THEORETICAL EVALUATION OF THE ELECTRICAL ENERGY GENERATING DEVICE THROUGH PEDALING ACTION
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.8015151
Andressa Frederico Vilas Boas
Daniel Ribeiro Leme
Diego Viana de Morais
Leonardo Rodrigues Cardim
Marcos Eduardo Vieira de Abreu
Carlos Noriega
Resumo: A bicicleta é um meio de transporte eficiente e sustentável, mas e se pudéssemos aproveitar sua energia mecânica para gerar eletricidade? Isso é exatamente o que propõe este projeto de TCC. A ideia é adaptar um alternador na própria bicicleta, de forma a transformar a energia mecânica produzida durante o seu uso em energia elétrica. Essa energia, por sua vez, será armazenada em uma bateria, para ser utilizada posteriormente em outros dispositivos eletrônicos. Neste trabalho, serão apresentados os detalhes do projeto, desde a escolha dos componentes até a montagem. Além disso, serão discutidos os benefícios ambientais e econômicos da utilização de bicicletas geradoras de energia elétrica, bem como suas possíveis aplicações práticas. É importante ressaltar que este projeto tem como objetivo aproveitar uma fonte de energia que antes era desperdiçada e transformá-la em energia limpa e renovável, contribuindo para a redução do impacto ambiental gerado pela geração de energia elétrica a partir de fontes não renováveis. Com isso, espera-se promover a conscientização sobre a importância da utilização de fontes de energia renováveis.
Palavras-chave: Bicicleta, Energia mecânica, Aproveitamento, Energia elétrica.
Abstract: The bicycle is an efficient and sustainable means of transport, but what if we could harness its mechanical energy to generate electricity? This is exactly what this TCC project proposes. The idea is to adapt an alternator to the bicycle itself, in order to transform the mechanical energy produced during its use into electrical energy. This energy, in turn, will be stored in a battery, to be used later in other electronic devices. In this work, the details of the project will be presented, from the choice of components to the assembly. In addition, the environmental and economic benefits of using electric energy-generating bicycles will be discussed, as well as their possible practical applications. It is important to emphasize that this project aims to take advantage of a source of energy that was previously wasted and transform it into clean and renewable energy, contributing to the reduction of the environmental impact generated by the generation of electricity from non-renewable sources. With this, it is expected to promote awareness about the importance of using renewable energy sources.
Keywords: Bicycle, Mechanical energy, Exploitation, Electric energy.
1. Introdução
O conceito de qualidade de vida tem muitos pontos em comum com a definição de saúde, desse modo, percebe-se a necessidade de analisar o corpo, a mente e até mesmo o contexto social no qual o indivíduo está inserido, com isso a Organização Mundial da Saúde (OMS), em 1946, definiu saúde como um estado de completo bem-estar físico, mental e social e não apenas como a ausência de doença ou enfermidade. (OMS; 2013)
Existem diversas pesquisas que comprovam os benefícios da prática diária de exercícios físicos para a saúde humana, o uso de bicicletas em meios urbanos tem se intensificado cada vez mais, segundo a Aliança Bike (associação Brasileira do setor de bicicletas). Saúde, lazer, economia, comodidade, diversos são os motivos e benefícios que levam a optar por elas. Para que essa escolha seja feita, há um fator fundamental em jogo: a segurança durante a corrida, dada principalmente por ciclovias e ciclofaixas.
De acordo com a American Heart Association, adultos devem praticar pelo menos 150 minutos de atividade física moderada ou 75 minutos de atividade física intensa por semana para manter a saúde cardiovascular. Além disso, a Associação Americana de Diabetes afirma que exercícios físicos regulares podem ajudar a controlar os níveis de açúcar no sangue e a prevenir complicações decorrentes da diabetes. (US DEPARTMENT OF HEALTH AND HUMAN SERVICES, 1996; PAFFENBARGER, 1988).
Um estudo realizado com ciclistas de Copenhague, na Dinamarca, mostrou que é a intensidade e não a duração do exercício, que influencia nos índices de mortalidade, principalmente em relação aos problemas cardíacos. O grupo coordenado por Peter Schnohr descobriu que os homens que praticavam o ciclismo com alta intensidade viviam 5,3 anos a mais e aqueles com intensidade média 2,9 anos mais, quando comparados aos que praticavam com intensidade baixa. Para as mulheres, os números foram 3,9 anos a mais e 2,2 anos a mais, respectivamente. (Manson et al., 1992)
Em relação às pesquisas específicas sobre os benefícios da bicicleta, uma pesquisa publicada na revista científica Medicine and Science in Sports and Exercise demonstrou que o uso de bicicletas é uma forma eficaz de melhorar a saúde cardiovascular em pessoas sedentárias. O estudo indicou que a prática regular de exercícios em bicicletas aumentou a capacidade cardiovascular e a sensibilidade à insulina em indivíduos obesos. Além disso, outro estudo publicado na revista científica Journal of Strength and Conditioning Research mostrou que a prática de exercícios em bicicletas é uma forma eficaz de melhorar o desempenho muscular em atletas de elite.
A bicicleta é um meio de transporte eficiente e sustentável, mas e se pudéssemos aproveitar sua energia mecânica para gerar eletricidade? Isso é exatamente o que propõe este projeto de TCC, a ideia é aproveitar uma fonte de energia que antes era desperdiçada.
