esta era tradicionalmente a aplicação mais comum. Com o crescente

interesse por instalações conectadas à rede elétrica - onde as tensões de 110 ou 220V

são utilizadas - a indústria vem lançando no mercado módulos com tensões de circuito

aberto mais elevadas. Em qualquer caso, para atingir a potência instalada de projeto,

normalmente são utilizadas combinações série/paralelo de vários módulos, para que

se obtenham as tensões e correntes desejadas (RÜTHER, 2004).

Em qualquer instalação solar fotovoltaica o módulo solar fotovoltaico é a célula

básica do sistema gerador. A quantidade de módulos conectados em série irá

determinar a tensão de operação do sistema em CC. A corrente do gerador solar édefinida pela conexão em paralelo de painéis individuais ou de strings (conjunto de

módulos conectados em série). A potência instalada, normalmente especificada em

CC, é dada pela soma da potência nominal dos módulos individuais (RÜTHER, 2004).

Existem vários tipos de células solares como: Células de Silício Cristalino,

Células de Silício Monocristalino, Células de Silício Policristalino, Power -Células de

Silício Policristalino, Células de Silício Laminadas e Células de Silício Cristalino de

Película Fina, dentre muitos outros (GREENPRO, 2004).

2.1.4. RADIAÇÃO SOLAR

 A radiação solar é a principal fonte de energia renovável da Terra e de todos

os seres vivos. Além disso, afeta diversos processos físicos, biofísicos e biológicos

(SENTELHAS; ANGELOCCI, 2009).

Ela é composta por fótons de diferentes comprimentos de onda que

apresentam uma distribuição específica chamada espectro. Levando em

consideração os efeitos do espalhamento e da absorção pelos constituintes

atmosféricos, em dias de céu claro, o total de radiação de ondas curtas incidente é

composto de duas partes: a radiação solar direta, é a radiação que não sofre desvio

em sua trajetória sendo responsável pela projeção de sombra nos objetos e a radiação

solar difusa, decorre do processo de difusão e não projeta sombra. E a soma dessas

chama-se radiação solar global (LIMA, 2003).

No centro do Sol, a fusão transforma núcleos de hidrogênio em núcleos de

hélio. Durante este processo, parte da massa é transformada em energia. O Sol é

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assim um enorme reator de fusão. Devido à grande distância existente entre o Sol e

a Terra, apenas uma mínima parte (aproximadamente duas partes por milhão) da

radiação solar emitida atinge a superfície da Terra. Esta radiação corresponde a uma

quantidade de energia de 1x1018 KWh/ano (GREENPRO, 2004).

Figura 03: Radiação Solar Global Horizontal, Média Anual (Atlas, 2006)

2.1.5. TIPOS DE CÉLULAS SOLARES

 A célula solar de silício cristalino é composta por duas camadas de silício

contaminadas com diferentes impurezas. A camada superior, ou seja, a exposta ao

Sol, está contaminada negativamente com fósforo. Já a camada inferior está

contaminada positivamente com boro. É produzido um campo elétrico na junção das

duas camadas, que conduz à separação das cargas (elétrons e lacunas) libertadas

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pela luz solar. No intuito de gerar eletricidade a partir da célula solar, são impressos

contatos metálicos nas suas partes frontal e posterior (GREENPRO, 2004).

Figura 04: Estrutura e função de uma célula cristalina solar

Seguem abaixo os tipos de células solares existentes. A escolha pelo tipo

será adequada conforme a aplicação.

a) Células de Silício Monocristalino;

b) Células de Silício Policristalino;

c) Células de Silício Power-Cristalinas;

d) Células de Silício Laminadas;

e) Células de Silício Cristalino de Película Fina;

f) Células de Silício Policristalino EFG;g) Células de Faixa de Filamentos de Silício Policristalino;

h) Células de Rede Dendrítica de Silício Monocristalino;

i) Células Policristalinas Apex;

 j) Células de Silício Amorfo;

k) Células de Diselenieto de Cobre e Índio;

l) Células de Telurieto de Cádmio;

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2.1.6. PROPRIEDADES ELÉTRICAS DAS CÉLULAS SOLARES

Uma célula solar composta por camadas de silício contaminado por impurezas

do tipo p e do tipo n, tem o mesmo princípio que um díodo comum de silício. Ambostêm propriedades elétricas semelhantes. Quando o díodo é ligado a um circuito de

modo que o potencial seja positivo no ânodo dopado com impurezas do tipo p, e

negativo no cátodo dopado com impurezas do tipo n, o díodo está diretamente

polarizado. Neste caso aplica-se a curva característica do primeiro quadrante.

