Definição
Geração de energia por fontes renováveis.
PROPÓSITO
Reconhecer a importância das tecnologias de geração de energia por fontes renováveis para a substituição das energias geradas por fontes não renováveis.
Preparação
Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha em mãos papel, caneta e uma calculadora científica ou use a calculadora de seu smartphone/computador.
OBJETIVOS
Módulo 1
• Aplicar os conceitos físicos envolvidos na tecnologia da geração de energia elétrica por conversão de energia solar
Módulo 2
• Aplicar os conceitos físicos envolvidos na tecnologia da geração de energia elétrica por conversão de energia eólica
Módulo 3
• Aplicar os conceitos físicos envolvidos na tecnologia da geração de energia elétrica por conversão de energias: geotérmica e maremotriz
MÓDULO 1
Aplicar os
conceitos físicos envolvidos
na tecnologia da geração
de energia elétrica por conversão de energia
solar
Introdução
O Sol é o maior e mais pesado corpo celeste, contendo cerca de 98% de toda a massa do Sistema Solar. Isso significa que aproximadamente 109 planetas Terra seriam precisos para cobrir a superfície do disco do Sol que observamos aqui do nosso planeta. Já para preencher todo o volume dessa estrela, seriam necessários 1,3 milhões de Terras.
O Sol é a maior e mais forte fonte de energia que conhecemos. Essa energia é gerada em seu núcleo, onde a temperatura é estimada em 15 milhões de graus Celsius, e a sua pressão calculada em 340 bilhões de vezes a pressão atmosférica do planeta Terra, ao nível do mar. Essa energia solar é oriunda de reações nucleares que transformam quatro prótons (núcleos de átomos de hidrogênio) em uma partícula alfa (núcleo de um átomo de hélio). O núcleo do átomo de hélio é cerca de 0,7% menos massivo do que quatro prótons.
Bem, se o núcleo do átomo de hélio tem massa de 99,3% da massa de quatro prótons, para onde vão os 0,7% restantes?
Resposta
A resposta, apesar de parecer simples, não é. A diferença da massa se transforma em energia, e por convecção essa energia se locomove do centro do núcleo do Sol até a sua superfície, onde então é liberada na forma de luz e calor, como de fato conhecemos. Esse processo de convecção possui um intervalo de tempo de 1 milhão de anos, ou seja, leva 1 milhão de anos para a energia se movimentar do núcleo do Sol até a sua superfície.
A ciência afirma que a cada segundo o Sol converte 700 milhões de toneladas de hidrogênio em hélio, o que significa que 5 milhões de toneladas de hidrogênio nessa modificação foram convertidos em energia e então liberados para a superfície solar. Isso significa que com o passar do tempo, o Sol está se tornando mais leve, sendo essa teoria que garante que nossa estrela não se tornará um buraco negro quando finalmente se apagar.
Convecção
Movimento que um fluido toma por influência de uma variação de temperatura.
Fonte: Dicio. Dicionário Online de PortuguêsEstima-se que o Sol tenha cerca de 4,6 bilhões de anos e que ainda tem energia para brilhar por mais 5 bilhões de anos. O Sol fornece ao planeta Terra uma energia anual de 3.850.000EJ (Exajoule), o que equivale a 3.850.00 x1018J por ano. Isso representa mais energia em 2 horas do que a humanidade utiliza em um ano, mas, infelizmente, somente cerca de 1% da energia elétrica produzida no mundo é oriunda da conversão de energia solar, isso porque as usinas solares são caras e pouco eficientes.
Você sabia
A placa solar fotovoltaica mais efetiva converte somente 13% de toda a energia captada em energia elétrica. No entanto, essa energia é a mais promissora para a geração e mantimento energético para o futuro.
Diante disto, vamos compreender a partir de agora como funciona a energia solar.
Energia solar
A energia solar é uma energia eletromagnética, ou seja, uma radiação eletromagnética. Graças a essa energia nós temos luz e calor aqui no planeta Terra e, consequentemente, vida.
A radiação eletromagnética é emitida em ondas, sendo compostas de um campo elétrico com um campo magnético que se propaga transportando energia. As ondas eletromagnéticas possuem uma peculiaridade que as ondas mecânicas não possuem que é a capacidade de se propagar no vácuo, ou seja, a onda eletromagnética independe do meio material para se propagar, e é assim que ela consegue sair do Sol, atravessar o vácuo existente no espaço sideral e chegar ao nosso planeta.
Existem diversos tipos de radiação eletromagnética: infravermelha, ultravioleta, raios X, etc.
Figura 1: Classificação da onda eletromagnética perante sua frequência e comprimento de onda. Fonte: Shutterstock.
Somente a sua frequência define a energia da onda, pois quanto maior a sua frequência maior é a energia dessa onda, e consequentemente menor é o seu comprimento de onda. As equações (1) e (2) demonstram a relação da energia eletromagnética com a frequência e com o seu comprimento de onda respectivamente:
As duas equações representam a energia de uma onda eletromagnética em unidade do Sistema Internacional (S.I.) que é o joule (J).
- O h é a constante de Planck, e tem valor de 6,626x10-34J.s.
- A letra f é a frequência em hertz (Hz).
- A letra c é a representação da velocidade da luz, que no vácuo tem o valor de .
- A letra λ é o comprimento de onda em metros (m).