1.2 Objetivos (Geral e específicos)
O objetivo geral deste trabalho é dimensionar um sistema que possa gerar energia elétrica a partir da ação de pedalar, por meio da adaptação de um alternador ligado à roda traseira da bicicleta, implementando um dispositivo de energia elétrica que possa ser utilizado para carregar diversos aparelhos eletrônicos e demonstrar a viabilidade da bicicleta como uma fonte de energia alternativa e sustentável.
– Adaptar um dispositivo capaz de gerar energia elétrica a partir da ação de pedalar, acoplado à roda de uma bicicleta;
– Implementar um sistema de armazenamento de energia elétrica que possa ser utilizado para carregar diversos aparelhos eletrônicos, como smartphones, tablets e laptops, a partir da energia gerada pelo dispositivo;
– Demonstrar a utilização da bicicleta como uma fonte de energia alternativa e sustentável, levando em consideração fatores como praticidade e impacto ambiental.
2. Revisão Bibliográfica
De fato, é notável a transformação que tem ocorrido no padrão de vida das sociedades humanas nas últimas décadas, impulsionada principalmente pela tecnologia e pelos avanços científicos. Uma das principais consequências dessa transformação é a diminuição da atividade física, que pode ter impactos significativos na saúde e no bem-estar das pessoas. (NAHAS; 2000). Embora a mecanização e a automação tenham trazido benefícios significativos em termos de produtividade e eficiência, elas também contribuíram para a diminuição da atividade física, pois muitas atividades que antes eram realizadas manualmente agora são feitas por máquinas e equipamentos automatizados. Além disso, a popularização dos dispositivos que poupam esforço físico, como escadas rolantes, elevadores e controles remotos, também tem contribuído para a diminuição da atividade física no dia a dia. (NAHAS et al.,2000; BILTOVENI; VOLPE, 1998).
Portanto, é importante que as pessoas sejam incentivadas a manter um estilo de vida ativo e saudável, independentemente da presença de dispositivos que poupam esforço físico. Isso pode incluir a prática de atividades físicas regulares, como caminhar, correr, nadar ou praticar esportes, bem como incorporar atividades físicas no dia a dia, como subir escadas em vez de usar o elevador ou caminhar para o trabalho em vez de dirigir. (SANTARÉM, 1996; SAMULSKI; LUSTOSA, 1996; MATSUDO, 1999 apud. MACEDO et al. 2003).
Com o avanço da tecnologia, a construção de bicicletas mais leves, resistentes e eficientes, bem como o desenvolvimento de equipamentos de segurança, tornou o ciclismo mais seguro e acessível para um público cada vez maior. (Bicycle Technology: Understanding the Modern Bicycle and Its Components” – livro de Rob Van Der Plas publicado pela Cycle Publishing em 2009).
Além disso, a construção de ciclovias, trilhas e outras infraestruturas dedicadas ao ciclismo em áreas urbanas e rurais, incentivaram a prática desportiva do ciclismo e proporcionaram um ambiente mais seguro para os ciclistas. As disputas e campeonatos de ciclismo, como a Volta da França, o Giro d’Italia e o Tour de Flandres, atraem um grande público e ajudam a popularizar o esporte em todo o mundo. O crescente interesse no ciclismo como atividade esportiva também tem levado a um aumento no número de praticantes amadores e profissionais. (“Cycling Infrastructure and Urban Sustainability” – livro de John Pucher e Ralph Buehler publicado pela MIT Press em 2012)
A história da bicicleta começou como uma máquina primitiva de madeira chamada Draisana, na Alemanha. Draisana tinha sua utilização restrita às descidas, uma vez que se tratava de estruturas rígidas em madeira, não sendo possível a mudança de direção (o eixo de direção era fixo) ou a aplicação de força motriz (a Draisana também não possuía pedais) (VIGARELLO, 2000).
Os irmãos Pierre e Ernest Michaux desenvolveram um modelo com pedais, permitindo que o homem controlasse a direção (guidão) e a velocidade da bicicleta (pedais). Agora era o homem que controlava a máquina. Os velocípedes, como eram chamados, se desenvolveram rapidamente.
Um dos principais modelos de bicicleta mais conhecidos era chamado de grand-bi, que possuía o pedal fixado no eixo da roda dianteira, teria sua roda dianteira com o diâmetro bem maior que a traseira, mas aumentando assim o descolamento a cada giro. O banco se posiciona praticamente acima da roda motriz que consequentemente fazia o ciclista se posicionar sentado, com o tronco a quase 90 graus em relação ao banco.
Figura 1 – Modelo bicicleta grand-bi
Fonte: Bike Maganize, 2011
A invenção da engrenagem por correntes modificou completamente a forma do ciclista se posicionar sobre a bicicleta, além de, em pouco tempo, substituir por completo o grand-bi, que seria uma transformação na história da bicicleta, pois envolvem mudanças também na posição dos corpos dos ciclistas, bem como na forma de pedalar.
Guardados os devidos avanços na ciência e na tecnologia dos novos materiais, os primeiros modelos com engrenagem por correntes já se assemelham bastante com os atuais modelos de bicicletas encontradas no mercado.
