SISTEMA DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA CINÉTICA EM ENERGIA ELÉTRICA POR MEIO DE UMA BICICLETA ERGOMÉTRICA COM AQUISIÇÃO DE SINAIS E DADOS.

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1 ISSN SISTEMA DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA CINÉTICA EM ENERGIA ELÉTRICA POR MEIO DE UMA BICICLETA ERGOMÉTRICA COM AQUISIÇÃO DE SINAIS E DADOS. ILANA PEREIRA COSTA, FERNANDO BENEDICTO MAINIER, GABRIEL COSTA TELLES, SEVERINO JOAQUIM CORREIA (IFF, UFF) Resumo: Muitas são as formas de geração de energia no Brasil. Gera-se eletricidade a partir de usinas hidrelétricas, termelétricas, eólica e outras. Cada modo de geração de energia tem suas próprias características. Infelizmente algumas destas utilizam meios que são prejudiciais ao meio ambiente. A ideia deste projeto é gerar energia elétrica de uma forma limpa, segura e sustentável, a partir da transformação de energia mecânica cinética. Será idealizado para academias onde se pretende aproveitar a energia gerada pelo movimento de atletas em equipamentos de ginástica específicos como bicicletas ergométricas. O protótipo consiste em um sistema para a transformação e aproveitamento da energia que poderá ser armazenada e utilizada no momento desejado. Este sistema possui características próprias de construção, composto por um motor BLDC (brushless DC), um regulador de tensão, uma bateria para armazenar a energia, um conversor DC/AC, um dispositivo de segurança, uma tomada, sensores, e uma placa NI USB 6009 programada no software LabView, o qual será utilizado na aquisição e exibição dos dados de controle da bicicleta e do usuário. Palavras-chaves: Energy Harvesting. Desenvolvimento Sustentável. Aquisição e Monitoramento de Dados. Geração de Energia Alternativa.

2 INTRODUÇÃO A Energia Elétrica tornou-se recurso indispensável para a qualidade de vida da sociedade. Seu uso configura as necessidades básicas do ser humano e do desenvolvimento, seja ele social, econômico, tecnológico ou científico. Segundo o Atlas de Energia Elétrica no Brasil da Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL (2008), O consumo de energia é um dos principais indicadores do desenvolvimento econômico e do nível de qualidade de vida de qualquer sociedade. Ele reflete tanto o ritmo de atividade dos setores industrial, comercial e de serviços, quanto a capacidade da população para adquirir bens e serviços tecnologicamente mais avançados, como automóveis (que demandam combustíveis), eletrodomésticos e eletroeletrônicos (que exigem acesso à rede elétrica e pressionam o consumo de energia elétrica). De acordo com a publicação O Uso da Energia Elétrica no Ambiente Residencial, de autoria do mestrando Cesar Furlanetto e do Doutor Osmar Possamai (2001), o consumo de energia elétrica residencial no Brasil aumentou cerca de 166% entre os anos de 1983 e Segundo os autores, essa elevação deu-se devido aos novos equipamentos e eletrodomésticos que surgiram no mercado e a sua facilidade de compra. Defendem que muitas pessoas começaram a usufruir do benefício trazido por equipamentos que facilitam o trabalho doméstico, e consequentemente permite que os trabalhos sejam realizados em menos tempo e de forma menos cansativa; permitindo mais tempo para ser dedicado a trabalhos fora de casa. Como exemplo desses equipamentos, pode-se citar a cafeteira, máquina de lavar roupa, máquina lava-louças, aspirador de pó, microondas, etc. Os autores também afirmam que a facilidade permitida pelo surgimento do controle remoto, faz com que outros equipamentos como a TV e o aparelho de som, por exemplo estejam em stand by, fato este que permite que o aparelho eletrônico esteja consumindo energia, mesmo quando não se encontra em uso. Acredita-se que a demanda nacional por energia elétrica tende a tornar-se maior a cada ano. Segundo a Nota Técnica Projeção da demanda de energia elétrica para os próximos 10 anos da EPE Empresa de Pesquisa Energética A demanda de energia elétrica no Brasil ao longo da década deverá crescer a uma taxa média de 4,8% ao ano, saindo de um patamar de consumo total de 456,5 mil gigawatts-hora (GWh) no ano de 2010 para 730,1 mil GWh em OBJETIVO 2.1 Objetivo Geral: A pesquisa tem por objetivo utilizar uma bicicleta ergométrica para gerar energia elétrica, disponibilizando-a em uma tomada de 110V que permitirá ligar diversos equipamentos eletrônicos Objetivos Específicos: Criar um sistema eficiente de geração de energia elétrica de forma limpa e sustentável; Coletar dados de potência gerada a partir de diferentes pessoas; 2

3 Criar um Sistema Supervisório, usando o software LabView para que o usuário possa visualizar em tempo real os dados que estão sendo coletados a partir de seu esforço físico. 3 METODOLOGIA: 3.1. O Protótipo: A especificação de itens do protótipo da bicicleta, encontra- se a seguir: 3.1. Dispositivo Mecânico: Consiste em uma base feita a partir de ferro e materiais reaproveitados de sucata acoplados à roda da bicicleta ergométrica por meio de uma correia. Os componentes do dispositivo mecânico estão ilustrados na figura 16 e serão descritos a seguir: Figura 16: Componentes do dispositivo mecânico Fonte: Próprio Autores (2012) Descrição dos itens demonstrados na Figura 16: 3

4 1) O Motor/Gerador Brushless com uma peça de ferro soldada em seu eixo girante, a fim de evitar esforço mecânico sobre o mesmo; uma vez que o esforço aplicado diretamente sobre seu eixo, causa danos ao funcionamento do gerador. O motor brushless DC é um motor de corrente contínua sem escovas que funciona baseado no conceito de repulsão/atração de pólos magnéticos. O motor é composto de rotor e estator. O motor possui quatro imãs permanentes presos ao rotor, que ao girar, induzem campo elétrico no eixo do estator, transformando a energia mecânica em energia elétrica com algumas perdas. Uma de suas maiores vantagens é que, devido ao fato de o rotor conter somente os ímãs permanentes, não precisa de alimentação. Foi usado o motor Bosch 12 V 2) Parte de uma bomba d água automotiva sucateada, que foi acoplada ao eixo girante do motor/gerador. Esta peça foi utilizada para girar juntamente com o eixo do motor, podendo assim conter o atrito direto das pedaladas sobre este. 3) Caixa de ferro modelada para dar suporte aos demais equipamentos; 4) Duas peças de ferro que serão utilizadas para fixar o dispositivo na roda da bicicleta; 5) Retificador de Tensão, que serve para manter a tensão de saída constante, mesmo havendo variações na tensão de entrada (WENDLING, 2009). Este equipamento possui grande importância, devido às grandes variações de tensão geradas pelo sistema, uma vez que cada usuário irá pedalar em uma velocidade inconstante e diferente dos demais. A fim de unir a roda da bicicleta ergométrica ao gerador, foi usada uma correia dentada automotiva sucateada para causar rotação como em um sistema de polias, que transmite velocidade entre os eixos da bicicleta e do conjunto gerador. A correia foi cortada a fim de reduzir o atrito causado pelos dentes da correia no eixo do motor, uma vez que o atrito diminui a velocidade de rotação do eixo, reduzindo consequentemente a quantidade de energia gerada.medindo os diâmetros das peças em questão, podemos registrar os valores de 34 centímetros para a roda da bicicleta e 2,83 centímetros para o eixo girante do gerador. Fazendo uma relação entre os diâmetros medidos (como mostrado a seguir), percebe-se que uma volta completa da roda bicicleta é equivalente a aproximadamente 12 voltas do eixo do gerador. O sistema de polias e a correia acoplada à roda da bicicleta estão ilustrados nas figuras 17 e 18, respectivamente. Figura 17 Sistema de Polias 4

5 Fonte: Bonfim (2012) Figura 18 A bicicleta com o sistema de polias 3.2 Bateria Automotiva 12V: Fonte: Próprio Autores (2012) A bateria de 12V é um dispositivo eletroquímico que transforma energia química em energia elétrica, e vice-versa. Seu processo de transformação é reversível, pois pode ser carregada e descarregada por diversas vezes. A principal função das baterias ou acumuladores é a armazenagem de energia, tornando-a disponível para uso quando necessário. A bateria é capaz de fornecer uma alta corrente por um tempo limitado. (Manual de Baterias BOSCH, 2007). A bateria utilizada no projeto foi a bateria automotiva Delkor 12V, ilustrada abaixo: Figura 21 Bateria Automotiva Delkor 12V Fonte:Delkor, Segue tabela de especificações referentes ao nível de carga da bateria por nós utilizada. 3.3.Inversor de Tensão: O conversor de tensão DC/AC (inversor) é utilizado para transformar corrente contínua em corrente alternada. Trata-se um equipamento que tem por finalidade transformar a energia armazenada na forma de CC para CA 110 V. Neste projeto foi usado um conversor automotivo Tech One de 12 Vdc para 110 Vca, com frequência de 50 Hz, conforme mostrado na figura 21. Sua capacidade de potência varia na faixa de 150 W a 300 W. Figura 22 Inversor de Voltagem Fonte: Tech One (2012) 5

