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VANDERSON RABELO DE PAULA
VIABILIDADE OPERACIONAL DO USO DA ENERGIA ELTRICA COMO FONTE DE POTNCIA EM TRATORES AGRCOLAS
LAVRAS - MG
2014
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VANDERSON RABELO DE PAULA
VIABILIDADE OPERACIONAL DO USO DA ENERGIA ELTRICA
COMO FONTE DE POTNCIA EM TRATORES AGRCOLAS
Tese apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Agrcola, rea de concentrao em Engenharia Agrcola, para a obteno do ttulo de Doutor.
Orientador
Dr. Jackson Antnio Barbosa
LAVRAS - MG
2014
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Ficha Catalogrfica Elaborada pela Coordenadoria de Produtos e Servios da Biblioteca Universitria da UFLA
Paula, Vanderson Rabelo de. Viabilidade operacional do uso da energia eltrica como fonte de potncia em tratores agrcolas / Vanderson Rabelo de Paula. Lavras : UFLA, 2014.
101 p. : il. Tese (doutorado) Universidade Federal de Lavras, 2014. Orientador: Jackson Antnio Barbosa. Bibliografia. 1. Mecanizao agrcola. 2. Eficincia energtica. 3. Energia
alternativa. 4. Sustentabilidade. 5. Biossistemas. I. Universidade Federal de Lavras. II. Ttulo.
CDD 333.7932
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VANDERSON RABELO DE PAULA
VIABILIDADE OPERACIONAL DO USO DA ENERGIA ELTRICA
COMO FONTE DE POTNCIA EM TRATORES AGRCOLAS
Tese apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Agrcola, rea de concentrao em Engenharia Agrcola, para a obteno do ttulo de Doutor.
APROVADA em 26 de setembro de 2014. Dr. Alessandro Vieira Veloso UFLA Dr. Carlos Eduardo Silva Volpato UFLA Dr. Flvio Castro da Silva UFF Dr. Giovanni Francisco Rabelo UFLA
Dr. Jackson Antnio Barbosa Orientador
LAVRAS - MG
2014
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Aos meus pais Odair Rabelo de Paula (Em Memria) e Dulcinia da Costa de
Paula.
DEDICO
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AGRADECIMENTOS
A Deus, por dispor do caminho necessrio ao nosso progresso.
Universidade Federal de Lavras, ao Departamento de Engenharia e
aos Professores do Curso de Ps-Graduao em Engenharia Agrcola, pelos
valiosos ensinamentos e acolhida para realizar o curso.
Ao Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Sul de Minas
Gerais Campus Machado.
Ao Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de So Paulo, pela
contribuio mpar na realizao deste trabalho.
Green Horse Mquinas agrcolas.
A CAPES, pela concesso da bolsa de doutorado.
Ao Prof. Dr. Jackson Antnio Barbosa pela confiana em mim
depositada na realizao dos trabalhos.
Ao Prof. Dr. Carlos Eduardo Silva Volpato pelo incentivo.
Ao Prof. Dr. Flvio Castro da Silva pelo incentivo e apoio na realizao
do trabalho.
Ao grande amigo Joo Guilherme Pedrilho pela grande contribuio.
Aos amigos e companheiros de trabalho Murilo Machado de Barros,
Joo Paulo Barreto Cunha, Marcos B. Z. Palma e Alessandro Vieira Veloso.
minha famlia que, mesmo distante, esteve sempre presente, dando-me
fora espiritual, confiana, compreenso e pacincia.
Adriana Bresser Dores pelo companheirismo, pacincia e incentivo.
A todos que, de diferentes formas, contriburam para este trabalho, meu
singelo agradecimento.