As equações (1) e (2) são equivalentes, pois pelo princípio de propagação de uma onda, a velocidade de propagação é proporcional ao produto do comprimento da onda pela sua frequência:
Porém, na Física, utilizamos o símbolo v para poder descrever a velocidade uma onda mecânica. Para ondas eletromagnéticas, que se propagam na velocidade da luz ou muito próxima dela, utilizamos o símbolo c para descrever as grandezas de velocidade e frequência, então a equação (3) assume a forma:
Então, da (4), podemos escrever a frequência em função da velocidade da luz e do comprimento da onda eletromagnética, assim:
Desta forma, ao substituir (5) em (1), obtemos a equação (2).
A onda eletromagnética, como a luz visível, por exemplo, é constituída por fótons, que são os responsáveis por transportar a energia eletromagnética. Um fóton é a menor porção de uma onda eletromagnética, e este não possui uma massa intrínseca, ou seja, até hoje ninguém conseguiu ainda detectar a sua massa, que está sempre se movendo na velocidade da luz. Apesar de não ter massa, o fóton transfere energia quando colide com a matéria.
Quando um fóton colide com a matéria, na verdade colide com elétrons circulando núcleos, e então altera colidindo com o elétron arrancando-o do átomo.
Todavia, temos um destaque: o movimento dos elétrons gera corrente elétrica. E é esse fenômeno físico que nos interessa para gerar energia elétrica através da utilização de placas fotovoltaicas.
Mas, se a energia eletromagnética é uma onda, como ela pode colidir com um elétron?
O fóton possui uma dualidade, que é a dualidade onda partícula. Ora ele se comporta como onda, ora como partícula. O comportamento dele como partícula foi descrito por Albert Einstein em seu trabalho sobre a descoberta do efeito fotoelétrico. Trabalho este que lhe rendeu o prêmio Nobel de Física.
Como a energia solar (ondas eletromagnéticas) pode ser utilizada para gerar energia?
Descubra a seguir.
Conversão de energia solar em energia elétrica e térmica
A energia solar é convertida em energia elétrica por auxílio de uma placa ou painel, ou célula solar (também conhecida como placa, painel ou célula fotovoltaica). As células fotovoltaicas são constituídas de materiais semicondutores, em geral de silício, devido à sua abundância no planeta. Essas células absorvem a luz do Sol e geram energia elétrica por efeito fotoelétrico.
O efeito fotoelétrico ocorre quando os fótons de luz se chocam com os átomos da rede cristalina do silício que compõem o painel solar. Esta colisão desloca os elétrons do silício, e gera uma corrente elétrica contínua. Chamamos essa corrente de Energia Solar Fotovoltaica. Mas como ocorre a transformação da energia cinética dos fótons em energia elétrica? Bem, primeiro, vamos observar a figura 2:
Note que a figura possui 5 números. Esses números correspondem às etapas necessárias para captação, transformação e utilização da corrente elétrica.
Figura 2: Passo a passo da conversão da energia solar em corrente elétrica. Fonte: Shutterstock.
Temos o painel solar convertendo a energia solar em corrente elétrica contínua, pois é na placa solar que os fótons colidem com os elétrons do silício, que se deslocam, e como sabemos, o deslocamento de um elétron gera corrente elétrica. Corrente elétrica é a carga elétrica em movimento. Como o elétron possui uma carga de 1,6x10-19C, ele gera uma corrente elétrica ao ser deslocado. Matematicamente, a corrente elétrica é dada por:
, em que Q é a carga em coulomb e é o intervalo de tempo em segundos.
Está posicionado um equipamento chamado de Inversor Solar. Esse inversor funciona convertendo essa corrente elétrica contínua em uma corrente elétrica útil para a sua residência ou indústria dependendo de onde a placa solar está instalada. Tal inversor transforma a corrente elétrica contínua (CC) das placas solares, em corrente elétrica alternada (CA).
Em seguida, a corrente elétrica alternada gerada no Inversor Solar é distribuída pelo quadro de luz.
Do quadro de luz, a energia é dividida para a sua residência e para a rede elétrica.
Essa etapa se faz necessária, pois as placas solares podem produzir uma energia maior do que aquela que você consome, então, desta forma, quem tem placas solares, passa a alimentar a rede elétrica cedendo e vendendo energia para a grande malha de rede elétrica que cobre toda a sua cidade. Isso gera para o dono da placa solar créditos junto à empresa de energia e, assim, o dia em que ele precisar utilizar a energia elétrica da rede elétrica, esses créditos serão consumidos como forma de pagamento.
A energia solar é convertida em energia térmica da mesma maneira? A resposta é não.
Resposta
A energia solar é convertida em energia térmica, utilizando as placas solares somente para conversão de transferência de calor para um líquido presente em suas tubulações. Neste caso, quando a luz solar colide com os elétrons da placa solar, eles não geram só eletricidade, mas também aumentam consideravelmente a temperatura dessas placas, que transfere essa energia térmica para o líquido em forma de calor. O líquido é então transportado para o acumulador solar, aquecido e utilizado, por exemplo, em chuveiros.
A figura 3 demonstra um esquema do funcionamento da energia solar para o aquecimento da água de uma piscina:
Figura 3: Aquecimento da água de uma piscina por placas solares. Essas placas são as mesmas que geram energia elétrica para a residência
Teoria na prática
Vamos agora entender como os conceitos físicos são utilizados para compreender e determinar o quanto de corrente elétrica pode ser gerado por uma placa solar. Consideremos que uma placa solar é capaz de captar 1 bilhão de fótons com frequência de 6,7 x 1014 hertz por segundo e que somente 10% de toda a energia solar incidida é convertida em energia elétrica, deslocando 1 milhão de elétrons. Primeiramente, vamos determinar a tensão elétrica gerada pela placa, antes de passar pelo inversor solar, ou seja, a tensão elétrica existente na corrente contínua de elétrons, considerando que os fótons transferem sua energia para os elétrons, fornecendo a eles energia cinética que é dada pela equação (6):
Na qual e é a carga do elétron que possui módulo de 1,6x10-19 C e V é a tensão elétrica em volts.