6 3.4. Medição de Velocidade (Sensor Magnético): Para realizar a medição de velocidade foi usado o sensor próprio da bicicleta. É um sensor magnético situado dentro de uma pequena caixa branca acoplada à roda da bicicleta, conforme figura 23. Figura 23 Caixa plástica do sensor de velocidade na roda da bicicleta Fonte: Próprio Autores (2012) Dentro da caixa branca, há uma peça de material magnético revestido por uma camada de material plástico com uma pequena abertura. Esta peça gira juntamente com a roda da bicicleta. Em um ponto fixo da roda da bicicleta há um imã. Toda vez que a abertura do plástico passa pelo imã, há uma atração magnética entre o material metálico e o imã. Este mecanismo permite contar quantas vezes houve atração magnética em um determinado espaço de tempo; por exemplo, ao contar quantas vezes houve atração em 1 minuto, obtém-se a velocidade em rotação por minuto (RPM). Um fio transporta o sinal do sensor até a placa de Aquisição de Dados DAQ NI USB 6009, onde este sinal é lido e utilizado para indicar a velocidade em quilômetros por hora (km/h) e metros por segundo (m/s) através de cálculos na programação do LabView. 3.5 Placa National Instruments USB 6009: É uma placa para leitura e aquisição de dados fabricada pela National Instruments (figura 26), cuja especificação encontra-se na Tabela 5. Esta placa foi incorporada ao projeto para fins de aquisição dos dados desejados e para comunicação com o sistema supervisório LabView, também pertencente à National Instruments. Figura 24 Placa de Aquisição de Dados NI USB 6009 Fonte: National Instruments (2012) Tabela 5 Especificações da Placa NI USB

7 Fonte: National Instruments, Sistema Supervisório: Para a programação do sistema supervisório foi utilizado o software LabView, uma vez que este comunica-se com a placa NI USB 6009 utilizada para Aquisição de Dados. LabView é um software desenvolvido pela National Instruments, que significa Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, e é utilizado por engenheiros para programação gráfica. Segundo o Manual de Treinamento do LabView Básico I, curso do software versão 6.0, edição de outubro de 2000, LabView é uma linguagem de programação gráfica que utiliza ícones, em vez de linhas de texto, para criar aplicações. O LabVIEW utiliza programação baseada e, fluxo de dados, em que o fluxo dos dados determina a execução. Com este programa, podemos construir uma interface de usuário utilizando um conjunto de ferramentas e objetos e o código é adicionado em um diagrama de blocos. Podemos utilizar o LabView para criar aplicações de teste e medição, para aquisição de dados, controle de instrumentos, registro de dados, análise de medição, geração de relatório e criar executáveis e bibliotecas compartilhadas, uma vez que o software é um compilador real de 32 bits. 7

8 Figura 25 Painel Frontal do projeto no LabView Fonte: Próprio Autores (2012) Figura 26 Diagrama de Blocos do projeto no LabView 8

9 Fonte: Próprio Autores (2013) O sinal enviado pelo sensor magnético, foi lido pela placa NI USB 6009 e trabalhado no software LabView. Usando a leitura do sinal magnético juntamente com expressões matemáticas, pode-se obter dados como velocidade no instante da pedalada, máxima velocidade alcançada, gráfico velocidade x tempo, distância percorrida, quantidade de calorias perdidas e potência gerada. 4. A Pesquisa: Foi realizada uma estimativa por meio de questionário aplicado diretamente aos donos ou funcionários de dez academias distribuídas nos municípios de Macaé e São Pedro da Aldeia. As perguntas contidas no questionário foram: 01) Quantas horas por dia esta academia funciona? 02) Durante quantos dias na semana? 03) A academia tem aulas de Spinning? 04) Caso positivo, quantas aulas por semana? 05) Caso positivo, qual é a duração destas aulas? 06) Quantos alunos, em média, fazem as aulas de Spinning? 07) Quantas bicicletas ergométricas têm nesta academia? A tabela 7 exibe os dados obtidos: Tabela 7 Dados obtidos por meio de pesquisa direta 9

10 Horas por dia Dias na semana Horas por semana Aulas de Spinning na semana Duração da aula (h) Horas de Spinning por semana Alunos por aula Quantas bicicletas , ,75 16, , ,5 82, Média 15 5,75 86,35 11,5 0,775 10, ,6 Fonte: Próprio Autores (2013) 4.1 Análise de Dados: A Tabela abaixo foi feita pelos autores a partir de medições realizadas em laboratório. Tabela 8 Medição de Tensão e Corrente para Cálculo de Potência Velocidade (km/h) Tensão (V): Corrente (A): Potência Gerada (VA/s): 3,789 5,35 0,107 0, ,578 10,3 0,206 2, ,4 16,24 0,3248 5, ,2 20,74 0,4148 8, ,9 24,78 0, , ,7 30,2 0,604 18, ,5 33,21 0, , ,3 37,75 0,755 28, ,1 41,1 0,822 33, ,9 44,4 0,888 39, ,7 48,6 0,972 47, ,5 50,4 1,008 50, ,3 52,9 1,058 55,9682 Fonte: Próprio Autores (2013) Segundo dados da tabela 8, uma pessoa pedalando a uma velocidade moderada, de 18,9 km/h, produz 12, Watts a cada segundo. Mesclando este com os dados da tabela 7, pode-se calcular, em média a potência mensal gerada nas aulas de Spinning. Em média, nas academias entrevistadas, a média de horas de Spinning por semana é de 10,95 horas. Como uma hora é equivalente a 3600 segundos e um mês possui quatro semanas, tem-se: Considerando a média de 14 alunos por aula, calcula-se: Ou seja, de acordo com os dados exibidos nas tabelas 7 e 8, as potência produzida nas aulas de Spinning nas academias entrevistadas, supondo pedaladas com velocidade moderada 10

11 igual a 18,9 km/h por 14 ciclistas por período igual a uma hora em 10,95 horas de Spinning por semana é de aproximadamente ,5 Watts mensais. Ao supor que as bicicletas ergométricas não utilizadas durante as aulas de Spinning sejam usadas pelos demais usuários das academias por no mínimo três horas por dia, pode-se calcular também a produção de energia proveniente das demais bicicletas pertencentes às academias. Tabela 9 Cálculo de bicicletas não utilizadas nas aulas de Spinning a partir dos dados da tabela 8. Alunos por aula Quantas bicicletas Bicicletas não usadas nas aulas Média 14 20,6 6,6 Fonte: Próprio Autores (2012) Conforme consta na tabela 9, a média de bicicletas em atividade nas academias entrevistadas não utilizadas durante as aulas de Spinning é de 6,6. Sabendo (de acordo com a tabela 7) que 12, W são gerados a cada segundo em uma velocidade média de 18,9 km/h, tem-se que: Ou seja, sob as condições expostas acima, a cada hora de pedalada são gerados ,79968 Watts de Potência. Segundo dados da tabela 8, o funcionamento da academia dá-se por aproximadamente 5,75 dias na semana. É permitido, então, o seguinte cálculo: Somando os resultados obtidos, observa-se que o potencial energético mensal nas academias de ginástica entrevistadas é de, no mínimo ,5 Watts por mês. 5. RESULTADOS: Foram gerados dados a partir da pedalada por cinco minutos de seis voluntários. Esses encontram-se a seguir: Figura 34 Painel frontal do voluntário 1 11

12 Fonte Próprio Autores (2012) 12

13 Figura 35 Painel Frontal do Voluntário 2 Fonte: Próprio Autores (2012) Figura 36 Painel Frontal do Voluntário 3 Fonte: Próprio Autores (

14 Figura 37 Painel Frontal do Voluntário 4 Fonte: Os Autores Figura 38 Painel Frontal do Voluntário 5: Fonte: Os Autores 14