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RESUMO
Os problemas de ordem econmica e ambiental, causados por mais de um sculo da intensa utilizao de combustveis derivados do petrleo, tm levado busca constante de fontes alternativas de energia, tanto no meio urbano, quanto no meio agrcola. Nesse contexto, este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de avaliar a viabilidade operacional do uso da eletricidade como fonte de energia para tratores agrcolas. Para isso, foi feita a comparao das curvas de desempenho entre um motor de combusto interna utilizado em trator agrcola e um motor eltrico. O desempenho do motor eltrico foi considerado na proposta para a configurao terica do trator eltrico. Esta proposta foi avaliada em relao autonomia em diferentes demandas de potncia e, tambm, comparada a um trator agrcola convencional em relao ao custo energtico operacional e eficincia energtica. Tambm, foi construdo um modelo de trator eltrico agrcola, em escala reduzida, que foi submetido ao ensaio de trao para determinao do seu custo energtico operacional e autonomia. O motor eltrico teve os melhores resultados para torque, potncia, eficincia energtica e custo energtico operacional. A autonomia da configurao terica ficou acima de oito horas dirias para mdias e baixas potncias, trabalhando nas menores rotaes. O desempenho em barra de trao do modelo em escala reduzida foi compatvel com tratores convencionais alm de valores de autonomia superiores a oito horas dirias para at 59% de demanda de potncia. O custo energtico operacional do modelo em escala foi at 89% menor comparado ao custo de tratores convencionais. Com base nos resultados, concluiu-se que o uso da eletricidade, como fonte de energia em tratores agrcolas, vivel no tocante ao custo e eficincia energtica e possui potencial para intensificao das pesquisas nesse campo.
Palavras-chave: Mecanizao agrcola. Eficincia energtica. Energia alternativa. Sustentabilidade. Biossistemas.
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ABSTRACT
The economic and environmental issues of more than a century of intense use of fuel derivative of oil have been forcing a constant quest for alternative sources of energy, either in urban or in agricultural areas. This work was performed aiming to assess the operational viability of use of electricity as source of power for agricultural tractors. Was carried out the comparison of performance curves between an internal combustion engine used on agricultural tractors and an electrical engine. The performance of the electrical engine was considered in the proposal for theoretical configuration of the electrical tractor. This proposal was assessed in relation to autonomy in different power demands, and was also compared with a conventional agricultural tractor, in relation to operating energy cost and energy efficiency. A model of electric agricultural tractor was also built in reduced scale, which was tested for traction in order to determine its operating energy cost and autonomy. The electrical engine showed best results for torque, power, energy efficiency, and operating energy cost. The autonomy of theoretical configuration was greater than eight hours a day, for mean and low power, by working at lower rotations. The performance of traction bar of small-scale model was compatible to conventional tractors plus values of autonomy greater than eight hours a day for up to 59% of power demand. The operating energy cost of the scale model was up to 89% less than the cost of conventional tractors. Based on these results, we conclude that the use of electricity as source of power on agricultural tractors is viable in terms of cost and energy efficiency, and is a potential for intensification of researches in this working field.
Key-words: Agricultural mechanization. Energy efficiency. Alternative energy. Sustainability. Biosystems.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Nmero de animais de trao e tratores nos EUA de 1910 a 1960 .. 18
Figura 2 Evoluo da Populao Rural e Urbana no Brasil de 1950 a 2010 .. 19
Figura 3 Variao da temperatura do planeta e da concentrao de CO2 de
1880 a 2010 ...................................................................................... 24
Figura 4 Propagandas de veculos eltricos do incio do sculo XX .............. 26
Figura 5 Veculos eltricos produzidos pela GURGEL S.A.; (a) Itaipu; (b)
Itaipu E-400 ...................................................................................... 29
Figura 6 Cotao do Barril de Petrleo entre 1970 e 2011 (preo em
dlares) ............................................................................................. 30
Figura 7 Esquemas de patente de trator eltrico ............................................. 31
Figura 8 Esquema de propulso de veculo eltrico; (a) veculo do incio
do sculo XX; (b) veculo do incio do sculo XXI ......................... 33
Figura 9 Representao esquemtica de uma bateria de Ltio-on.................. 36
Figura 10 a) Ensaio dinamomtrico realizado no motor de combusto
interna. a) Dinammetro acoplado TDP do trator; b) Display
digital do dinammetro. ................................................................... 42
Figura 11 Medidor Volumtrico de Combustvel. ............................................ 43
Figura 12 Variao da eficincia do conjunto motor-transmisso do veculo
Nissan Leaf em funo da variao da velocidade ........................... 52
Figura 13 Diagrama da configurao terica de trator eltrico ........................ 53
Figura 14 Faixas de Potncia Especfica Mssica (Wkg-1) e de Energia
Especfica Mssica (Wh kg-1) ........................................................... 56