 A partir de uma tensão definida (a tensão limiar de condução neste caso é

0,7V), a corrente passa a fluir. Se o díodo for polarizado inversamente, a corrente é

impedida de circular nesta direção. Neste caso aplica-se a curva característica do

terceiro quadrante. O díodo apenas se torna condutivo quando se superar a tensão

de bloqueio (neste caso 150V). Isto pode levar inclusive à destruição do díodo

(GREENPRO, 2004).

Figura 05: Curva característica de um diodo

Uma célula solar não iluminada é representada por um diodo no diagrama do

circuito equivalente. Neste contexto, também é aplicável a curva característica de um

diodo. Para uma célula solar monocristalina, pode-se assumir uma tensão limiar de

condução de aproximadamente 0,5 V e uma tensão de bloqueio de 12 a 50 V

(dependendo da qualidade e do material da célula) (GREENPRO, 2004).

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Figura 06: Diagrama do circuito equivalente e curva característica de uma célula em

total escuridão

Quando a luz incide na célula solar, a energia dos fótons gera portadores de

carga livre. Uma célula solar iluminada forma um circuito paralelo entre uma fonte de

corrente e um díodo. A fonte de corrente produz uma corrente fotoelétrica (foto

corrente) IPh. A corrente depende da irradiação solar. A curva característica do díodo

é desviada pela magnitude da foto corrente na direção da polarização inversa (quarto

quadrante no diagrama) (GREENPRO, 2004).

Figura 07: Diagrama do circuito equivalente e curva característica da célula irradiada

O diagrama completo do circuito elétrico equivalente, é designado por modelo

de um diodo e é utilizado como modelo padrão de uma célula fotovoltaica. Na célula

solar ocorre uma queda de tensão, quando os portadores de carga migram do

semicondutor para os contatos eléctricos. Isto é descrito pela resistência série Rs.

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Esta resistência tem uma amplitude de uns poucos miliohms. O modelo é

completo por uma resistência paralela (Rp >>10 ohms), que descreve a corrente de

fuga inversa. Ambas as resistências são responsáveis pelo abatimento da curva

característica da célula solar. Com a resistência em série, é possível calcular as curvas

características de corrente e de tensão das células solares, para diferentes irradiações

e temperaturas, de acordo com os procedimentos estabelecidos nas normas DIN EN

60891/IEC 60891 (GREENPRO, 2004).

Fórmulas:

= − −   (1)

=

=

+  ×

  (2)

Figura 08: Diagrama completo do circuito equivalente

2.1.7. NORMAS E LEGISLAÇÃO

 A geração elétrica perto do consumidor chegou a ser a regra na primeira

metade do século, quando a energia industrial era praticamente toda gerada

localmente. A partir da década de 40, no entanto, a geração em centrais de grande

porte ficou mais barata, reduzindo o interesse dos consumidores pela geração

distribuída e, como consequência, o desenvolvimento tecnológico para incentivar esse

tipo de geração também parou (INEE, 2014).

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 A Agência Nacional de Energia Elétrica  – ANEEL, estabeleceu dia 17 de abril

de 2012 uma nova resolução normativa de número 482, que estabelece condições

gerais para mini e micro geração de energia elétrica.

Os micros geradores são aqueles com potência instalada menor ou igual a 100

quilowatts (kW), e os mini geradores, aqueles cujas centrais geradoras possuem

potência superior a 100 kW e inferior a 1 megawatt (MW). As fontes de geração

precisam ser renováveis ou com elevada eficiência energética, isto é, com base em

energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada (ANEEL, 2012).

Esta resolução foi criada para simplificar a conexão das mini e micro centrais à

rede das distribuidoras de energia elétrica. Permite que a energia excedente

produzida possa ser repassada para a rede, gerando um “crédito de energia” que será

posteriormente utilizado para abater seu consumo (ANEEL, 2012).

 As distribuidoras tiveram até dezembro de 2012 para adequar seus sistemas

comerciais e elaborar ou revisar normas técnicas para tratar do acesso da micro

geração e mini geração distribuída, utilizando como referência os Procedimentos de

Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, as normas

técnicas brasileiras e, de forma complementar, as normas internacionais (ANEEL,

2012).

2.2. TRANSDUTOR PIEZOELÉTRICO

2.2.1. INTRODUÇÃO

 A energia, independente da sua forma, é indispensável na sobrevivência dos

seres humanos. E mais do que sobreviver, o homem sempre buscou se aprimorar, ouseja, evoluir naturalmente baseado nas condições dos ambientes impostos a ele.

Dessa forma, a escassez ou exaustão de um dado recurso tende a ser compensado

com outro. Em termos de suprimento energético, a eletricidade tornou-se uma das

formas mais versáteis, passando a ser um recurso indispensável.

