Produção de Energia através de um Sensor de Movimentos acoplado a um Íman Permanente

Contexto operacional

Atualmente, as comunicações são essenciais para o soldado, pois permitem receber e transmitir instruções em vários níveis de comando, apoiando uma tomada de decisão rápida e precisa. Esta capacidade só se tornou possível graças à evolução tecnológica dos equipamentos.

No entanto, essa evolução trouxe também um aumento das necessidades energéticas. Como consequência, o soldado tem de transportar no colete tático um número crescente de baterias. Como os equipamentos utilizam baterias com tensões e autonomias diferentes, é necessária uma gestão cuidadosa da sua utilização. Quando se esgotam, precisam de ser substituídas por baterias carregadas, o que aumenta o peso transportado e reduz a mobilidade.

Proposta de Solução

Perante o desafio da evolução tecnológica dos equipamentos, a ideia passa por centralizar a gestão e produção de energia num único módulo, com várias interfaces de saída para alimentar os equipamentos necessários. Os blocos integrantes no módulo são independentes, de modo a permitir que os processos sejam otimizados, tenham margem de evolução e que seja possível em qualquer momento integrar novas tecnologias.

O conceito principal é aproveitar os movimentos do soldado para produzir a energia necessária para os equipamentos que transporta. Para a sua implementação elaborou o organigrama da figura 4. A linha de blocos a cor verde representa as fases para a sua concretização e a linha a cor de laranja representa a sua materialização.

Figura 4 – Organigrama da Ideia

O produto final é o Módulo Integrador de Energia (MIE), que apresento na figura 5.

Legenda:
MIE – Módulo Integrador de Energia;
MGP – Módulo Gestão Potência;
MGE – Módulo Gerador de Energia;
AM – Atuador de Movimento.

Pela análise biomecânica do corpo humano, verifica-se que os membros são a parte que mais energia cinética produz. Foi decidido projetar um Atuador de Movimento (AM) que colocado numa articulação lateral numa joelheira, consegue extrair a energia cinética dos movimentos de contração e distensão da perna. Esses movimentos desenvolvem ângulos com uma amplitude de 0 a 130 graus, figura 7.

O funcionamento do AM baseia-se numa válvula pneumática de alavanca rotativa, que é acionada pelos movimentos de contração e distensão da perna que criam pressão no circuito pneumático e originam uma força.

A articulação é feita de poliuretano de alta resistência, material utilizado na indústria ortopédica para o fabrico de próteses e que poderá ser inserida nas calças.

A válvula pneumática de alavanca rotativa, é produzida pela empresa AirTAC, modelo 4HV2-06, com as dimensões 62x62x84 mm e pesa 200 g. A força exercida pela válvula através do ar comprimido no circuito pneumático, vai movimentar um cilindro rotativo num sentido.

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Figura 10 –Circuito pneumático

Componentes do sistema de acionamento

O cilindro selecionado é fabricado pela AirTAC, modelo HRQ2, com dimensões de 32 × 76 × 28 mm e peso de 230 g. As mangueiras utilizadas são do tipo Multi-Air, resistentes a dobras, o que assegura a passagem do ar mesmo quando se encontram torcidas. Os conectores pneumáticos são de qualidade superior e incluem retentores de tubo em aço inoxidável.

O movimento de rotação do cilindro comprime uma mola de tração, armazenando energia sob a forma de energia potencial elástica, conforme ilustrado na figura 11.

Princípio físico e elemento elástico

De acordo com a lei de Hooke, quando uma mola é deformada por uma força externa, surge uma força restauradora na mesma direção e em sentido oposto. Essa força é diretamente proporcional à deformação imposta.

A mola de tração selecionada é da marca SPIROFLEX, modelo 9S, em aço, com capacidade elástica de distensão de 50 voltas.

A mola de tração escolhida é da marca SPIROFLEX modelo 9S, em aço, esta mola tem uma energia elástica de distensão de 50 voltas.

Funcionamento do sistema de molas

Com base no princípio de funcionamento do relógio mecânico, foi concebido um sistema com duas molas de tração, comprimidas pelo movimento rotativo do cilindro. Este arranjo permite assegurar continuidade no funcionamento do sistema.

O processo ocorre da seguinte forma:

• as molas são carregadas alternadamente;
• quando uma mola atinge a carga máxima, um mecanismo comuta automaticamente para a outra;
• enquanto uma mola é comprimida, a outra liberta energia pela sua distensão e mantém o sistema em funcionamento.

O cilindro rotativo aciona uma roda de carregamento que comprime uma das molas e armazena nela energia potencial elástica. Quando a carga máxima é atingida, o mecanismo comuta para a segunda mola. O objetivo é manter a roda em rotação a uma velocidade de 1 volta por segundo, conforme ilustrado na figura 12.

Na roda que está a girar a uma velocidade de 1 volta/s, fixa-se um mecanismo de “Roda-Manivela”, com um êmbolo na extremidade, figura 13.

O mecanismo Roda-Manivela converte o movimento circular em movimento retilíneo; transmite esse movimento, através de um êmbolo, à parte eletromagnética do sistema.

O sistema eletromagnético é composto por Ímanes permanentes e um Solenoide.

O Íman Permanente escolhido é de Neodímio N35 (NdFeB) composto por neodímio, ferro e boro, figura 14.