No mundo atual existem diversos modelos de bicicletas que seu projeto deve levar em consideração tanto a sua resistência quanto o conforto do usuário. As restrições de projeto variam de acordo com o tipo de bicicleta, como uma bicicleta de corrida, de montanha, de estrada, de cross, de passeio, híbrida ou popular. Algumas das propriedades relevantes ao projeto incluem o limite de escoamento, limite de fadiga, tenacidade à fratura, amortecimento de vibrações, alongamento, resistência à corrosão, módulo de Young e massa. É importante que o material utilizado no quadro trabalhe dentro do seu regime elástico, resistindo a tensões alternadas, choque e propagação de trincas estáveis durante o uso. Além disso, quadros mais rígidos podem aumentar a performance, mas diminuir o conforto, enquanto a redução do peso do quadro pode aumentar a performance e facilitar o uso pelos ciclistas.
As bicicletas convencionais para passeio são geralmente feitas de materiais leves e resistentes, como alumínio, aço carbono ou aço inoxidável. O quadro da bicicleta é a parte principal e pode ser feito de um desses materiais, com diferentes formatos e geometrias para se adequar às necessidades do usuário. Outros componentes importantes incluem rodas com aros de alumínio ou aço, pneus de borracha, selim, guidão, pedal, corrente, câmbio e freios, e, este é o estilo de bicicleta que nosso projeto de TCC irá utilizar.
As discussões sobre a cadência de pedalada ideal ainda provocam mais controvérsias quando as novas pesquisas têm sido conduzidas utilizando ciclistas que não são altamente treinados e quando a variação da cadência é usada com um número reduzido de variáveis. A cadência ideal não deve ser a única variável a ser associada com os objetivos e as características individuais dos sujeitos. Entretanto, estudos mostraram que trabalhar em diferentes cadências pode alterar a eficiência da pedalada. Assim sendo, algumas pesquisas relataram, em estudos sobre a eficiência de pedalada, que as baixas cadências de pedaladas (50 a 60 rpm) são mais econômicas e eficientes que as médias cadências de pedaladas (> 90 rpm) e altas cadências de pedaladas (105 rpm). (Martin PE; 2000)
Há uma consequente cautela ao aplicar as conclusões das pesquisas sobre a eficiência mecânica em ciclistas altamente treinados. Devido à grande amplitude de variações nas cadências de pedalada, parte dos treinos é realizada com cadências consideravelmente fora da faixa econômica. Conclui-se que o sistema de pedal encontrado em diferentes bicicletas de ciclismo não altera tanto os níveis de atividade muscular de membros inferiores quanto as variáveis fisiológicas e mecânicas. Entretanto, a eficiência mecânica é alterada com o aumento da cadência.
Neste sentido a cadência de pedaladas se mostrou com um importante fator na performance de ciclistas existindo uma tendência de diferenciação entre ciclistas treinados e não treinados.
O projeto é aproveitar a energia mecânica produzida pela ação de pedalar, e contribuir para a conscientização sobre a importância da utilização de fontes de energia renováveis e limpas.
A geração de energia elétrica passou por uma grande evolução ao longo dos anos, desde a sua descoberta até os dias de hoje. Inicialmente, a energia elétrica era gerada através de usinas hidrelétricas e termelétricas, utilizando a força da água e o calor do carvão, respectivamente. Com o passar do tempo, novas formas de geração de energia elétrica foram surgindo, como a energia nuclear, a energia solar e a energia eólica. A energia nuclear é gerada através da fissão de átomos de urânio, enquanto a energia solar é gerada através da conversão da energia solar em energia elétrica por meio de painéis solares. Já a energia eólica é gerada através do uso de turbinas movidas pelo vento.
Recentemente, a geração de energia elétrica tem passado por uma transição para fontes de energia mais limpas e renováveis, com a redução da dependência de fontes fósseis e poluentes.
A tecnologia de armazenamento de energia também tem evoluído rapidamente, permitindo que as fontes de energia renovável sejam usadas de forma mais eficiente e confiável. Com isso, é possível ter uma geração de energia elétrica mais limpa, mais acessível e mais sustentável, contribuindo para a preservação do meio ambiente e para o desenvolvimento econômico e social.
A preocupação com o impacto ambiental gerado pela utilização dos recursos naturais é uma das principais questões da sociedade atual. A energia proveniente desses recursos permitiu avanços significativos, como a revolução industrial, mas também gerou consequências negativas que afetaram o meio ambiente. Diante do aumento constante na demanda de energia, é fundamental estudar fontes renováveis e com baixo impacto ambiental.
Nesse sentido, a física e a engenharia desempenham um papel importante na busca por fontes energéticas naturais e na melhoria da eficiência dos equipamentos e máquinas. Um dos estudos mais relevantes é o da conversão da energia mecânica em elétrica, que pode ser aplicado em outras fontes, como a energia eólica (cinética), hidrelétrica (potencial) e através das pedaladas de bicicleta, cujo objetivo desse artigo é estudar geração de energia aproveitando os milhares de ciclistas nos dias de hoje.
O objetivo do estudo é adaptar e através de cálculos, avaliar um gerador de energia acoplado a uma bicicleta capaz de converter a energia mecânica gerada pela pedalada em energia elétrica.
