WERIK DOS SANTOS BARRADO

Gerao de Energia eltrica

Trabalho para a Disciplina de Fsica.

Turma: Mecatrnica 2 ano. Professora: Valmria

BETIM

2015

Gerao de energia eltrica

Todo dispositivo cuja finalidade produzir energia eltrica custa de energia mecnica constitui uma mquina geradora de energia eltrica.O funcionamento dessas mquinas se baseia ou emfenmenos eletrostticos ou nainduo eletromagntica. Nas aplicaes industriais, a energia eltrica provm quase exclusivamente de geradores mecnicos cujo princpio o fenmeno da induo eletromagntica; os geradores mecnicos de corrente alternante so tambm denominadosalternadores; os geradores mecnicos de corrente contnua so tambm denominadosdnamos.

Numa mquina eltrica, seja gerador oumotor, distinguem-se essencialmente duas partes: o estator, conjunto de rgos ligados rigidamente carcaa, e orotor, sistema rgido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais fixos na carcaa. Sob ponto d vista funcional distinguem-se oindutor, que produz o campo magntico, e oinduzidoque engendra a corrente induzida. No dnamo o rotor o induzido e o estator o indutor; nos alternador d-se geralmente o contrrio.

A corrente induzida produz campo magntico que, em acordo com a Lei de Lenz, exerce foras contrrias rotao do rotor; por isso em dnamos e alternadores, o rotor precisa ser acionado mecanicamente. O mesmo conclumos do Princpio de Conservao da Energia: a energia eltrica extrada da mquina, acrescida de eventuais perdas, compensada por suprimento de energia mecnica.

Princpio de Funcionamento dos AlternadoresPara esclarecer o principio de funcionamento dos alternadores, descrevamos inicialmente o mais simples deles (usado em faroletes de acionamento manual e de bicicleta, e em ignio de motores de exploso para motonetas). Acompanhemos pela ilustrao:

Figura 1

Diante de uma bobina fixaB(induzido) pe-se a girar um mSN(indutor), como ilustrado acima. O m mantm um campo do qual o fluxo concatenado com a bobina varia periodicamente, com a mesma freqncia de revoluo do m. Se a rotao do m for lenta, um galvanmetro sensvelGindica aproximadamente a corrente instantnea no decurso do tempo; se a rotao for rpida, necessrio um osciloscpio.Na ilustrao abaixo representamos fases consecutivas do fenmeno.

Figura 2

Nessa seqncia de ilustraes acima apresentamos as fases mais representativas no funcionamento de um alternador. a variao de fluxo que induz corrente. O fluxo varia enquanto aumenta ou diminui. Quando o fluxo mximo, ele no varia; aFEMinduzida nula; a corrente nula e muda de sentido. O campo magntico produzido pela corrente induzida exerce no m foras contrarias sua rotao.

Figura 3

AFEMinduzida no senoidal, mas segue a grosso modo o grfico posto acima, onde ilustramos no mesmo par de eixos, o fluxo de induo e a corrente induzida em um alternador, em um perodo (T). Enquanto o fluxo de induo diminui, a corrente positiva; quando o fluxo aumenta, a corrente negativa, segundo a conveno apresentada. Fluxo mximo ou mnimo corresponde a corrente induzida nula. O fluxo de induo varia mais acentuadamente quando prximo de ZERO; ento a corrente tem intensidade mxima (com sinal + ou -).

Consideremos uma espira plana de forma qualquer, abrangendo uma reaA; sejaluma reta no plano desta espira. Introduzamos a espira em um campo de induoBuniforme, dispondo a retalperpendicularmente ao campoB. Faamos a espira girar em torno da retalcomo eixo, com velocidade angularw constante. Determinemos a fora eletromotriz induzida na espira girante.

Figura 4

Adotemos como origem dos tempos um dos instantes em que a normaln espira forma com o campo de induoBngulo igual a um reto, passando de agudo para obtuso.Com a notao da ilustrao acima, o fluxo de induo na espira em qualquer instante dado por:

f= B.A.cos(w.t +p/2) = - B.A.senw.t

Sendo E = - df/dt, vem: E =w.B.A.cosw.t

Se a espira for substituda por uma bobina de N espiras, a fora eletromotriz induzida :

E = N.w.B.A.cosw.t

Como vemos, esta fora eletromotriz induzida obedece a uma lei harmnica cuja amplitude :

Emx.=N.w.B.A

A mudana de sinal da fora eletromotriz significa fisicamente que ela muda de polaridade, impulsionando uma corrente eltrica ora em um sentido, ora em sentido oposto.