Figura 15 Bateria de ltio adotada na simulao do desempenho da
configurao terica do trator eltrico .............................................. 57
Figura 16 Diagrama do modelo reduzido de trator eltrico .............................. 60
Figura 17 Modelo em escala reduzida .............................................................. 61
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Figura 18 Carro dinamomtrico acoplado ao modelo em escalapor meio do
dinammetro digital ......................................................................... 62
Figura 19 Detalhe do contador de impacto instalado no veculo de trao ....... 63
Figura 20 Painel de controle e monitoramento da potncia eltrica do
modelo em escala ............................................................................. 65
Figura 21 Curvas de torque traadas com base em resultados obtidos nos
ensaios dinamomtricos do trator equipado com MCI e do
conjunto ME-IF ................................................................................ 70
Figura 22 Curvas de potncia traadas com base em resultados obtidos nos
ensaios dinamomtricos do trator equipado com MCI e do
conjunto ME-IF ................................................................................ 72
Figura 23 Curvas de eficincia energtica traadas com base em resultados
obtidos nos ensaios dinamomtricos do trator equipado com MCI
e do conjunto ME-IF ........................................................................ 74
Figura 24 Curvas de custo energtico traadas com base em resultados
obtidos nos ensaios dinamomtricos do trator equipado com MCI
e do conjunto ME-IF ........................................................................ 76
Figura 25 Distribuio de peso nos eixos da configurao terica de trator
eltrico .............................................................................................. 78
Figura 26 Curvas de potncia traadas com base em resultados obtidos nos
ensaios dinamomtricos do conjunto ME-IF .................................... 80
Figura 27 Curvas de autonomia traadas com base em modelo de descarga
de baterias baseado na Lei de Peukert .............................................. 82
Figura 28 Potncia na barra de trao em funo da variao na fora de
trao ................................................................................................ 85
Figura 29 Potncia na barra de trao em funo da patinagem ....................... 86
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Figura 30 Variao da autonomia do modelo de trator eltrico em escala
reduzida em funo da porcentagem da potncia na barra de
trao ................................................................................................ 88
Figura 31 Variao do custo energtico em funo da variao da potncia
na barra de trao ............................................................................. 90
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Massa dos componentes do trator convencional substituda pela
massa de baterias na configurao terica de trator eltrico ............ 54
Tabela 2 Valores de torque (N m) obtidos nos ensaios dinamomtricos do
trator equipado com MCI e do conjunto ME-IF ............................... 69
Tabela 3 Valores de potncia (kW) obtidos nos ensaios dinamomtricos
do trator equipado com MCI e do conjunto ME-IF .......................... 71
Tabela 4 Valores de eficincia energtica (%) obtidos nos ensaios
dinamomtricos do trator equipado com MCI e do conjunto ME-
IF ...................................................................................................... 73
Tabela 5 Valores de custo energtico (R$ kW-1) obtidos nos ensaios
dinamomtricos do trator equipado com MCI e do conjunto ME-
IF ...................................................................................................... 75
Tabela 6 Nmero de baterias e potncia eltrica total possvel de ser
instalada na configurao terica de trator eltrico .......................... 77
Tabela 7 Comparativo de caractersticas ponderais do trator eltrico
terico com o trator convencional .................................................... 78
Tabela 8 Valores de potncia mecnica, potncia eltrica absorvida e
eficincia energtica obtidos nos ensaios dinamomtricos com 4
diferentes nveis de potncia do conjunto ME-IF ............................. 79
Tabela 9 Tempos de autonomia (h) estimados pela lei de Peukert para
quatro diferentes nveis de potncia do conjunto ME-IF ................. 81
Tabela 10 Comparativo de caractersticas da configurao terica de trator
eltrico com o modelo de trator eltrico em escala reduzida ........... 84
Tabela 11 Valores mdios obtidos nos ensaios em barra de trao para o
modelo em escala reduzida ............................................................... 85
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Tabela 12 Valores de potncia na barra de trao, potncia eltrica e
autonomia do modelo de trator eltrico em escala reduzida ............ 87
Tabela 13 Custo energtico da potncia na barra de trao do modelo em
escala reduzida para diferentes demandas de potncia ..................... 89
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SUMRIO
1 INTRODUO ................................................................................... 15 1.1 Objetivo Geral ..................................................................................... 16 1.2 Objetivos Especficos ........................................................................... 16 2 REFERENCIAL TERICO .............................................................. 17 2.1 A importncia do trator agrcola ....................................................... 17 2.2 Impactos econmicos e ambientais da utilizao de combustveis