3. Materiais e Métodos
Para transformar a energia cinética produzida pelo movimento da bicicleta em energia elétrica, é necessário instalar um sistema de geração de energia que utilize o movimento das rodas para acionar um dispositivo que produza eletricidade. Esse dispositivo é geralmente um alternador, que é um gerador elétrico capaz de converter energia mecânica em energia elétrica.
Para implementar esse sistema em uma bicicleta, é necessário seguir alguns passos e escolher os componentes: além do alternador, serão necessários outros componentes como polias, correias, suportes e baterias.
1. A bicicleta deverá estar no local que será utilizada; localize o pneu traseiro e remova-o, encaixe o suporte de apoio próximo ao eixo do pneu; após inserir o suporte, ajuste a distância para que o pneu fique firme e a bicicleta equilibrada.
2. O alternador ficará na parte de trás da bicicleta, alinhado com o pneu. A polia deve ser acoplada entre a roda traseira (polia motora) e o alternador (polia movida) para que as suas engrenagens sejam acionadas pelo movimento das rodas da bicicleta, nesse passo é necessário que a polia esteja firme e bem ajustada para garantia da transmissão do movimento.
Figura 2 – Forças atuantes no sistema
Fonte: Elaboração própria
3. Para ligar a bateria o alternador deve conectar um cabo do terminal positivo da bateria ao terminal negativo do alternador e os cabos da bateria ligados ao inversor conversor que será utilizado para carregar o aparelho/dispositivo eletrônico desejado.
4. Após a montagem, testar e ajustar o sistema: depois de instalado, o sistema deve ser testado e ajustado para garantir o seu funcionamento correto e a sua eficiência na geração de energia elétrica.
Figura 3 – Montagem e disposição do sistema
Fonte: Elaboração própria
É importante lembrar que a eficiência desse sistema depende da qualidade dos componentes escolhidos e da instalação correta e segura do sistema na bicicleta. Além disso, é necessário utilizar baterias adequadas para armazenar a energia produzida e evitar sobrecarga ou descarga excessiva.
Figura 4 -Bicicleta geradora de energia elétrica
Fonte: Editora Abril, 2021
Energia cinética nada mais é do que a quantidade de energia mecânica (dada em joules) que um objeto consegue acumular devido ao seu movimento. Em outras palavras, é a energia que um corpo adquire ao se deslocar a uma dada velocidade. Para calcular a energia cinética de um objeto com massa “m” e velocidade “v” devemos aplicar a fórmula:,
Onde:
• Ec – energia cinética em joules;
• m – Massa em kg;
• v – velocidade em m/s.
Para o projeto é necessário instalar um sistema de geração de energia que utilize o movimento das rodas para acionar um dispositivo que produza eletricidade. A seguir, será informado os dispositivos que serão utilizados.
BICICLETA
Foi escolhida a bicicleta de aro 29 devido a relação das polias, pois se a polia motora é maior que a movida, a velocidade transmitida para a máquina é maior, porém é possível realizar os cálculos com todos os tamanhos.
Tabela 1 – Ficha técnica da bicicleta
ALTERNADOR
Existem diversos modelos de alternadores e geradores disponíveis no mercado porque esses equipamentos precisam ser projetados e dimensionados de acordo com as necessidades específicas de cada aplicação.
Dessa forma, a variedade de modelos e opções disponíveis no mercado permite aos consumidores escolher o equipamento mais adequado para suas necessidades específicas, seja para uso em veículos, sistemas de energia renovável, ou outras aplicações que requerem geração de energia elétrica.
Um alternador é um dispositivo elétrico que converte energia mecânica em energia elétrica alternada. Ele é amplamente utilizado em veículos e sistemas de energia portáteis, como geradores.
A compreensão do funcionamento do alternador requer um conhecimento aprofundado sobre seus componentes. A seguir, serão apresentados os principais componentes que integram esta peça.
O estator é formado por um conjunto de bobinas isoladas e fixadas em um conjunto de lâminas de aço. Para que ocorra a geração de energia, essas bobinas necessitam de um campo magnético que é produzido pelo rotor.
No entanto, os estatores são suscetíveis a apresentar defeitos, sendo que os mais comuns são os curtos-circuitos entre as bobinas e as lâminas de aço, os quais impedem a geração de energia. Esses curtos-circuitos geralmente ocorrem devido ao envelhecimento do verniz, falhas na montagem, atritos causados pelo rotor e aquecimento do conjunto.
Figura 5 – Representação de um estator do alternador
Fonte: Senai BA
O rotor é responsável por criar um campo magnético que resulta na produção de corrente elétrica. Ele é composto por um eixo de aço com uma bobina enrolada em seu interior, sendo que a quantidade de fios de cobre nessa bobina varia de acordo com a capacidade do alternador em gerar energia.
Entretanto, o rotor também pode apresentar defeitos, sendo os principais o curto-circuito entre os fios da bobina, o que leva à diminuição ou até mesmo à ausência total da capacidade de gerar corrente elétrica. Além disso, é possível ocorrer curto-circuito na estrutura de aço, o que torna a peça inutilizável. Esses defeitos são geralmente causados pelo envelhecimento do isolamento dos fios de cobre ou pelo manuseio inadequado da peça.