Para determinar a energia convertida, é necessário determinar a energia de incidência dos fótons na placa solar pela equação (1), assim:
Agora que temos o conhecimento da quantidade de energia que é gerada por 1 fóton, temos que multiplicar por 1 bilhão, pois a placa capta essa quantidade de fótons, logo:
Diante desta informação, podemos determinar a tensão elétrica em volts, utilizando informação de que a placa converte somente 10% da energia incidente na placa em energia cinética dos elétrons, a equação (7) e o princípio da conservação da energia. Diante disto, temos:
Utilizando a equação (7), modificada para atender ao número de elétrons deslocados, temos:
Na qual n é o número de elétrons que se movem.
Sabemos que n é um milhão, logo:
Isolando o V, temos:
Esse V é a letra utilizada na Física para determinar tensão elétrica
Esse V é da unidade em volts.
Agora, vamos verificar outra forma de utilizar a energia solar.
Uma vez que os utensílios elétricos funcionam em 127 volts ou 220 volts, é notório que há excesso de tensão, logo, há excesso de energia, sendo esse excesso enviado para a rede elétrica municipal, estadual ou federal.
Mas, por que ao invés de mandar, eu não a armazeno em baterias? A resposta é simples: é caro.
Manter um conjunto de baterias para armazenar o excesso de energia é caro e não reciclável, além do fato de que uma bateria tem em média uma vida útil de 2 anos, o que iria gerar um gasto dispendioso para troca de diversas baterias a cada biênio. Por fim, vale ressaltar que essa energia convertida calculada ocorre a cada segundo na placa solar.
Agora, vamos considerar a situação de esta mesma placa solar aquecendo água. Digamos que a água está inicialmente a 22°C e que ela deve ser aquecida para 26°C, para uso em chuveiros, que o calor específico da água seja , e que a placa solar consiga aquecer uma massa de 0,025L de água por segundo. Diante disso, vamos calcular a quantidade de energia necessária, em joules, para aquecer 0,025L de água de 22°C para 26°C:
Como a água é aquecida de 22°C para 26°C, não há mudança de estado físico da água, assim, podemos utilizar a teoria da energia térmica de calor sensível, desta maneira:
Um fato interessante que ocorre para a água é que o seu volume em litros é proporcional à sua massa, ou seja, 1kg de água tem 1L de água. Desta forma, podemos dizer que 0,025L de água tem 25kg de água. Isso ocorre porque a densidade da água é . Voltando ao cálculo utilizando a equação (8), temos:
A massa foi utilizada como 25 e não como 0,025, porque para esse cálculo, utilizando o calor específico da água como , a massa deve estar em gramas, por isso o 0,025 foi multiplicado por 1000.
Agora, é necessário converter essa energia para joules, utilizando a relação de que 1 cal = 4,18J, assim:
Note que a energia incidente é de 4,241x10-10 J, como foi calculada em E0.
Então, seria impossível aquecer a água de 22°C para 26°C?
A resposta é: utilizando somente uma única placa solar como consideramos até o presente momento, sim, é impossível. Todavia, uma placa solar não funciona sozinha (vide figura 3), dessa forma, com um conjunto de placas solares é possível.
Vamos, então, determinar a quantidade de placas solares necessárias:
1 placa solar
placas solares
Você pode ter se assustado com os valores encontrados tanto de tensão quanto de número de placas, porém não se assuste, os valores tratados aqui são apenas hipotéticos para ilustrar como ocorre a conversão da energia dos fótons solares em energia elétrica e energia térmica.
Assista ao vídeo abaixo e entenda mais sobre a energia solar:
Usina heliotérmica
Uma usina heliotérmica funciona com o princípio da conversão de energia solar térmica concentrada em energia elétrica. A conversão ocorre através da concentração dos raios solares, que podem chegar a temperaturas acima de 1000°C. Veja um esquema representativo deste tipo de usina:
Torre solar. Captação de raios solares.
Esquema demonstrativo das etapas de conversão da energia solar em energia elétrica.
Atenção
De uma forma simples, os raios solares são concentrados no foco de espelhos esféricos, onde se encontra um receptor. Neste receptor, funciona um fluido de trabalho, em geral a água. Tal fluido de trabalho se expande e então começa a circular em um circuito, realizando trabalho sobre uma turbina, que gira um dínamo, e assim produz energia elétrica.
Dínamo
Máquina que transforma energia cinética em elétrica.
Na verdade, as usinas helioelétricas funcionam com turbinas a gás, ou seja, a usina produz energia térmica o suficiente para fazer a mudança de estado do líquido de trabalho para o estado gasoso, e com o movimento deste gás, realizar trabalho sobre a turbina.
Os espelhos responsáveis pela coleta de luz solar são chamados de coletores. Esses espelhos, em geral, são móveis e acompanham o movimento do Sol, para garantir a máxima eficiência em reflexão. A luz refletida por eles é refletida para as torres solares, que são posicionadas de tal forma a se encontrarem no foco dos espelhos, sendo nessa torre que o líquido de trabalho é aquecido a temperaturas entre 150°C e 2000°C.