Em meio ao século XXI, apesar dos avanços tecnológicos no modo de geração,

distribuição e uso da energia elétrica, ainda há sérios problemas com o acesso da

população a mesma. Segundo o relatório divulgado pelo Programa das Nações

Unidas para o Desenvolvimento, cerca de 1,4 bilhão de pessoas no mundo não tem

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acesso à energia elétrica. Já no Brasil, apenas 2% da população não possui acesso.

(Pnude, 2011)

Grande parte dos recursos energéticos do país se concentram em regiões

pouco desenvolvidas, distantes dos grandes centros urbanos consumidores e sujeitos

a restrições ambientais. Promover o desenvolvimento econômico-social destas

regiões é um grande desafio para as políticas governamentais. Portanto, é

fundamental o conhecimento dos recursos energéticos disponíveis para o

aproveitamento e necessidades dos setores e regiões do Brasil.

2.2.2. HISTÓRICO

 A palavra piezoeletricidade se origina do grego  piezein - que significa

pressionar firmemente ou apertar. A Piezoeletricidade foi descoberta pelos irmãos

Curie: Pierre e Jacques. Em 1880 eles descobriram que alguns cristais quando

comprimidos em uma certas direções apresentavam cargas positivas e negativas em

algumas partes da superfície do cristal. Essas cargas eram proporcionais a pressão

aplicada e desapareciam quando não havia mais pressão. (TICHÝ; ERHART;

KITTINGER; PRÍVRATSKÁ, 2010) A descoberta não foi ao acaso, tinha sido influenciada por estudos que Pierre

Curie havia desenvolvido em piroeletricidade e simetria de cristais. Ele descobriu que

polos são produzidos apenas em algumas direções dependendo da simetria particular

do cristal. Um pouco antes outra descoberta tinha sido feita a piroeletricidade, uma

variação de temperatura pode ocasionar uma série de efeitos elétricos no cristal

conhecida como piroeletricidade. O efeito piezoelétrico está relacionado muito perto

do efeito piroelétrico. A conexão entre piroeletricidade e piezoeletricidade éfundamental. Todos os materiais piroelétricos são intrinsecamente piezoelétricos.

(TICHÝ; ERHART; KITTINGER; PRÍVRATSKÁ, 2010). 

2.2.3. O EFEITO PIEZOELÉTRICO

O efeito piezoelétrico existe em dois domínios: o primeiro é o efeito direto, que

descreve a capacidade do material de transformar a tensão mecânica em carga

elétrica; a segunda forma é o efeito inverso, que é a capacidade de converter um

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potencial elétrico aplicado em tensão mecânica. O efeito direto funciona como um

sensor e o efeito inverso, como um atuador.

Materiais piezoelétricos pertencem a uma classe maior, chamados

ferroelétricos. Uma das características que definem um elemento ferroelétrico é a

orientação da estrutura molecular, onde há uma separação de carga local, obtendo

um dipolo elétrico.

Durante toda a composição do material os dipolos elétricos são orientados

aleatoriamente, porém quando aquecido acima de um certo ponto - a temperatura de

Curie - e um campo elétrico forte é aplicado, os dipolos elétricos reorientam-se em

relação a este campo. Este processo é denominado poling. Uma vez resfriado, os

dipolos tendem manter a sua orientação. Após o processo de poling estar completo,o material irá apresentar o efeito piezoelétrico (SODANO, INMAN, PARK, 2004).

O comportamento mecânico e elétrico de um material piezoeléctrico pode ser

modelado por duas equações constitutivas lineares. Estas equações contêm duas

variáveis mecânicas e duas elétricas. O efeito direto e o efeito inverso podem ser

modelados pelas seguintes matrizes (IEEE Standard on Piezoelectricity, ANSI

Standard 176-1987):

Efeito Direto – {} = [] {} [] {}  (1)

Efeito Inverso - {} = [] {} − [] {}  (2)

Onde, {D} é o vetor de deslocamento elétrico; {T} é o vetor estresse; [e]

representa a permissividade da matriz dielétrica; [

] é a matriz de coeficienteselásticos na intensidade do campo elétrico constante; {S} é o vetor de tensão; [] é

a constante da tensão mecânica da matriz dielétrica, e {E} é o vetor do campo elétrico.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Nessa seção serão descritos todos os procedimentos utilizados para definir a

construção do protótipo, os materiais usados e a montagem final.

Esquemático representando as etapas e ideia geral do experimento.

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Figura 09: Circuito representante

 A pastilha piezoelétrica quando submetida a um esforço mecânico que

ocasiona uma deformação, devido a presença do quartzo, gera um sinal alternado,

este então passa pela ponte retificadora de onda completa, esse sinal então passa a

ter um comportamento de contínuo. Nesse ponto a energia gerada irá variar de acordo

com número de pastilhas piezoelétricas que forem pressionadas, o capacitor

eletrolítico então passa a armazenar essa energia e com a utilização de uma chave

margirius, podendo ser normalmente aberta ou normalmente fechada, o capacitor se

descarrega, tem-se assim a necessidade de utilizar resistores para limitar o tempo de

descarga, então um diodo emissor de luz faz a função de uma carga exemplar, devido

a seu baixo consumo.