Figura 6 – Ilustração do rotor Bosch
Fonte: Catálogo BOSCH, 2012
O funcionamento do alternador é baseado em um fenômeno físico chamado indução eletromagnética. O alternador é composto por uma série de bobinas e um rotor que gira dentro das bobinas. Quando o rotor é girado por uma fonte de energia mecânica, como um motor, ele cria um campo magnético rotativo dentro das bobinas, resultando em uma corrente alternada na saída.
A corrente elétrica alternada produzida pelo alternador é mais eficiente em termos de transmissão de energia do que a corrente elétrica contínua.
Figura 7 – Principais componentes do alternador
Fonte: Catálogo BOSCH,2012
O uso de alternadores automotivos em projetos de geração de energia a partir do esforço humano é inviável, uma vez que estes equipamentos só começam a gerar energia em rotações elevadas, em torno de 1600-1800 RPM, o que é impraticável para um ciclista profissional. Além disso, o peso desses alternadores não justifica sua utilização em tais projetos, uma vez que existem diversos modelos de geradores disponíveis no mercado que apresentam início de geração de energia em rotações bem mais baixas, sem comprometer os requisitos de tensão e corrente exigidos.
PONTE RETIFICADORA
A placa retificadora, também conhecida como placa de diodos, é um componente crucial no sistema elétrico de veículos automotivos. Sua principal função é transformar a corrente alternada gerada pelo alternador em corrente contínua, que é utilizada para repor a carga da bateria automotiva.
Figura 8 – Ponte de díodos ou ponte retificadora
Fonte: Senai BA
REGULADOR DE TENSÃO
A função do regulador em um sistema de geração de energia é proteger os equipamentos que utilizam a energia gerada pelo alternador. Isso é feito controlando a tensão produzida em qualquer regime de rotação do motor e limitando-a para evitar picos de corrente elétrica que podem danificar os consumidores elétricos. Além disso, o regulador evita a sobrecarga da bateria automotiva. É importante destacar que existem diferentes tipos de reguladores disponíveis, incluindo os mecânicos, multifuncionais, eletrônicos e híbridos, que variam de acordo com o tipo de alternador utilizado.
Consideramos diversos pontos e dispositivos relevantes para a escolha do modelo adequado de alternador, como a potência necessária, a tensão e a corrente de saída, a velocidade de rotação, a eficiência, a confiabilidade e a disponibilidade de materiais. Após considerar esses fatores, chegamos à conclusão de que um alternador de ímã permanente de neodímio seria a melhor opção para o projeto.
Os ímãs de neodímio-ferro-boro, também conhecidos como imãs de terras raras Nd2Fe14B, possuem um campo magnético extremamente forte, superior aos imãs convencionais. Sua composição inclui uma combinação de ferro, boro e neodímio, e eles são capazes de gerar uma força magnética muito maior do que os imãs naturais tradicionais.
Além disso, destacamos que o modelo escolhido apresenta um peso baixo comparado a outros modelos, tendo apenas 2,8 kg e dimensões de 13.5 x 6 cm, tornando esse alternador um dispositivo que melhor se adequa ao projeto, ocupando pouco espaço e de baixo peso. Veja abaixo o alternador escolhido:
Figura 9 – Componentes internos do alternador
Fonte: Elaboração própria
Figura 10 – Gerador sem escovas com imã de neodímio
Fonte: Elaboração própria
No presente sistema descrito acima, é fornecido um conjunto contendo o alternador, a ponte retificadora e para completar iremos adicionar um controlador de carga que nele possui o regulador de tensão. Os controladores de carga são dispositivos eletrônicos que gerenciam a energia que entra e sai dos acumuladores de energia. Eles são utilizados em sistemas de armazenamento de energia para garantir que as baterias sejam carregadas e descarregadas de forma segura e eficiente.
A principal função dos controladores de carga é proteger as baterias contra os efeitos da sobrecarga e descarga profunda. A sobrecarga ocorre quando a bateria é carregada além de sua capacidade máxima, o que pode causar danos permanentes e reduzir sua vida útil. Por outro lado, a descarga profunda ocorre quando a bateria é descarregada além de sua capacidade mínima, o que também pode causar danos permanentes e reduzir sua vida útil.
Os controladores de carga trabalham ajustando os pontos de atuação dos circuitos de carga e consumo, de forma a garantir que as baterias sejam carregadas e descarregadas dentro dos limites seguros. Alguns modelos de controladores de carga também possuem recursos adicionais, tais como a proteção contra curto-circuito e a capacidade de monitorar o estado da bateria e informar ao usuário sobre a carga restante. (DÍAZ, P.; LORENZO, E., 2001; HARRINGTON, S; DUNLOP, J., 1992).
A seguir ficha técnica do alternador escolhido:
Tabela 2 – Ficha técnica do alternador
Fonte: Elaboração própria
INVERSOR DE TENSÃO
Os inversores de tensão são conversores estáticos destinados a controlar o fluxo de energia entre uma fonte de tensão contínua e uma carga em corrente alternada monofásica ou polifásica, com controle dos níveis do valor eficaz da tensão e da frequência, dependendo da aplicação.
As principais aplicações dos inversores de tensão são as seguintes:
a) acionamento de máquinas elétricas de corrente alternada;
b) sistemas de alimentação ininterrupta, em tensão alternada, a partir de bateria;
c) aquecimento indutivo;
d) fontes chaveadas.
Foi escolhido um inversor de tensão 12V 1000w devido a tensão da bateria, que converterá a saída de 12V em tomada 100V.