Uma fora eletromotriz que muda de polaridade periodicamente designada comofora eletromotriz alternante; no caso presente, trata-se de umafora eletromotriz alternante harmnica.

A fora eletromotriz que impele a corrente em nossas instalaes eltricas domiciliares do tipo alternante harmnica; em So Paulo, a fora eletromotriz eficaz igual a 117 volts. Um exemplo numrico vir bem a calhar.

Os aparelhos eletrodomsticos construdos para funcionarem sob tenso alternante rms de 117 V, 60 Hz, devem ser submetidos a uma tenso que obedece, aproximadamente, a lei supra.

Para intensificar o fenmeno, as espiras do rotor so dispostas sobre um ncleo de ferro, cujo efeito consiste emelevar o fluxo de induo concatenado com o quadro.

Os terminais do quadro so soldados a anis coletores ; estes anis so metlicos, presos rigidamente ao eixo mas eletricamente isolados do mesmo; em cada anel apia-se uma escova, corpo slido e condutor (geralmente de grafite), comprimido elasticamente contra o anel, de modo a garantir bom contato eltrico do mesmo; as escovas esto presas a um suporte isolante; a elas liga-se a parte externa do circuito.

Figura 5

Aqui na Figura 5 temos as bases de um alternadores de pequeno porte. O estator constitudo por um m permanente e opera como indutor. O sistema conhecido como magneto', e foi usado para campainha de telefone, ou para ignio em pequenos motores de exploso . O estator poderia ser um eletrom (figura 5, direita: anel de Gramme) abastecido com corrente contnua de uma fonte adequada.

Na Figura 6, temos a foto de um alternador elementar/didtico onde o rotor um m permanente (cuja rotao gera a variao de fluxo) e o estator uma bobina dotada de ncleo de ferro em U. A rotao do m permanente conseguida mediante um barbante que deve ser enrolado no eixo (entre as pernas do U de cobre, mancal do eixo) e a seguir puxado. A pequena lmpada de lanterna de 1,5 V vista nessa foto poder ser substituda por vrios LEDs.

Figura 6

Nos alternador de grande porte, o estator induzido (onde se recolhe a corrente alternante) e o rotor indutor (geralmente so eletroms alimentados por corrente contnua, por meio de anis coletores).

Sistema AC - Gerador/Motor

Figura 7

Princpio de funcionamento dos dnamosNos geradores tipo alternadores (como os ilustrados anteriormente), um artifcio simples permite retificar a corrente, ou seja, fazer com que fluam sempre num mesmo sentido. Substituamos o par de anis coletores por umcomutador(veja ilustrao abaixo); um anel coletor dividido em dois segmentos simtricos e nos quais se apiam escovas em posies diametralmente opostas. As escovas so pequenos blocos de grafite e estacionrios, comprimidos elasticamente contra o comutador; este solidrio com o rotor e pode ser concebido como tubo de cobre secionado longitudinalmente.Nos instantes em que o fluxo de induo no rotor mximo ou mnimo a corrente induzida nula; nos mesmos instantes invertem-se as conexes das escovas com os segmentos do comutador, pois so permutados os segmentos em contato com as escovas; portanto so invariveis a polaridade das escovas e o sentido da corrente no circuito externo (abaixo, em -b-, a corrente retificada). Tal corrente externa, cuja intensidade varia periodicamente mas cujo sentido se conserva, denominadacorrente pulsante. Vista pelo 'dnamo' a corrente sempre alternante; vista pelo 'circuito exterior' a corrente sempre pulsante.

Figura 8

Dispondo sobre o mesmo ncleo diversos quadros iguais, distribudos simetricamente em torno do eixo e associados todos em srie, e dotando o comutador de outros tantos pares de segmentos, obtm-se no circuito externo uma corrente pulsante praticamente contnua.