Diante disso, uma usina heliotérmica funciona com o princípio do ciclo termodinâmico de Rankine, em que o fluido de trabalho (em geral a água) é transformado em vapor e aquecido até uma temperatura crítica que lhe fornece uma determinada expansão, que realiza trabalho sobre uma turbina que está acoplada a um dínamo, que produz energia elétrica. Após o trabalho realizado na turbina, esse vapor é conduzido a uma condensadora, onde retorna ao estado líquido e por meio da ação de uma bomba d’água, retorna para a torre, retroalimentando o circuito do líquido de trabalho.
O rendimento de uma usina heliotérmica é encontrado utilizando-se o rendimento do ciclo de Rankine, que é dado por:
Em que Wturbina é o trabalho realizado na turbina, Wbomba é o trabalho realizado pela bomba, e Qsolar é a energia solar transmitida para a torre.
Por que o trabalho da bomba está ali na equação (9) e, já que ele está ali, por que é negativo?
Resposta
Bem, o trabalho da bomba está ali porque precisamos lidar com o trabalho líquido do sistema, e ele é negativo porque realiza trabalho sobre o líquido, o que significa que a bomba transfere energia para o líquido, o que é o inverso do trabalho da turbina. O gás realiza trabalho sobre a turbina, ou seja, retira energia do gás.
Vamos considerar que em uma usina helioelétrica, o rendimento seja de 63%, e que a bomba d’água fornece uma energia de -2800J ao fluido de trabalho, enquanto que a turbina opera com 45% da energia solar total absorvida pela torre. Qual o valor dessa energia total absorvida pela torre?
Vamos utilizar a equação (9) substituindo os dados:
Mais uma vez você deve estar estranhando o trabalho da bomba d’água. Mas ele possui valor negativo porque neste ciclo, considera-se o trabalho realizado sobre o líquido como negativo, e o trabalho realizado pelo líquido como positivo.
Mão na Massa
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MÓDULO 2
Aplicar os
conceitos físicos envolvidos
na tecnologia da geração de
energia elétrica por conversão de energia
eólica
Energia eólica
Chamamos de energia eólica a energia elétrica gerada através da força do vento. Este processo se dá por meio de hélices que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. O vento realiza trabalho sobre as hélices do moinho, fazendo-as girar.
Atenção
As hélices podem girar tanto para produzir eletricidade como produzir energia mecânica, bem como movimentação de moinhos para moer grãos. Este tipo de energia é renovável e abundante na natureza, podendo ser produzida em qualquer região, sem gerar impacto ambiental.
Os moinhos ou aerogeradores estão dispostos em parques eólicos em conjunto de centenas. Utilizam-se parques eólicos de pequenas dimensões para gerar energia elétrica em regiões isoladas e geralmente de pouca população.
Comentário
É comum encontrar aerogeradores próximo a costas marítimas, uma vez que o vento costuma ser mais intenso e constante nessas regiões, todavia, nestes locais, o custo da manutenção desses equipamentos é elevado devido ao alto índice de corrosão promovido pelo ar marítimo.
Mais de 80 países utilizam aerogeradores para produzir energia elétrica. A Dinamarca, por exemplo, possui cerca de ¼ da sua matriz energética gerada por estes equipamentos. Ao longo do ano, a energia do vento é bastante consistente, porém sofre variações significativas em espaços curtos de tempo. À medida que em uma região o vento fica mais forte e propicia uma maior geração de energia, em outra diminui à mesma proporção, tornando-se necessário aumentar a capacidade de armazenamento da rede elétrica, buscando absorver o pico de produção provocado pelo aumento do vento. É necessário, ainda, possuir um plano de importação de energia de outras formas de geração de energia para quando há a insuficiência de ventos.
Vamos observar a figura abaixo para compreender quais são os componentes de um aerogerador.
Conheça cada um dos componentes demonstrados na figura:
1 – Fundação
Base que suporta a estrutura.
2 – Conector
A ligação do aerogerador com a rede elétrica. É a ligação elétrica que transfere a energia para a rede elétrica e torres de transmissão.
3 – Torre
Sustenta a hélice do aerogerador.
4 – Escada
Permite que o ser humano se desloque por dentro do aerogerador para realizar a manutenção.
5 – Controle do rotor do aerogerador
Ele controla se o aerogerador gira no sentido horário ou no sentido anti-horário.
6 – Nacelle
Suporte que abriga o gerador, o anemômetro, freio elétrico e a caixa de velocidade. É a proteção dada a esses equipamentos.
7 – Gerador
Em geral, um dínamo que gera a energia elétrica que será jogada para a rede elétrica.
8 – Anemômetro
Aparelho que mede a velocidade e a direção do vento.
9 – Freio
Pode ser eletromecânico ou mecânico e tem a serventia de parar o funcionamento do aerogerador ou regular a sua velocidade para manter a integridade física das demais peças.
10 – Caixa de velocidades
Trata-se de uma caixa de marchas, que funciona trocando as engrenagens de acordo com a velocidade do vento, assim como se troca a marcha de um carro de acordo com a sua velocidade.
11 – Lâmina
Hélice do aerogerador.
12 – Controle de orientação
Ativado por mecanismo eletrônico a distância, quando o vento muda de direção e é necessário inverter o sentido de rotação das hélices.
13 – Roda
Permite às hélices girarem através do uso de rolamentos.