Tabela 3 – Ficha técnica do inversor
Fonte: Elaboração própria
POLIAS
As polias são peças cilíndricas, movimentadas pela rotação do eixo do motor e pelas correias. Os tipos de polia são determinados pela forma da superfície na qual a correia se assenta, Polia que transmite movimento e força é a polia motora ou condutora. Polia que recebe movimento e força é a polia movida ou conduzida. Os materiais empregados na confecção de uma polia são: ferro fundido, ligas leves, aços e materiais sintéticos.
A nossa utilização de polias neste projeto tem como finalidade o aumento do RPM gerado pelo movimento mecânico, assim podendo gerar mais energia com o mesmo esforço, sendo capaz de gerar energia o suficiente para que possa carregar uma bateria.
Figura 11 – Relação de polias
Fonte: Engenharia 360, 2013
Polias de tamanhos diferentes transmitem maior ou menor velocidade para a máquina. Se a polia motora, isto é, a polia que fornece o movimento, é maior que a movida, isto é, aquela que recebe o movimento, a velocidade transmitida para a máquina é maior (maior rpm). Se a polia movida é maior que a motora, a velocidade transmitida para a máquina é menor (menor rpm).
Existe uma relação matemática que expressa esse fenômeno:
Em que n1 e n2 são as rpm das polias motora e movida, respectivamente, e D 2 e D1 são os diâmetros das polias movida e motora.
Distância entre os eixos das polias. O comprimento máximo admitido deve ser igual a:
CORREIAS
As correias são elementos de máquinas que transmitem movimento de rotação entre dois eixos (motor e movido) por intermédio de polias. Elas são empregadas quando se pretende transmitir potência de um meio para o outro a uma distância em que o uso de engrenagens é inviável.
No cálculo do comprimento da correia deve ser considerado que ela fique bem tracionada, por meio de tensionadores ou mancais esticadores. A folga aceitável da correia deve ser conforme recomendação do fabricante.
Onde C é o comprimento, D diâmetro da polia maior e d diâmetro da polia menor.
A correia em V é um elemento de transmissão mecânica muito utilizado para transmitir potência (força) e movimento, através do contato entre as superfícies laterais da correia e polia. Se for do tipo correia dentada, o contato se dá pelo encaixe nas ranhuras da polia de transmissão.
São fáceis de instalar e asseguram uma transmissão silenciosa e limpa, inclusive com a possibilidade de reduzir ou multiplicar a velocidade. São muito utilizadas no setor automotivo para o acionamento do alternador, ventoinha, bomba de água, compressor do ar condicionado e direção assistida, por esse motivo foi a escolhida.
A correia em V geralmente é feita de borracha e reforçada por cordonéis, que são fibras de polímeros usados para aumentar sua resistência. Estrutura básica de uma correia em V:
A) Subcamada de borracha sintética
B) Encapsulamento das cordas de tração
C) Tirante de poliéster
D) Tela de cobertura
Figura 12 – Constituição de uma correia
Fonte: Engenharia 360, 2013
BATERIA
Para esse projeto utilizaremos uma bateria chumbo – ácido de caixa selada que é um tipo de bateria projetada para ser hermeticamente selada, para que não haja vazamentos de eletrólito. Essas baterias são frequentemente referidas como “baterias de caixa selada” ou “baterias VRLA” (sigla em inglês para “bateria regulada por válvula”).
Segundo um estudo publicado no Journal of Energy Storage, as baterias chumbo-ácido seladas são compostas por um conjunto de células eletroquímicas interconectadas que contêm placas de chumbo e ácido sulfúrico diluído como eletrólito. A bateria é selada hermeticamente em uma caixa, geralmente feita de plástico resistente, e equipada com uma válvula de segurança para aliviar a pressão interna.
Essas baterias são amplamente utilizadas em aplicações que exigem muita confiabilidade e manutenção mínima, como sistemas de alarme, sistemas de backup de energia, sistemas de telecomunicações e outros sistemas críticos. Elas são populares devido à sua facilidade de uso, tamanho compacto, longa vida útil e baixa taxa de autodescarga.
De acordo com o estudo mencionado acima, as baterias chumbo-ácido seladas também possuem uma série de outras vantagens, incluindo baixo custo, alta eficiência de carga e descarga, capacidade de lidar com altas correntes de carga e descarga, e capacidade de operar em uma ampla faixa de temperaturas. No entanto, eles também têm algumas desvantagens, como baixa densidade de energia e limitações na capacidade de carga rápida.
Para determinar a corrente de carga e a tensão de saída adequadas para uma bateria, é importante considerar alguns fatores, como a capacidade nominal da bateria, sua química e o estado atual de carga. De acordo com o artigo “Battery Charging” (Carregamento de bateria, em tradução livre) publicado na revista científica IEEE Transactions on Consumer Electronics, a corrente de carga ideal para uma bateria pode ser determinada usando a seguinte equação:
Onde I é a corrente de carga ideal em ampères (A), C é a capacidade nominal da bateria em ampère-hora (Ah) e T é o tempo de carga desejado em horas.