Características:
Dext=40 mm, Dint=10 mm, Altura = 5 mm, Peso = 44 g; Campo magnético (B) = 313 mT; Fluxo (Ø) = 0,000313 Wb;

Projetou-se um Solenoide com as dimensões de (LxAxD) 100x30x40 mm, com 12 camadas, cada camada com 40 espiras, totalizando 480 espiras bobinadas com fio de cobre esmaltado AWG30 (2,5 mm).

As linhas do campo magnético incidem perpendicularmente na área do Solenoide, cujo valor é :

Área = π r² = 3,14 x 0,05² = 0,00785 m²

O Íman produz um fluxo magnético de :

Ø = B x A x cos θ = 0,313 x 0,00785 x 1 = 0,0025 Wb

Associando 5 imanes fica-se com um fluxo de :

Ø = 0,0125 Wb

Figura 17 – Linhas do campo magnético impostas pelo Íman

O movimento de rotação da roda (1 volta/s) faz com que o Íman se mova no interior do Solenoide a uma velocidade de 200 mm/s. Este movimento origina uma variação de fluxo magnético entre os valores mínimo (0 Wb) e máximo (0,0125 Wb), a uma candência de 2 vezes/s. Esta variação de fluxo vai produzir uma corrente induzida nas espiras do solenoide, que por sua vez, vai originar uma Força Eletromotriz (Fem) aos terminais da bobina, com o valor de 12 V.

Módulo de Gestão de Potências

Para gerir a distribuição de energia pelos equipamentos, foi concebido um Módulo de Gestão de Potências (MGP), responsável por assegurar a transição energética entre as entradas e as saídas do sistema.

A principal função do MGP é regular e controlar as entradas (Vin) e as saídas (Vout). Para isso, utiliza tecnologia MPPT (Maximum Power Point Tracking), maximizando o aproveitamento das fontes de energia e garantindo tensões de alimentação estáveis e constantes nas saídas.

Armazenamento de energia

O MGP integra uma bateria de iões de lítio que funciona como elemento tampão, recebendo a energia proveniente das entradas e disponibilizando-a às saídas sempre que necessário.

A bateria selecionada é do tipo LI-PO-3s, da SIGMA, com tensão de 11,1 V, capacidade de 2200 mAh, dimensões de 105 × 35 × 24 mm e peso de 179 g.

A bateria escolhida é do tipo LI-PO-3s da SIGMA. Com uma tensão de 11,1 V, capacidade 2200 mAh, dimensões 105x35x24 mm e com o peso de 179 g.

A principal função do MGP, é regular e controlar as saídas (Vout) e entradas (Vin). Utiliza tecnolo-gia MPPT “Maximum Power Point Tracking” para tirar o máximo rendimento das fontes de energia e nas saídas manter as tensões de alimentação constantes e estáveis.

Entradas de alimentação

O MGP dispõe de duas entradas principais:

• Vin1: utilizada para ligar o próprio MGP.
• Vin2: destinada à ligação de fontes externas, como um painel solar, uma turbina eólica ou uma tomada de energia disponível em viaturas.

Esta segunda entrada permite alimentar o sistema em situações em que o soldado se encontra parado e não está a gerar energia por movimento.

Figura 18 – Bateria alta densidade

O MGP é do tipo “System on-Chip” (SoC).

Um SoC é um conjunto de circuitos integrados num único “chip”, onde existem blocos funcionais diferentes e autónomos.

Legenda:
Vin – Entrada;
Vout – Saída;
MPPT – Maximum Power Point Tracking

Figura 19 – Esquema de blocos do MGP

Resultado esperado

O resultado esperado é um Módulo Integrador de Energia versátil e escalável, com potência de 30 W e peso inferior a 2 kg.

A substituição do Atuador de Movimento permite gerar energia a partir de diferentes partes do corpo. Além disso, o Módulo de Gestão de Potências está preparado para receber energia de várias fontes, incluindo energia eólica, solar, pilhas de hidrogénio e alimentação elétrica convencional.

Viabilidade da proposta

A tecnologia proposta já é aplicada em diversos sistemas com resultados comprovados. A ideia assenta em conceitos teóricos sólidos e em cálculos matemáticos que sustentam a sua viabilidade.

Os materiais necessários para a sua implementação já estão identificados. No entanto, o projeto e o fabrico das componentes mais exigentes deverão ser assegurados por empresas especializadas.

Próxima fase de desenvolvimento

A próxima etapa consiste na validação funcional do sistema em laboratório. Nesta fase, é expectável que o protótipo sofra ajustes e aperfeiçoamentos, sobretudo ao nível das dimensões e do peso, de forma a otimizar o seu desempenho e integração operacional.

Principais vantagens

A implementação desta solução poderá trazer as seguintes vantagens:

1. Reduzir a dependência de um único método de alimentação dos equipamentos.
2. Criar um sistema autónomo, dependente apenas do atuador e do movimento gerado.
3. Disponibilizar um módulo dinâmico e adaptável a diferentes fontes de energia emergentes.
4. Permitir a adaptação do sistema para alimentar equipamentos instalados em viaturas, centros de comunicações e estações de transmissão.

Como dizia Lavoisier: Nada se cria e nada se perde, tudo se transforma.