15 Figura 39 Painel Frontal do Voluntário 6: Fonte: Os Autores A tabela 10 indica os dados de potência gerada por cada voluntário. A partir dos dados coletados, é possível fazer uma média da quantidade de energia gerada. Tabela 10 Média dos dados obtidos pelos voluntários durante cinco minutos de exercício Peso (kg) Energia Gasta (kcal) Distância Percorrida (km) Maior Velocidade (km/h) Potência Gerada (W) Voluntário ,5 2,20 49, ,66 Voluntário ,7 1,60 49, ,96 Voluntário ,9 1,24 30, ,03 Voluntário ,3 2,32 53, ,09 Voluntário ,6 2,13 56, ,91 Voluntário ,2 2,52 68, ,01 Média 81,67 46,87 2,00 51, ,61 Fonte: Os Autores Ao analisar os dados coletados, percebe-se que um usuário em cinco minutos de pedalada no sistema descrito neste projeto gera em média 9278,61 Watts. 5. CONCLUSÃO: Em decorrência do aumento na demanda mundial de energia elétrica, torna-se necessário o investimento em métodos de geração de energia por meio de fontes renováveis ou por meio de energy harvesting (colheita/ transformação de energia). 15

16 Por meio da análise dos resultados dos testes realizados no protótipo, o sistema desenvolvido mostrou-se válido, tanto na aquisição quanto na análise dos dados. Tal sistema poderá ser mais bem aproveitado caso seja utilizado em academias ou outros locais que possuam grandes atividades de bicicletas ergométricas, uma vez que consiste em um sistema eficiente de geração de energia a partir do esforço físico. O sistema supervisório permitiu a visualização gráfica de informações provenientes do processo. Para isto foi utilizado o software LabView em conjunto com a placa de aquisição de dados da National Instruments NI USB 6009 a fim de captar e tratar os sinais, permitindo assim que sejam exibidos em tempo real em uma interface de fácil compreensão. O desenvolvimento do trabalho reuniu conhecimentos teóricos e práticos adquiridos no decorrer da faculdade, além de proporcionar novos conhecimentos necessários para uma boa formação intelectual e profissional Propostas de Trabalhos Futuros: Expandir o projeto, acrescentando outros sensores para aquisição de outros dados; como por exemplo: Sensor infravermelho para leitura da freqüência cardíaca do usuário, com o auxílio de um circuito eletrônico para detecção e amplificação do sinal; Implementação de circuito amperímetro e voltímetro para leitura em tempo real da carga que está armazenada na bateria; Expandir o projeto, tornando-o mais dinâmico, incluindo um jogo virtual interativo que acompanhe o desempenho real do usuário, acrescentando outros comandos; para que o usuário possa se divertir enquanto pratica exercícios e gera energia elétrica; Iniciar outro projeto baseado nos conceitos de energy harvesting, cujo instrumento principal seja uma esteira com retroalimentação a partir da pisada do atleta. REFERÊNCIAS BONFIM, L.CALCULANDO RPM EM SISTEMAS DE POLIAS. Automatextile. [s.l.], Disponível em < calculando-rpmem-sistemas-de-polias/ > Acesso em: 16 nov BOSCH ELECTRIC MOTORS. MANUAL DO FABRICANTE BOSCH. [s.l.], BRASIL, AGÊNCIA. BRASIL FECHA 2010 COM CRESCIMENTO DE 7,8% NO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA. Rio de Janeiro, Disponível em: < _Pre_BEN_2012.pdf> Acesso em: 11 out EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA EPE. CRESCIMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA INDICA INÍCIO DE RECUPERAÇÃO DA INDÚSTRIA. Resenha Mensal do Mercado de Energia Elétrica. Ano V, n 54. Rio de Janeiro,

17 EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA EPE. NOTA TÉCNICA: PROJEÇÃO DA DEMANDA DE ENERGIA ELÉTRICA PARA OS PRÓXIMOS 10 ANOS. Economia e Mercado Energético. Rio de Janeiro, Acesso em: 20 dez EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA EPE BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL Ano base Rio de Janeiro, FURLANETTO, C.; POSSAMAI, O. O USO DA ENERGIA ELÉTRICA NO AMBIENTE RESIDENCIAL. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, Florianópolis. Santa Catarina, JOHNSON CONTROLS. TREINAMENTO TÉCNICO EM BATERIAS AUTOMOTIVAS. Manual de Treinamento Básico. São Paulo, Disponível em < material-de-apoio-heliar pdf> Acesso em: 11 dez TOLMASQUIM, M. T; GUERREIRO, A. GORINI, R. MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA - UMA PROSPECTIVA. Novos Estudos CEBRAP, São Paulo, WENDLING, M. CI REGULADORES DE TENSÃO. Colégio Técnico Industrial de Guaratinguetá. UNESP São Paulo, Disponível em < Acesso em: 21 mar