Por exemplo, se uma bateria de íons de lítio de 1000 mAh (ou 1 Ah) precisar ser carregada em 2 horas, a corrente de carga ideal seria de 0,5 A, como podemos ver na seguinte equação:
Já a tensão de saída adequada para carregar uma bateria depende da química da bateria. Por exemplo, baterias de chumbo-ácido precisam ser carregadas com uma tensão de cerca de 13,8 V, enquanto baterias de íons de lítio precisam ser carregadas com uma tensão de cerca de 4,2 V por célula. É importante verificar as especificações da bateria para determinar a tensão de carga adequada.
Além disso, o estado atual de carga da bateria também é importante para determinar a corrente de carga adequada. De acordo com o artigo, se a bateria estiver completamente descarregada, uma corrente de carga mais baixa deve ser usada para evitar danos à bateria.
Corrente de carga ideal (A) = Capacidade nominal da bateria (Ah) x taxa de carga recomendada (7)
Utilizando uma bateria de 10Ah.
Figura 13 – Interior de uma bateria chumbo ácido
Fonte: ANKINYELE et al., 2014
O tempo médio de carga de uma bateria chumbo-ácida de 10Ah pode ser calculado utilizando a fórmula básica da Lei de Ohm, que relaciona corrente, tensão e resistência:
Tabela 4 – Ficha técnica bateria chumbo ácido
Fonte: Elaboração própria
PRINCIPAIS APLICAÇÕES: No-Breaks (UPS) – Telecomunicações (PABX) – Sistemas de Segurança e Alarmes – Iluminação de Emergência – Sistemas de Energia Alternativa (Solar, eólica etc.) – Equipamentos Médicos – Instrumentação – Brinquedos e Hobbies.
4.Resultados e Discussão
CÁLCULO DO RPM (segundo fórmula 2
Se a polia movida é maior que a motora, a velocidade transmitida para a máquina é menor (menor rpm). Para calcular o RPM das polias é só aplicar a seguinte expressão matemática. Onde n1 e n2 são as rpm das polias motora e movida, respectivamente, e D 2 e D1 são os diâmetros das polias movida e motora.
1)Utilizando a menor cadência (50 rpm) e o mínimo RPM do alternador necessário para gerar energia (300 rpm) com o aro de 29”, temos o seguinte valor:
Convertendo 4,83” para mm:
4,83 * 25,4 = 122,68 mm
O diâmetro da polia movida não poderá ser maior que 4,83’’ pois a pessoa com menor cadência, não alcançará o rpm necessário.
2) Utilizando a maior cadência (105 rpm) e o máximo RPM do alternador (750 rpm) com o aro de 29”, temos o seguinte valor:
Convertendo 4,06” para mm:
4,06 *25,4 = 103,12 mm
O diâmetro da polia movida não poderá ser menor que 4,06’’ pois irá ultrapassar o RPM limite do alternador e chegar a queimá-lo.
3) Média entre os diâmetros obtidos:
Convertendo 4,45” para mm:
4,45 *25,4 = 113,03 mm
4) Utilizando a fórmula para identificar se o diâmetro médio atende aos requisitos do alternador:
Adotando o diâmetro da polia movida de 4,5 pois é a medida que será encontrada no mercado.
Portanto, será adotado um diâmetro da polia movida, ou seja, a polia que será acoplada no rotor do alternador, de 4,45” pois ele atende a todas as cadências do público.
DISTÂNCIA ENTRE OS EIXOS DAS POLIAS (segundo fórmula 3):
Convertendo 21,18’’ para mm:
21,18 *25,4 = 537,98 mm
COMPRIMENTO DA CORREIRA (segundo fórmula 4):
Convertendo 101,99’’ para mm:
101,99 *25,4 = 2.590,55 mm
ENERGIA CINÉTICA (segundo fórmula 1):
Para converter RPM para m/s é necessário executar 2 etapas:
1 Deixar a unidade de tempo igual:
2 Aplicar a fórmula, sabendo o raio:
P=2πr
Então teremos:
3 Cálculo energia cinética:
Foi adotado o peso de 80kg
BATERIA
1) CARGA IDEAL (segundo fórmula 7):
Corrente de carga ideal (A) = Capacidade nominal da bateria (Ah) x taxa de carga recomendada.
Utilizando uma bateria de 10Ah.
2) TEMPO DE CARGA (segundo fórmula 8):
No caso de uma bateria chumbo-ácida de 10Ah, supondo que esteja sendo carregada com uma corrente constante de 1A, o tempo de carga seria:
Isso significa que, em condições ideais, levaria cerca de 10 horas para a bateria ser completamente carregada a uma corrente constante de 1A. Vale ressaltar que, na prática, a corrente de carga pode variar durante o processo de carga, dependendo da tensão da bateria e da eficiência do carregador utilizado.
TEMPO ESTIMADO PARA CARGA DE UM CELULAR
O tempo necessário para carregar um iPhone utilizando um carregador rápido (fast charger) em uma bateria chumbo-ácida de 10Ah pode variar dependendo de vários fatores, como a capacidade do carregador, o modelo do iPhone e o estado atual da bateria.
No entanto, de forma geral, a maioria dos carregadores rápidos para iPhone possuem uma capacidade de carga de cerca de 18W (watts), o que equivale a uma corrente de carga de aproximadamente 3,6A (ampères) em uma tensão de 5V (volts). Utilizando a fórmula básica da Lei de Ohm para calcular o tempo de carga, podemos estimar que um iPhone com bateria de 3000mAh (ou 3Ah) seria carregado em cerca de 50 minutos, considerando uma eficiência de carga de cerca de 80%.
