Pavement Energy Harvesting System to Convert Vehicles Kinetic Energy into Electricity

Palavras-chave: Energy Harvesting,Pavimento Rodoviário,Segurança Rodoviária,Interação Veículo-Pavimento,Modelação de Sistemas,Análise Custo Benefício,Road Pavement,Energy Harvesting,Road Safety,Vehicle-Road Interaction,System Modelling,Cost-Benefit Analysis

A crescente mobilização do ser humano para as cidades, as mudanças no estilo de vida e a crescente adoção de novas tecnologias, levaram a um aumento exponencial do consumo de recursos do planeta nos últimos anos, sendo a energia um dos recursos em que o consumo aumentou muito significativamente, com ênfase especial na energia elétrica. Nesta área, urge mudar o paradigma atual em que a produção é feita em grandes centrais, fora das cidades, consumindo recursos não renováveis e induzindo perdas de energia desde a produção até ao local de consumo final. A produção de energia elétrica deverá ser feita a partir de recursos renováveis, de forma descentralizada, próximo dos locais onde esta energia é consumida e, preferencialmente, no momento em que é necessário consumir essa energia.  Na área das energias renováveis foi adotado recentemente o conceito de energy harvesting, vulgarmente traduzido para "colheita de energia", sendo novidade quando aplicado a uma escala "micro" em que, a partir de pequenas variações de energia é possível gerar energia elétrica. A superfície do pavimento rodoviário está continuamente exposta às cargas de veículos que se deslocam sobre a mesma, a partir das quais é possível captar energia que, através da utilização de tecnologias específicas, pode ser transformada em energia elétrica.  Esta tese começa pela avaliação das soluções existentes na área da "colheita de energia" em pavimentos rodoviários (RPEH), permitindo tirar conclusões acerca da eficiência de cada sistema, do seu princípio de funcionamento, estado de desenvolvimento e do método de instalação no pavimento rodoviário.  É de seguida definida uma metodologia para desenvolver um novo sistema de RPEH, na qual é realizada uma análise energética, quantificando a energia entregue pelas rodas do veículo para a superfície do equipamento de RPEH, a energia transmitida pelo sistema mecânico e entregue a um conversor eletromecânico, a energia elétrica gerada e também consumida. Esta metodologia irá permitir compreender e quantificar a eficiência de cada componente e otimizá-lo, permitindo assim alcançar a máxima eficiência de conversão de energia possível para cada sistema proposto e avaliado.  Com base nesta metodologia foi desenvolvido um software para simular e estudar a interação veículo-pavimento (VRI), de modo a quantificar as forças induzidas e a energia libertada de um veículo para o pavimento rodoviário para diferentes cenários de movimento do veículo, e ainda a energia absorvida pela superfície do pavimento, ou por equipamentos redutores de velocidade ou equipamentos de RPEH. Esta ferramenta permite também aos seus utilizadores quantificar a eficiência energética deste processo. Este software, denominado RoadVISS, permite estudar a VRI com uma precisão superior às ferramentas existentes, especialmente quando são realizadas análises energéticas e quando o estudo é relativo a equipamentos de redução de velocidade ou de RPEH.  Utilizando este software, foi realizado um estudo para otimização de equipamentos redutores de velocidade, sendo proposta uma nova solução para promover uma redução de velocidade mais eficaz, sem qualquer ação dos condutores de veículos. Através das simulações computacionais realizadas concluiu-se que a solução proposta é capaz de extrair 81,0% mais energia dos veículos em relação aos sistemas redutores de velocidade normalmente utilizados, com um impacto 87,0% menor no chassi do veículo, em cenários semelhantes. Foi desenvolvido e testado um protótipo da solução proposta, que nos permitiu validar a maioria dos resultados obtidos a partir das simulações computacionais. Esta solução apresenta um grande potencial para contribuir para a promoção da segurança rodoviária, sendo mais eficaz do que as soluções existentes.  De seguida foram desenvolvidas novas soluções para converter a energia mecânica de veículos em energia elétrica, a primeira baseada num sistema eletromecânico, a segunda baseada num sistema hidráulico com atuação mecânica, sem armazenamento de energia mecânica, e a terceira semelhante à segunda, mas utilizando um acumulador de energia mecânica. Os modelos físicos de cada sistema foram definidos e incorporados no software RoadVISS, o que nos permitiu desenvolver uma nova ferramenta direcionada para o desenvolvimento de equipamentos de RPEH. Através das simulações computacionais realizadas foi possível verificar que todos os sistemas propostos são mais eficientes que as várias soluções existentes, previamente estudadas no estado-da-arte. O equipamento eletromecânico foi submetido a uma validação experimental e, em cenários específicos, provou ter uma eficiência de conversão de 60,5%, um valor superior ao atual estado-da-arte, passando assim a ser o sistema mais eficiente validado através de testes experimentais na literatura. Este sistema deve ainda ser otimizado, de modo que se alcance uma validação completa para todos os cenários de teste. Os sistemas hidráulicos propostos e estudados devem também ser submetidos a validações experimentais de forma a comparar os dados experimentais com os resultados obtidos a partir das simulações computacionais.  Finalmente, foram desenvolvidos modelos de avaliação para realizar a análise técnica e económica dos equipamentos de RPEH, bem como para realizar análises de custo-benefício para a aplicação deste tipo de solução de geração de energia como fonte energética para diferentes aplicações. Os modelos propostos permitem também a realização de análises de sensibilidade, permitindo assim otimizar o valor de cada parâmetro de modo a definir as condições ótimas para que um sistema de RPEH tenha viabilidade económica. Alguns estudos de caso são apresentados, permitindo tirar conclusões acerca das condições necessárias para que estes sistemas sejam economicamente viáveis.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias