GERAÇÃO ALTERNATIVA DE ENERGIA PARA AERONAVES ATRAVÉS DE MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

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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).

A segunda fase será durante a decolagem. Nesse ponto os motores já estarão funcionando e toda fonte de energia dos mesmos estará vindo do combustível. A energia piezoelétrica então, será utilizada para os equipamentos elétricos e eletrônicos. Nesse ponto também as asas já estarão sofrendo o movimento de vibração e a partir de então a energia piezoelétrica já estará sendo gerada (HOMA, 2010).

A terceira fase é quando a aeronave estiver em voo de cruzeiro. Nessa fase os componentes que estarão sendo alimentados serão os mesmos que serão alimentados durante a decolagem. A grande diferença é a geração de energia, as asas estarão vibrando tanto, que a energia criada será o suficiente para manter os equipamentos já citados funcionando e ao mesmo tempo repor toda a energia já utilizada, mantendo o sistema em total equilíbrio (HOMA, 2010).

A quarta e última fase será quando a aeronave estiver iniciando os seus procedimentos de pouso. Os equipamentos alimentados durante essa fase são os mesmos das duas últimas fases. Após a aeronave pousar iniciará o taxiamento, em outras palavras, voltaremos a primeira fase e daqui em diante o processo entrará em repetição (HOMA, 2010).

A estrutura das asas de um avião é composta basicamente por três componentes principais: A longarina traseira, a longarina principal (que passa por todo comprimento da asa) e as nervuras, além de rebites e outras partes conectoras. As nervuras são feitas de alumínio aeronáutico que é altamente resistente a corrosão e as altas pressões exercidas pelo vento. Após a montagem da estrutura a asa recebe uma cobertura de alumínio, chamada de cobertura da asa, o mesmo é feito no nariz da borda de ataque da asa (SILVA, 2011).

Um avião alça voo devido as reações aerodinâmicas que ocorrem quando a alta velocidade do ar passa pelas asas da aeronave, o vento é forçado a passar por baixo e por cima das asas. O formato aerodinâmico das asas faz com que o vento forme uma zona de baixa pressão na parte superior posterior da asa. Devido ao perfil aerodinâmico, a zona de pressão exercida pela alta velocidade do vento na parte inferior da asa é bem maior, sendo assim, a diferença de impacto gasoso do ar atmosférico proporciona a sustentação da aeronave.

As asas além de proporcionar sustentação ao avião, também funcionam como “amortecedores” absorvendo as diferenças de pressões atmosféricas abruptas do ar, também conhecidas como turbulências, que podem também ser descritas como “um estado em que um fluido exibe velocidades instantâneas irregulares e flutuações aparentemente aleatórias”. A partir disso são provocadas vibrações nas asas, vibrações essas que servem justamente para diminuir a amplitude dos movimentos bruscos dentro do avião. Além disso, na maioria dos aviões os motores ficam sob as asas, o que também ocasiona vibrações nas mesmas.

A região central do avião se movimenta pouco, enquanto as extremidades (asas) se movimentam bastante. Podemos modelar esse efeito como uma onda em uma corda com extremidade livre, a parte central seria um nó e as extremidades vales e picos.

De acordo com Thomsom e Dahleh (1998), a determinação das frequências naturais de um sistema com vários graus de liberdade, pode ser modelada baseando-se nas massas e na rigidez do sistema. Isso é obtido segundo um modelamento de uma matriz de massas associada as acelerações do sistema em conjunto com a rigidez do mesmo, associado aos deslocamentos das massas que o compõem, gerando a equação 1.

(1)[pic 4]

Resolvendo-se esta equação, obtemos a função das frequências naturais das vibrações, equação 2.

(2) [pic 5]

A constante de tensão piezoelétrica é uma das principais características do material, e informa a tensão gerada (em Volts) e a carga aplicada (em Newton), para uma cerâmica com comprimento de 1 metro. Obtém-se valores típicos de 1 a 60 Volts para cada Newton aplicado, (considerando o comprimento do eixo em 1 metro). O módulo de tensão aumenta se houver a diminuição da dimensão da cerâmica ou o aumento da força aplicada (SÃO CARLOS, 2004).

Podemos calcular a incerteza da força que a cerâmica piezoelétrica receberá durante o voo, o fato é que a frequência e a intensidade com que o vento faz as asas da aeronave vibrarem é incerta e implica conseqüentemente na incerteza da resposta. Esta incerteza pode ser estimada através das estatísticas (MANSON, 2005).

Para a geração de energia temos a flexão da asa do avião, onde podemos calcular a probabilidade de quantas vezes a asa vai flexionar em um determinado tempo, com isso temos a distribuição de Poisson, equação 3, que é frequentemente usada para modelar o número de ocorrências de um evento por um certo período de tempo. [pic 6]

(3) Onde: [pic 7]

- : é a base do logaritmo (e = 2.71828...),[pic 8]

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