Classificação dos aerogeradores: tipos de rotores
Em relação aos seus rotores, os aerogeradores são classificados de duas formas distintas:
Rotores de eixo vertical
Note que suas lâminas estão dispostas de maneira que o giro do rotor é dado na horizontal. Esses tipos de rotores são mais caros, pois não dependem da direção do vento para girar.
Todavia, apesar de mais caros, o desempenho quando comparado com o rotor disposto na horizontal, é inferior.
Dentre essa classe de rotores se destacam dois, o Savonius e o rotor Darrieus:
Exemplificação de um rotor Savonius.
O rotor Savonius é projetado para brisas leves. Ele roda utilizando a força de arrasto do movimento do ar e possui uma eficiência máxima de 20%.
Exemplificação de um roto Darrieus.
O rotor Darrieus é construído com duas ou três lâminas, como a de um helicóptero. Esse rotor funciona com o princípio da força de sustentação, o que permite uma eficiência maior do que a do rotor Savonius, chegando a 40% de rendimento. O rotor Darrieus foi projetado tanto para brisas fracas quanto para ventos fortes.
Mas o que é a força de sustentação?
A força de sustentação, também chamada de sustentação aerodinâmica, é a componente de força aerodinâmica perpendicular à velocidade do vento, ou seja, é uma força que faz 90° com a direção do vento. Essa força de sustentação surge devido a diferença de pressão entre o intradorso (face interna da lâmina) e o extradorso (face externa da lâmina). Tal força ainda é auxiliada pela Terceira Lei de Newton, devido à força de resistência das lâminas à força do vento.
A força de sustentação é função da densidade do ar e do coeficiente de sustentação, como mostra a equação (10):
| L | É a força de sustentação em newtons (N) |
| CL | É o coeficiente de sustentação em newtons segundo quadrado por quilograma metro . |
| Densidade do ar em quilograma por metro cúbico . | |
| S | É a área superficial da lâmina em metros quadrados (m²). |
| v | Velocidade do vento, em metros por segundo . |
Teoria na prática
Vamos considerar esse conceito determinando a velocidade angular de giro de um rotor Darrieus. Digamos que o aerogerador esteja localizado em uma colina onde se venta a 40km/h e a densidade do ar nesta região seja de 1,2041kg/m3, e a área da superfície interna de uma única lâmina do aerogerador seja igual a 12m².
Consideremos que o coeficiente de sustentação seja igual a 1,6 , e que o aerogerador possua 3 lâminas. Para poder determinar a velocidade angular, vamos observar a figura seguinte e a Segunda Lei de Newton.
Figura 7.
Podemos notar a existência de dois vetores, um em preto e outro em vermelho, sendo o preto a força de sustentação e o vermelho a força centrípeta, uma vez que o aerogerador trabalha girando. Como essas forças estão na mesma direção, mas em sentidos opostos, elas se subtraem, e como o único movimento existente é o de giro, podemos escrever o somatório dessas forças da seguinte maneira:
A força centrípeta é dada pela equação (12):
Em que m é a massa em quilogramas (kg), é a velocidade angular e é o raio da trajetória, e abordaremos um pouco mais a frente no exemplo.
Assim, utilizando as equações (10) e (12), podemos reescrever a equação (11) como a equação (13), assim:
Como estamos interessados em determinar a velocidade angular do aerogerador, temos que isolar , e assim chegamos à equação (14):
Digamos que a massa de uma lâmina é de 123kg, e que a distância do centro do rotor ao ponto de máximo da curvatura da lâmina, ou seja, o ponto onde os vetores foram desenhados, é de 8m, ou seja, o raio . Agora, já temos todos os dados para poder utilizar a equação (14), todavia ainda é necessário converter a velocidade do vento de km/h para m/s, assim:
Então, agora, substituindo todos os dados na equação (14), temos:
Esse resultado nos mostra que esse tipo de rotor trabalha à baixa velocidade, e que leva mais de um segundo para que uma volta seja completada, pois uma volta completa possui 2πrad que é aproximadamente 6,28 radianos, assim, para podermos encontrar o tempo em que o rotor completa uma volta, podemos realizar uma simples regra de três:
Dessa forma, a cada 5,23 segundos, o rotor completa uma volta, o que caracteriza uma frequência de 11,47 rotações por minuto (R.P.M.), uma vez que em 1 minuto existem 60 segundos, assim, se 1 volta leva 5,25s, em 60 segundos temos:
11,47voltas por minuto ou rotações por minuto (R.P.M.)
Falamos muito sobre a força de sustentação, e existe um termo nesta força que chama a atenção: o coeficiente de sustentação (CL). Esse coeficiente é a relação entre a pressão de sustentação e a aerodinâmica da lâmina, que é uma função da sua geometria e do ângulo de ataque do fluxo do ar sobre a lâmina.
Teoria na Prática – Turbina eólica de baixo rendimento
Rotores de eixo horizontal
Os rotores de eixo horizontal são os mais vistos e utilizados graças a sua maior eficiência. Eles lembram um cata-vento, e dentre essa classe de aerogeradores, dois se destacam, os rotores de multipás e os rotores de tripá:
Representação de um rotor multipá.
Os rotores multipá são mais utilizados para realização de trabalho mecânico, bombeando água de poços artesianos, como também podem ser utilizados para geração de energia elétrica. Tais rotores podem ser impulsionados tanto pela força de arrasto do fluxo de ar, quanto pela força de sustentação, além de possuírem um pico de eficiência de cerca de 30%.
Representação de um rotor Tripá.
