GERAÇÃO ALTERNATIVA DE ENERGIA PARA AERONAVES ATRAVÉS DE MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

TRABALHO INTERDISCIPLINAR DIRIGIDO IV

INSTITUTO POLITÉCNICO – Centro Universitário UNA

GERAÇÃO ALTERNATIVA DE ENERGIA PARA AERONAVES ATRAVÉS DE MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

CURSO: ENGENHARIA MECÂNICA

Filipe Humberto Ferreira da Silva, Humberto Lucas, Jardel Queiros,      

Junio Deoclecio, Karine Fontes Boffo, Paulo Henrique Amaral

Professor TIDIR Orientador: Karina Silva Campos

Professores Co-orientadores: Antônio Augusto, Maria Clara S. Monteiro, Maria Ivonete N.Silva, Mario R. M. S. S. Braga

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Resumo: A energia elétrica pode ser obtida a partir de diversos processos de geração. Este trabalho apresenta uma maneira não convencional de obtenção de energia para o sistema elétrico em aeronaves, partindo do princípio da piezoeletricidade. Existem materiais “inteligentes” denominados materiais piezoelétricos, que geram tensão ao serem comprimidos, ou inversamente se contraem ao serem tencionados. Aproveitando os movimentos naturais de flambagem, realizado pelas asas de uma aeronave  durante o  voo, aplicamos elementos com propriedades piezoelétricas nas mesmas, com a finalidade de prover energia para o consumo da própria aeronave. Tendo em vista, que as vibrações a que a aeronave está sujeita, se demonstraram  ser suficientes para atender os parâmetros necessários para  geração de energia piezoelétrica.

Palavras chaves: Piezoelétrica, aeronave, energia, vibração.

1.   Introdução

A indústria aeronáutica vem se expandindo nos últimos anos e com isso, a preocupação com melhores serviços é crescente, levando a busca de novos avanços e melhorias nos sistemas de navegação, aerodinâmica, custos operacionais, segurança e comodidade para os passageiros (SILVA, 2011).

Com as aeronaves cada vez maiores, voando mais rápido e mais alto, a demanda de energia necessária para atender às necessidades dos atuadores, sistemas de iluminação, aquecimento e principalmente para a integração dos computadores do sistema de gerenciamento de voo é maior. A energia elétrica é a responsável por abastecer tudo isso através do sistema elétrico da aeronave (SILVA, 2011).

A proposta deste trabalho é abordar através de pesquisas uma maneira alternativa para obtenção de energia elétrica para aeronaves, aproveitando para isso as condições a que as aeronaves estão sujeitas durante o voo, como por exemplo, as vibrações sofridas pela estrutura das asas do avião.

2.   Referencial Teórico

A energia é tudo que produz ou pode produzir ação, podendo tornar-se nas mais variadas formas, desde energia mecânica à nuclear, tudo é energia. Desta forma, podemos compreender que a energia não se cria e nem muito menos se destrói; ela apenas se transforma (ISMAEL, 2009). Uma das possibilidades de produção de energia ocorre através da conversão da energia mecânica em energia elétrica. Essa possibilidade se dá utilizando o conceito de conversão de energia de vibração em energia elétrica, através de dispositivos piezoelétricos (SODANO, 2004).

Segundo Callister (2008), em um material piezoéletrico, a polarização é induzida e um campo elétrico é estabelecido através de uma amostra, pela aplicação de forças externas. Em cristais piezoelétricos as cargas negativas e positivas estão separadas, porém simetricamente distribuídas, então ele se torna eletricamente neutro. Portanto, a simetria da célula unitária, determina se o cristal é um material piezoelétrico.

 Considerando o tetraedro representado na Figura 1, é possível observar que o átomo carregado positivamente no centro da estrutura, coincide com o centro de simetria das cargas negativas. Quando tensionado, uma deformação é produzida e o centro de simetria das cargas negativas não mais coincide com a carga positiva. (WANG, 2002).

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Figura 1: Mecanismo do efeito piezoelétrico (Wang, 2002).

Dentre vários materiais piezoelétricos, destacam-se os PZTs (Zirconato titanato de chumbo), compostos cerâmicos de composição (Pb(Zr,Ti)Oз), (VIEIRA, 2013). Alguns compostos como o quartzo, o titanato de bário e o sal de Rochelle (Tartarato de sódio e potássio), são tipos de cristais que demonstram caracteristicas piezoelétricas naturais (HEINONEN, 2005).

O Zirconato titanato de chumbo é um material de estrutura do tipo perovskita  (Figura 2) e é o mais típico dos materiais piezoelétricos (COOKE e JAFFE, 1971;  WANG, 2002).

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Figura 2: Estrutura da Perovskita. Tratando-se do Zirconato titanato de chumbo (Pb(Zr,Ti)Oз), as posições A são ocupadas pelo chumbo (Pb), a posição B é ocupada pelo zircônio (Zr) ou Titânio (Ti).

Quando o material sofre um stress mecânico e a simetria da estrutura é pertubada, essa assimetria gera uma tensão por todo material, por exemplo, um cubo de quartzo de 1 cm³, pode gerar uma tensão de aproximadamente 12500 V  quando aplicada uma força de 12 KN.

Quando aplicado à aeronave, esta fonte de energia será utilizada para alimentar sistemas eletrônicos internos de baixo consumo de potência da mesma. A estrutura de funcionalidade se dará através de uma asa geradora de energia, composta por cerâmicas piezoelétricas.

A estrutura será composta por uma asa que terá acoplado um dispositivo piezoelétrico, onde cristais que possuem qualidades especiais, quando comprimidos, produzem uma diferença de potencial elétrico entre suas superfícies. Inversamente, quando se aplica uma diferença de potencial elétrico às suas superfícies, eles se contraem ou expandem, dependendo da polaridade. Esse processo é conhecido como efeito piezoelétrico (KATZIR, 2003).

Uma questão primordial neste tipo de geração de energia é que para o melhor desempenho do sistema, tal excitação seja em sua frequência natural. Sendo assim, se a frequência de vibração se desviar, mesmo que ligeiramente, a potência elétrica gerada, sofre uma redução drástica. Espera-se que o sistema piezoelétrico acoplado opere em uma ampla faixa de frequência.

A energia gerada será usada para alimentar diversos equipamentos elétricos e eletrônicos da aeronave. O equipamento irá variar baseado em qual das quatro fases a aeronave se encontra (HOMA, 2010).

A primeira fase é durante o taxiamento da aeronave. O taxiamento é o movimento ou percurso que a aeronave faz na pista entre decolagens e pousos, com a orientação da torre sem necessidade de tratores. Durante o taxiamento a energia gerada no voo anterior pelas asas piezoelétricas que está armazenada nas baterias ou na APU (unidade auxiliar de energia), servirá para alimentar os seguintes componentes: sistemas eletrônicos na cabine e sistemas elétricos dentro da aeronave, como por exemplo, as luzes do corredor e o sistema de ar condicionado (HOMA, 2010).

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