O protótipo em desenvolvimento o layout busca ser um projeto piloto para uma

aplicação em maior escala, dessa forma é possível fazer com que as pastilhas

piezelétricas gerem tensão suficiente para que possa alimentar pequenas cargas

Em vista das características e efeitos da pastilha piezoelétrica, foi realizado

então a solda da fiação, na parte superior, que contém quartzo, e na parte inferior do

mesmo. Para garantir que não houvesse rompimento da solda ou danos a fiação em

contato com piezoelétrico, foi acrescentado uma camada com cola quente.

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Figura 10: Pastilha Piezoelétrica com cabos soldados

 A diferença de potencial gerada na pastilha piezoelétrica tem um sinal de

comportamento alternado, devido a tal característica faz se necessário usar-se de um

meio para adequá-lo, utilizamos então uma ponte retificadora de onda completa. Com

uma matriz de contatos foi possível realizar a montagem do componente e permitir

que comporte as pastilhas piezoelétricas.

Figura 11: Demonstrativo do circuito utilizado

Foi utilizado uma espuma para minimizar os danos a pastilha piezoelétrica,aumentando assim sua vida útil e permitindo suportar uma pressão maior e constantes

esforços que são submetidas.

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Figura 12: Demonstrativo de uma pastilha ligada no circuito

Utilizando-se de uma espuma maior foram distribuídas quatro pastilhas

piezoelétricas, para que nao sejam deslocadas foi utilizado uma fita adesiva para não

comprometer o material.

Figura 13: Disposição das pastilhas na esponja

Com as pastilhas piezoelétricas posicionadas, colocamos um tapete de silicone

contendo ventosas na parte inferior, essas responsáveis em transmitir a pressão para

as pastilhas piezoelétricas.

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Figura 14: Disposição do tapete em relação as pastilhas

Para que ocorra a geração de energia mais eficiente as pastilhas devem ser

ligadas na forma paralela, onde o efeito de geração ocorre de forma independente.

Figura 15: Disposição final do protótipo

Para armazenar a energia gerada pela pastilha piezoelétrica foi utilizado dois

capacitores de 1000uf, que funcionam como uma bateria, são capacitores que tem um

funcionamento levemente parecido com o de uma bateria, devida a sua alta

capacitância conseguem manter a energia por um tempo maior que os demais

capacitores de baixa capacidade.

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Figura 16: Protótipo final, ligado ao circuito

3.1. MATERIAIS

Seguem abaixo os materiais utilizados para a construção do protótipo:

  Capacitor eletrolítico 100uf 25V;

  Capacitor eletrolítico 1000uf 16V;  Pastilha piezoeléctrica 20mm;  Pastilha piezoeléctrica 35mm;  Ponte Retificadora de Onda Completa;  Resistores: 10k,100k,150 e 300 (Ω);   Chave Margirius.   Tapete plástico com ventosas   Fita Adesiva tipo crepe   Esponjas

4. RESULTADOS E DISICUSSÕES

Nesta seção serão descritos todos os testes realizados no protótipo, bem como

seus resultados.

Na disposição apresentada verificou-se que com 4 pastilhas piezoelétricas foi

possível alcançar um pico de tensão de 20V.

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REFERÊNCIAS

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GREENPRO. Energia Fotovoltaica: Manual sobre tecnologias, projeto einstalações, 2004.

Hours of Daylight per Day at 23.0º S, University of Nebraska at Lincoln. Disponívelem:

INEE, Instituto Nacional de Eficiência Energética. O que é Geração Distribuida.Disponívelem: < http://www.inee.org.br/forum_ger_distrib.asp>.

LIMA, Kellen Carla. Radiação Solar Global, UFPEL, 2003.

RODRIGUES, S. A.; BATISTELA, G. C. Uma revisão sobre a disponibilidadehídrica brasileira para geração e energia elétrica. Revista Eletrônica do Curso deGeografia, Universidade Federal de Goiás, n.21, Jul-Dez, 2013, Jataí.

RÜTHER, R. Edifícios solares fotovoltaicos. Florianópolis, 2004.

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SOUZA, F. S. Sistema de Extração de Potência (Power Harvesting) usandotransdutores piezoelétricos, 2011, 104f. Dissertação (Mestrado), Faculdade deEngenharia Elétrica, Unesp, Ilha Solteira.

TICHÝ, Jan ; ERHART, Jirí ; KITTINGER, Erwin; Prívratská, Jana . Fundamentals of

Piezoelectric Sensorics: Mechanical, Dielectric, and Thermodynamical

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