Os rotores tripás são os mais comuns na utilização de geração de energia elétrica, sendo impulsionados unicamente pela força de sustentação. Apesar de o rotor com duas pás ser mais eficiente, o rotor tripá é mais utilizado por sofrer menos turbulência, o que diminui o risco de danos à estrutura do aerogerador.
Os rotores tripás não podem ser construídos com mais de 100m de altura e possuem uma eficiência de 45% na geração de energia elétrica.
Sistemas eólicos
Podemos afirmar que os sistemas eólicos são classificados em três: o sistema isolado, o sistema híbrido e o sistema de injeção na rede.
Vamos, agora, abordá-los:
Não possuem interação com a energia elétrica proveniente da rede pública, armazenando a energia gerada em baterias, o que evita que falte energia elétrica quando os aerogeradores pararem de funcionar, seja por falta de fluxo de ar, seja por necessidade de manutenção.
Esses sistemas produzem energia elétrica simultaneamente com outra fonte de energia, como, por exemplo, o parque de geração de energia da figura 8, que demonstra uma usina eólica — fotovoltaica. Esses sistemas também são isolados da rede elétrica e armazenam a energia gerada em baterias.
Figura 8: Representação de um parque de geração híbrida de energia.
São todos os sistemas que interagem com a rede elétrica pública. Nestes sistemas, a energia é injetada na rede pública para armazenamento e consumo populacional, e os geradores de energia devem ser necessariamente de alta tensão.
Eficiência de um aerogerador: A Lei de Betz
Apesar de alguns aerogeradores possuírem rendimentos maiores do que o rendimento de motores a combustão, por exemplo, a conversão da energia cinética do fluxo de ar em energia elétrica não ocorre integralmente, ou seja, existem perdas durante a conversão da energia. Assim, a eficiência de um aerogerador é determinada pela Lei de Betz.
A Lei de Betz afirma que a fração máxima de energia que pode ser aproveitada em uma turbina eólica é de 59,3%. Isso significa que mesmo que o aerogerador seja ideal, a energia máxima convertida em energia elétrica é de 59,3%. Matematicamente, a Lei de Betz é:
Albert Betz (1885-1968)
Físico alemão pioneiro na tecnologia de aerogeradores.
Em que:
| P | Potência útil da turbina em watts (W), em que um watt é igual à razão de um joule por 1 segundo |
| ρ | Densidade da massa do ar que entra na turbina em quilogramas por metro cúbico |
| A | Área varrida pela turbina em metros quadrados (m²) |
| v | Velocidade do vento que chega na turbina em metros por segundo |
Teoria na Prática
Note que a Lei de Betz trata da potência e não da energia gerada por um aerogerador. Isso porque ela aborda a energia gerada por um determinado espaço de tempo, nesse caso, a quantidade de energia gerada por segundo.
Voltemos a considerar o aerogerador de rotor vertical Darrieus, que está disposto em uma colina onde o fluxo de vento viaja a velocidade de 40km/h, cuja densidade do ar nesta região é de 1,2041kg/m3, e a área da superfície interna uma única lâmina do aerogerador é igual a 12m. Vamos, então, determinar a potência desse gerador que possui três lâminas para aparar o fluxo de ar:
Primeiro, é preciso converter a velocidade do vento de km/h para m/s, assim:
Agora, vamos substituir os dados na equação (15), da seguinte forma:
Observação: essa potência foi determinada para o caso de uma única pá (lâmina) no aerogerador. Para três aerogeradores, temos que multiplicar a potência por três:
Mão na Massa
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MÓDULO 3
Aplicar os
conceitos físicos envolvidos
na tecnologia da geração
de energia elétrica por conversão de energias:
geotérmica e
maremotriz
Introdução
Figura 9: Central geotérmica.
Atenção
A energia geotérmica, ou energia geotermal, é uma energia renovável proveniente do calor que emana do centro do planeta Terra. Para se aproveitar esse tipo de energia, são feitas perfurações muito profundas e largas no solo, em locais no planeta chamados de centrais geotérmicas (Figura 9).
As centrais geotérmicas se localizam em áreas em que a água surge com temperatura acima de 150°C, onde existem rochas quentes (secas e úmidas).
Você sabia
Apesar de esse tipo de energia ter começado a ser explorada no início do século XX para geração de energia elétrica, alguns povos antigos já a utilizavam para banhos relaxantes e cozer alimentos nas chamadas fontes termais.
Figura 10: Energia maremotriz.
A energia maremotriz gera energia elétrica pelo movimento das marés de duas maneiras:
Porém, para poder produzir energia elétrica através do movimento das marés, é necessário construir uma estrutura similar à de uma usina hidrelétrica, com barragens, dutos e turbinas ligadas a dínamos.
A figura 11 demonstra um esquema de turbinas submersas que convertem a energia cinética de correntes marítimas em energia elétrica. No entanto, para utilizar essa tecnologia, é necessário construir barragens no litoral, bem próximas ao mar, para poder armazenar, em maré alta, a água em diques, pois, daí, em época de maré baixa, essas águas são liberadas e conduzidas a passarem pelas turbinas, mantendo, assim, a produção da energia constante. Essa tecnologia é instalada nas profundezas do mar.
Energia cinética
Energia do movimento, dependente da massa m em kg e do quadrado da velocidade em m/s:
A desvantagem nesse tipo de tecnologia está no fato de que essa energia só é aproveitada quando o desnível entre a maré alta (crista da onda) e maré baixa (vale da onda) é superior a 7 metros.