fsseis na mecanizao agrcola .......................................................... 20 2.3 A busca por alternativas utilizao do petrleo e o
desenvolvimento de veculos eltricos ................................................ 24 2.4 Princpios de funcionamento de veculos eltricos ............................ 32 2.5 Baterias para os veculos eltricos ...................................................... 34 2.5.1 Funcionamento das baterias ............................................................... 35 2.5.2 Caractersticas de fabricao das baterias ........................................ 37 2.5.3 Classificao das baterias quanto ao tipo de uso .............................. 39 3 MATERIAL E MTODOS ................................................................ 41 3.1 Ensaio dinamomtrico do trator agrcola.......................................... 41 3.1.1 Determinao dos nveis de rotao para ensaio .............................. 43 3.1.2 Determinao da potncia efetiva He .............................................. 44 3.1.3 Determinao da potncia reduzida Hr .......................................... 45 3.1.4 Determinao do consumo especfico de combustvel ...................... 45 3.1.5 Determinao da eficincia energtica do motor - (%) ................. 46 3.1.6 Determinao do torque ................................................................ 47 3.1.7 Determinao da Reserva de Torque ................................................. 47 3.1.8 Determinao do custo energtico do motor de combusto interna
CEmci ...................................................................................................... 48 3.2 Ensaio dinamomtrico do motor eltrico .......................................... 48 3.2.1 Determinao dos nveis de rotao do motor eltrico ..................... 49 3.2.2 Determinao do torque e potncia do motor eltrico ..................... 49 3.2.3 Determinao da eficincia energtica do conjunto motor eltrico
e inversor de frequncia ( ) .......................................................... 50 3.2.4 Determinao do custo energtico do conjunto ME- IF ................... 50 3.3 Proposta de configurao terica de trator eltrico ......................... 51 3.3.1 Estimativa da massa da caixa de cmbio do trator .......................... 55 3.3.2 Determinao do modelo e nmero de baterias da configurao
terica de trator eltrico ...................................................................... 55 3.3.3 Simulao das caractersticas dimensionais e ponderais da
configurao tericade trator eltrico ............................................... 58
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3.3.4 Estimativa da autonomia da configurao terica de trator eltrico .................................................................................................. 58
3.4 Construo de um modelo de trator agrcola eltrico em escala reduzida ................................................................................................ 60
3.5 Desempenho em barra de trao do modelo de trator eltrico em escala reduzida ..................................................................................... 61
3.5.1 Determinao da velocidade de deslocamento .................................. 62 3.5.2 Determinao do ndice de patinagem ............................................... 62 3.5.3 Determinao da potncia na barra de trao .................................. 64 3.5.4 Determinao do rendimento na barra de trao ............................ 64 3.5.5 Determinao da potncia eltrica absorvida ................................... 65 3.5.6 Determinao da autonomia do modelo em escala reduzida ........... 66 3.5.7 Determinao do custo energtico do modelo em escala reduzida .. 66 4 RESULTADOS E DISCUSSO ......................................................... 68 4.1 Resultados das curvas de desempenho dos dois motores ................. 68 4.1.1 Torque .................................................................................................. 68 4.1.2 Potncia ................................................................................................ 70 4.1.3 Eficincia energtica ............................................................................ 72 4.1.4 Custo Energtico Operacional ............................................................ 74 4.2 Resultados para a configurao terica de trator eltrico ............... 76 4.2.1 Nmero de Baterias e Potncia Eltrica Instalada no Trator ......... 76 4.2.2 Caractersticas ponderais da configurao terica de trator
eltrico .................................................................................................. 77 4.2.3 Autonomia da configurao terica de trator eltrico ..................... 78 4.3 Resultados do modelo em escala reduzida......................................... 83 4.3.1 Relao peso/potncia do modelo em escala reduzida ...................... 83 4.3.2 Ensaios em barra de trao no modelo em escala reduzida ............ 84 4.3.3 Autonomia do modelo em escala reduzida ........................................ 86 4.3.4 Custo energtico para potncia na barra de trao do modelo em
escala reduzida ..................................................................................... 88 5 CONCLUSES .................................................................................... 91 REFERNCIAS .................................................................................. 92
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1 INTRODUO
Atualmente, as preocupaes com as questes ambientais so cada vez
mais frequentes, sobretudo em relao ao aumento do aquecimento global e as
mudanas climticas ocasionadas por tal fenmeno.