Com uma mesma mquina poderemos dispor tanto de corrente contnua pulsante (dnamo) como corrente alternante (alternador); basta adaptar os devidos anis coletores, como se ilustra:

Figura 9

Usina Solar

O uso do Sol para produo de energia est cada vez mais presente nas discusses ambientais que tratam da utilizao de fontes renovveis e no-poluentes como matrizes energticas. Porm, o alto custo de fabricao e instalao ainda impede que a energia solar seja amplamente usada no planeta. Mesmo assim, nos ltimos anos ela vem apresentando um crescimento significativo - na ltima dcada, sua produo aumentou em 40%. Isso vem acontecendo graas a programas de incentivo em pases como Alemanha, Japo e Espanha para ampliar a gerao de eletricidade com fontes renovveis, visando reduzir a emisso de gases causadores do efeito estufa. No Brasil, tambm j foram formulados e implementados importantes projetos de difuso dessa tecnologia durante a ltima dcada, ao mesmo tempo em que se consolidaram grupos de pesquisa e desenvolvimento tecnolgico.

Figura 10: Usina solar PS10-Espanha.

A gerao de energia a partir da luz solar est diretamente ligada ao que se chama de "efeito fotovoltaico", observado pela primeira vez em 1893 pelo fsico francs Alexandre-Edmond Becquerel. Esse efeito consiste essencialmente na converso de energia luminosa incidente sobre materiais semicondutores, convenientemente tratados, em eletricidade. com base nele que se produzem os painis solares, formados por clulas fotovoltaicas, que so dispositivos semicondutores com essa propriedade de captar a luz do Sol e transform-la em energia, gerando uma corrente eltrica capaz de circular em um circuito externo. No incio, esse sistema era utilizado somente na gerao de energia para satlites", conta Roberto Zilles. Mas as tecnologias de produo evoluram a tal ponto que tornou vivel seu uso em aplicaes terrestres, para fornecimento de energia eltrica em residncias isoladas da rede convencional de distribuio. Esses sistemas isolados eram inicialmente autnomos, ou seja, no estavam ligados s redes de fornecimento de energia eltrica. Por isso, eles necessitam quase sempre de um meio para armazenar a energia gerada, como um acumulador eletroqumico, para suprir a demanda quando a gerao solar for baixa ou noite, quando no h incidncia de luz solar. Mais recentemente, no entanto, eles vm sendo utilizados de forma interligada, de modo que a energia gerada pelos painis solares so entregues diretamente rede eltrica, no necessitando mais desses acumuladores.

Figura 11: Usina Solar-Portugal

Hoje em dia, nas residncias comuns, a energia solar utilizada principalmente para o aquecimento da gua. Alm de no poluir o meio ambiente, a fonte pode poupar um bom dinheiro na conta de eletricidade, representando uma economia de at 80%.

Figura 12: Vista area de uma Usina Solar

Vale lembrar que energia solar no polui durante seu uso. A poluio decorrente da fabricao dos equipamentos necessrios para a construo dos painis solares totalmente controlvel utilizando as formas de controle existentes atualmente. As centrais necessitam de manuteno mnimae os painis solares so a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma soluo economicamente vivel. A energia solar excelente em lugares remotos ou de difcil acesso, pois sua instalao em pequena escala no obriga a enormes investimentos em linhas de transmisso. Em pases tropicais, como o Brasil, a utilizao da energia solar vivel em praticamente todo o territrio, e, em locais longe dos centros de produo energtica sua utilizao ajuda a diminuir a procura energtica nestes e tendo como conseqncia a perda de energia que ocorreria na transmisso.

No entanto, existe variao nas quantidades produzidas de acordo com a situao climtica (chuvas, neve, etc), alm de que durante a noite no existe produo alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painis solares no estejam ligados rede de transmisso de energia. Em locais em latitudes mdias e altas (Ex: Finlndia, Islndia, Nova Zelndia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produo durante os meses de Inverno devido menor disponibilidade diria de energia solar. Locais com frequente cobertura de nuvens (Londres), tendem a ter variaes dirias de produo de acordo com o grau de nebulosidade. As formas de armazenamento da energia solar so pouco eficientes quando comparadas por exemplo aos combustveis fsseis (carvo, petrleo e gs), e a energia hidroelctrica (gua), e os painis solares tm um rendimento de apenas 25%.

Bibliografia

http://revistaescola.abril.com.br/ciencias/fundamentos/como-funciona-energia-solar-481584.shtml - Acesso em 18-01-2014

http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_t02.asp - Acesso em 18-01-2014

http://www.brasilescola.com/fisica/a-lei-lenz.htm - Acesso em 18-01-2014

http://www.portal-energia.com/vantagens-e-desvantagens-da-energia-solar/ - Acesso em 18-01-2014

Imagens:

http://pt.wikipedia.org/ - Acesso em 18-01-2014

http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_t02.asp - Acesso em 18-01-2014