Já a figura 12, demonstra uma esquematização de uma usina que utiliza o conceito da energia potencial das ondas.
Podemos observar que existem dois flutuadores que ficam subindo e descendo de acordo com a passagem das ondas. Ao subir e descer, esses flutuadores acionam bombas de água que fazem a água doce de um circuito fechado em terra circular e realizar trabalho sobre turbinas que geram energia elétrica. O Brasil possui esse tipo de gerador de energia elétrica, e ele se localiza no Ceará.
Usina geotérmica
Também chamada de central geotérmica, é o local utilizado para converter a energia proveniente do interior da terra na forma de calor em energia elétrica. Esse tipo de usina tem sido cada vez mais estudada devido à grande busca da humanidade por fontes de energia.
Esse tipo de usina funciona da seguinte maneira: a água contida em lençóis freáticos profundos entra em contato com as rochas aquecidas pelo calor que emana do núcleo terrestre, se aquece, e então é ejetada na superfície com temperaturas elevadas, tais como Gêiseres ou fontes termais. A partir de então, utilizam-se tubos para conduzir essas águas até a usina, onde são colocadas em uma câmara à alta pressão, o que permite que o vapor d’água se expanda e gire uma turbina a gás, seguindo o ciclo de Rankine, gerando, assim, energia elétrica.
A figura a seguir demonstra o esquema da construção e do funcionamento de uma usina geotérmica:
Gêiseres
Jatos de água quente que irrompem do solo, como altas colunas nevoentas e com vapor, de modo intermitente ou com pausas regulares: os gêiseres muitas vezes carregam emanações sulfúricas e resíduos minerais, como calcário ou silício.
Fonte: Dicio. Dicionário online de Português.
Ciclo de Rankine
Um ciclo termodinâmico que funciona convertendo calor em trabalho.
Figura 13: Esquema do funcionamento de uma usina geotérmica.
Podemos notar, na imagem, que o vapor d’água é conduzido por auxílio de dutos até uma turbina que gira e produz energia elétrica. Por sua vez, o vapor d’água é conduzido para um condensador e posteriormente bombeado para uma torre de refrigeração e, então, devolvido para o lençol freático.
Como essa usina utiliza o princípio do ciclo de Rankine para funcionar, sua eficiência é dada por:
A equação (16) nos mostra que a eficiência (rendimento) é dependente do calor Q retirado do vapor d’água, do trabalho que este vapor realiza sobre a turbina e também do trabalho que a bomba d’água realiza sobre a água arrefecida. A diferença entre o trabalho da turbina e o trabalho da bomba é necessária, pois a eficiência é determinada pelo trabalho líquido do sistema, uma vez que o trabalho realizado sobre a turbina retira energia do sistema e o trabalho da bomba d’água injeta energia no sistema. Estima-se que o rendimento real de uma usina geotérmica está em torno de 60%.
Teoria na prática
Vamos compreender o rendimento dessa usina através de um exemplo. Vamos supor que em uma usina geotérmica, a turbina sofra um trabalho de 500.000J por segundo, e que a bomba d’água injete uma energia de 2.000J por segundo. Então, supondo uma eficiência de 60%, vamos determinar a quantidade de energia fornecida pelo vapor d’água captado no lençol freático por segundo. Aplicando a equação (16), temos:
Tal resultado nos mostra que o vapor fornece à usina uma energia de 830.000J por segundo.
Mas o que ocorre com os 40% restantes da energia?
Bem, parte dessa energia é perdida na forma de calor para o meio ambiente no condensador, pois este retira energia do vapor para que ele possa se tornar líquido, outra parte faz a água se deslocar (ou seja, é a energia cinética da água), e mais uma parte é perdida na forma de calor na torre de refrigeração. O atrito das peças da usina também ocasiona perdas da energia, mas este não chega a corresponder nem a 2 % de toda a perda.
No geral, a usina geotérmica funciona de forma equivalente a uma usina termoelétrica, com a diferença de que não é necessário queimar um combustível fóssil para obter o vapor d’água.
A tabela 1, abaixo, apresenta a relação de vantagem x desvantagem da utilização da energia geotérmica.
| Vantagens | Desvantagens |
| Não oferece poluição ao meio ambiente por meio de queima de combustíveis ou geração de rejeitos. | Poluição dos depósitos de aquíferos. |
| Essas usinas, quando comparadas com as demais, são pequenas, requerendo pouca área para sua construção. | Deterioração da paisagem devido à poluição térmica. |
| Esse tipo de usina produz energia 24 horas por dia, sem variações. | Não permite ser transportado. |
| Como possui baixos custos para construção, devido ao seu tamanho reduzido, pode proporcionar baixo preço de eletricidade. | Elevado impacto ambiental. |
| Enquanto o planeta Terra girar, essa energia será inesgotável. | Projetos geotérmicos são caros. |
Usina geotérmica
Usina maremotriz
Como já discutido, a energia maremotriz utiliza a força das ondas para poder girar turbinas e produzir energia elétrica. Todavia, existem duas classes desse tipo de usina, a usina que retira energia da correnteza, com turbinas instaladas ao fundo do mar, e usinas que utilizam plataformas flutuantes para retirar energia da oscilação da maré. Apesar de as usinas serem divididas nessas duas classes, existem diversas formas de configurá-las:
Abaixo, veja a demonstração do esquema de uma usina maremotriz que utiliza a energia cinética da correnteza para gerar energia elétrica.