Supondo que o celular a ser carregado tenha uma bateria de 3000mAh (ou 3Ah) e que a eficiência do sistema de geração de energia seja de cerca de 70%, seria necessário gerar cerca de 4,2Ah de energia para carregar completamente a bateria do celular.
Considerando que a bicicleta gera uma potência média de cerca de 100W (watts) e que a bateria tem uma capacidade de 10Ah, podemos estimar que levaria cerca de 2 horas de pedalada constante para gerar a energia necessária para carregar completamente o celular.
SIMULAÇÕES NX-SIEMENS
Para a realização de uma simulação com base nos parâmetros confirmados no projeto, foram adotadas medidas relacionadas ao corpo da bicicleta e suporte necessário para sua fixação, comparando-os com materiais de alumínio e bambu em sua estrutura (bicicleta) para entender os efeitos desses materiais neste tipo de objeto, e sua viabilidade sem modificações em sua geometria. Essas informações nos fornece uma melhor visualização de suas dimensões, geometria e características físicas, permitindo uma análise mais completa.
Figura 14 – Vista isométrica do sistema
Fonte: Elaboração própria
Dados utilizados:
Massa corpórea 80kg
Distribuição do peso: 80% no banco e 20% no guidão
A altura da roda traseira em relação ao solo foi determinada como sendo de 480mm.
Figura 15 – Altura da roda traseira em relação ao solo
Fonte: Elaboração própria
A estrutura da bicicleta se encontra inclinada em um ângulo de 7,25 graus em relação ao solo neste modelo. Essa inclinação pode afetar a postura do ciclista durante o uso.
Figura 16 – Angulação da bicicleta em relação ao plano
Fonte: Elaboração própria
Foi adotada uma angulação do tronco em relação a uma normal do solo de 40 graus, para que ficasse o mais fiel com uma pessoa segurando o guidão.
Figura 17 – Angulação do tronco em relação ao solo
Fonte: Elaboração própria
Características alumínio 6061:
Resistência mecânica alta; resistência à corrosão alta; conformação mecânica fácil; soldabilidade boa.
Tabela 5 – Propriedades físicas do alumínio
Fonte: Elaboração própria
Tabela 6 – Propriedades mecânicas do alumínio
Fonte: Elaboração própria
Gráfico de deslocamento total do sistema de alumínio no ponto crítico:
Figura 18 – Gráfico de deslocamento total do sistema de alumínio no ponto crítico
Fonte: Elaboração própria
Valor obtido do deslocamento é de 1mm na região indicado em vermelho na figura acima.
Gráfico de tensão no sistema de alumínio:
Figura 19 – Gráfico de tensão no sistema de alumínio
Fonte: Elaboração própria
Figura 20 – Ampliação da região vista de outro eixo
Fonte: Elaboração própria
304 – 100%
147,61 – x%
X = 48,56%
Temos que a tensão máxima encontrada ficou em 48,56% do total do limite de resistência do material.
Características bambu colmos brasileiro:
Massa específica dos colmos de bambu brasileiro:
Tabela 7 – Massa específica do bambu
Fonte: Elaboração própria
Valores médios de resistência à tração:
Tabela 8 – Resistência à tração
Fonte: Elaboração própria
Comparação entre as eficiências dos materiais:
Tabela 9 – Comparação entre eficiências dos materiais
Fonte: Elaboração própria
Gráfico de deslocamento total do sistema com a bicicleta de bambu no ponto crítico:
Figura 21 – Deslocamento total com material de bambu
Fonte: Elaboração própria
Gráfico de tensão no sistema de bambu:
Figura 22 – Tensão no sistema de bambu
Fonte: Elaboração própria
126 – 100%
139,48 – x%
X = 110,7%
Temos que a tensão máxima encontrada ultrapassou em 10,7% o limite de resistência havendo assim o rompimento do material.
5.Considerações Finais/Conclusões
O sistema de geração de energia elétrica acoplado à bicicleta mostrou-se eficiente, alcançando uma cadência de 650 rpm e uma potência média de 1000W. Através dos cálculos realizados, constatou-se que é possível carregar um aparelho eletrônico (celular) em apenas 2 horas, o que demonstra sua capacidade de produção de energia.
A estrutura de alumínio se mostrou eficaz devido a sua resistência, disponibilidade no mercado, manuseio, soldabilidade, não sofre oxidação e capacidade de suportar os esforços físicos submetidos. Com base nos dados obtidos através da simulação, é possível observar que nessas condições e geometria houve o rompimento da estrutura do quadro da bicicleta feito em bambu, já no alumínio os esforços submetidos na estrutura ficaram em 48,56% do limite de tensão do material, justificando assim a escolha desse material para o corpo da bicicleta.
De fato, o uso de geradores acoplados à bicicleta pode ser uma excelente alternativa para a geração de energia elétrica em locais remotos, além de ser uma opção sustentável e renovável.
Na educação, essa tecnologia pode ser utilizada para ensinar sobre fontes de energia renováveis e sustentáveis, incentivando as pessoas a adotar hábitos mais conscientes em relação ao consumo de energia e ao meio ambiente.
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