As turbinas que estão dispostas na imagem são submersas no meio do oceano, ligadas à rede elétrica da usina para armazenar a energia que criam.
Já nessas imagens, vemos uma barragem com uma turbina ora inerte, ora em funcionamento. Essa turbina é a auxiliar e entra em ação quando as turbinas submersas no oceano não estão sendo suficientes para gerar energia elétrica, devido à baixa diferença de altura entre a maré alta e maré baixa. Neste caso, a comporta da barragem é aberta e a água que escoa realiza trabalho sobre a turbina auxiliar, que ao girar, produz energia elétrica.
Apesar de ser uma energia limpa, esse tipo de tecnologia é muito cara, pois os materiais utilizados para a produção da usina devem ser especialmente projetados para resistir ao poder corrosivo da água salgada. Para isso, devem ser instalados anodos de sacrifício que precisam ser trocados periodicamente, no entanto, a manutenção preventiva e corretiva nesses materiais é de difícil acesso, requerendo mão de obra muito especializada, pois apesar de mecânicos, eletrônicos etc., os técnicos também devem ser mergulhadores.
Anodos de sacrifício
Qualquer metal utilizado em estruturas que se encontram em ambientes oxidantes, para serem oxidados no lugar dessas estruturas.
A figura abaixo demonstra como as turbinas ficam dispostas no fundo do mar, e como são ligadas à usina.
Figura 14. Representação de um parque de geração de energia maremotriz com turbinas submersas.
A figura 15 apresenta a planta da usina maremotriz localizada em Pecém, no Ceará. Esse tipo de usina funciona com dois flutuadores que ficam se movendo para cima e para baixo acompanhando o movimento das ondas.
Figura 15. Representação de uma usina maremotriz que utiliza a força da superfície das ondas.
Esses flutuadores acionam bombas d’água no interior da usina. A água que circula por essas bombas em um circuito fechado é doce, e o seu movimento realiza trabalho em turbinas que, ao girarem, produzem energia elétrica. Depois disso, a água retorna para as bombas completando um ciclo e retorna para a turbina. Antes de girar a turbina, a água passa por uma bomba hiperbárica para ganhar pressão e, por sua vez, energia cinética.
Através de observações e estudos, conclui-se que o rendimento de uma usina maremotriz é de 20%, o que é menor do que o rendimento de uma máquina térmica que funciona por queima de combustível fóssil, que é cerca de 30%. Para que a produção da energia seja rentável, a usina deve estar instalada onde a média da diferença entre a maré alta e a maré baixa seja de 7m.
Teoria na prática
Para entender melhor como funciona a usina maremotriz que utiliza dois flutuadores como mostrado na figura 15, vamos considerar que a diferença entre a crista e o vale da onda é de 7m, e que cada flutuador possua massa de 25 toneladas, e que a usina está situada em um local onde a gravidade local é de 9,8m/s². Considerando que 20% dessa energia é convertida em energia elétrica, vamos determinar a potência dessa usina.
Primeiro, observe o esquema representativo. Nele, vemos os flutuadores em uma onda. Enquanto um está na crista da onda, o outro se encontra no vale.
Vamos considerar essa situação para encontrar a energia potencial gravitacional do flutuado que se encontra em maior altitude:
Atenção
Note que a massa m foi convertida de toneladas (T) para quilogramas (kg), ao multiplicarmos o 25T por 1000 = 25 x 1000 = 25.000kg.
Como somente 20% dessa energia é aproveitada para produção de energia elétrica, temos que a energia útil é:
Agora, sabemos que uma onda ocorre a cada 5 segundos, ou seja, a energia de 343.000J é produzida a cada 5 segundos, assim, a potência pode ser determinada pela equação (18):
Esse resultado nos diz que nesta usina maremotriz, uma energia mecânica de 1.715.000J gera uma potência útil de 137.200W, ou seja, 137.200J por segundo.
Por que a potência foi multiplicada por 2? Porque são dois flutuadores, então ambos passam pela crista e pelo vale da onda, assim, nesses 5 segundos, ambos os flutuadores sobem e descem produzindo energia.
Mão na Massa
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Conclusão
Considerações Finais
Consideramos neste tema as formas existentes de se gerar energia elétrica através de fontes de energia renováveis, as quais estão ao nosso alcance, mas que nem sempre notamos, como o Sol e o vento.
Aprendemos que é possível explorar uma única fonte de energia de diversas formas, e que a alteração da abordagem nos remete a resultados distintos, o que qualifica as aplicações para fins distintos, como as aeroturbinas multipás, utilizadas para realizar trabalho mecânico, como bombear água de um poço artesiano, e as aeroturbinas tripás, que servem para gerar energia elétrica. Igualmente, é possível retirar energia do subsolo através da construção de usinas geotérmicas, as quais ocupam menos espaço e possuem alta eficiência, todavia, necessitam de locais específicos para poderem ser construídas.
Em suma, vimos neste tema que existem diversas fontes de energia renovável com grande potencial para substituição das energias produzidas por queima de combustível, garantindo, assim, o abastecimento energético social para o nosso futuro.
Podcast
CONQUISTAS
Você atingiu os seguintes objetivos:
Aplicou os conceitos físicos envolvidos na tecnologia da geração de energia elétrica por conversão de energia solar.
Aplicou os conceitos físicos envolvidos na tecnologia da geração de energia elétrica por conversão de energia eólica.
Aplicou os conceitos físicos envolvidos na tecnologia da geração de energia elétrica por conversão de energias: geotérmica e maremotriz.