Nesse contexto, h uma preocupao crescente em reduzir o uso de
combustveis fsseis e, consequentemente, a emisso dos gases de efeito estufa.
Para reduzir a dependncia dessa fonte de energia primria, os pesquisadores
vm buscando a adoo de fontes alternativas tanto no Brasil quanto no mundo.
No que concerne atividade produtiva no meio rural, verifica-se que o
trator uma ferramenta imprescindvel para que se consiga uma produo a
custos competitivos no mercado interno e de exportao. Nesse tipo de mquina,
o leo diesel, ainda, o combustvel mais utilizado como fonte de energia e a
sua contribuio, nas emisses de gases de efeito estufa, no pode ser ignorada.
Observa-se que os tratores so mquinas multiuso na atividade agrcola
e, para garantir a versatilidade da sua utilizao, dimensionado,
primordialmente, para as operaes de maior demanda de potncia. Dessa
forma, quando o trator utilizado em operaes que no requerem grandes
potncias, ele acaba sendo subutilizado, reduzindo sobremaneira sua eficincia
trmica.
Assim, a avaliao de alternativas ao uso de combustveis fsseis, como
os veculos eltricos e veculos hbridos, ganha destaque. O desenvolvimento de
baterias de maior densidade energtica e sistemas mais eficientes de controle de
potncia tm contribudo para a popularizao dessas tecnologias que j fazem
parte da realidade no transporte coletivo e, tambm, em veculos de menor porte.
Em relao aos tratores, um fator limitante nos veculos eltricos, como o alto
peso das baterias, pode se tornar um aspecto positivo considerando que o trator
depende de massa para melhorar sua eficincia de trao. Outro problema desse
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tipo de tecnologia, que o arraste aerodinmico, no seria sequer considerado
num trator agrcola em funo de sua baixa velocidade de operao.
1.1 Objetivo Geral
No presente trabalho apresenta-se uma proposta de avaliao da
viabilidade operacional do uso da energia eltrica como fonte de potncia em
tratores agrcolas visando maior eficincia energtica, com reduo nos custos
e maior sustentabilidade das operaes agrcolas por meio da utilizao de
fontes de energia mais limpas.
1.2 Objetivos Especficos
a) A realizao de ensaios dinamomtricos em um motor do ciclo
diesel de um trator agrcola convencional e de um motor eltrico
determinando suas curvas de desempenho e comparando a eficincia
e o custo energtico operacional de cada motor;
b) Proposta de uma configurao terica de trator movido eletricidade
e a determinao de sua autonomia e custo operacional em diferentes
demandas de potncia;
c) Construo de um modelo fsico de um veculo de trao eltrico,
em escala reduzida, e determinao do seu custo energtico
operacional e autonomia em diferentes demandas de potncia.
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2 REFERENCIAL TERICO
2.1 A importncia do trator agrcola
O trator agrcola , sem dvida, uma das mais revolucionrias inovaes
tecnolgicas na histria da agricultura moderna. O trator agrcola gerou um
aumento imenso na capacidade das propriedades agrcolas, contribuindo para o
aumento da produtividade remodelando, assim, o panorama agrcola a partir do
sculo XX(OLMSTEAD; RHODE, 2001).
As primeiras mquinas e implementos agrcolas comearam a ser
produzidos na Europa, em meados do sculo XVIII, logo aps a Revoluo
Industrial, que causou um grande xodo rural e aumentou a demanda por
produtos primrios. Nos Estados Unidos da Amrica, a guerra civil envolveu um
grande contingente de pessoas, gerando a necessidade de uma maior
produtividade do trabalho no campo que foi obtida por meio da construo dos
primeiros prottipos de tratores e arados (VIAN; ANDRADE JNIOR, 2010).
De acordo com Baricelo e Baccha (2013), em 1917, a Ford comeou a
produzir o trator da marca Fordson, em linha de montagem, reduzindo,
significativamente, os seus custos de produo e, dessa forma, tornando o trator
agrcola mais acessvel. No Brasil, a Produo de mquinas agrcolas comeou
timidamente na dcada de 1920, quando o governo federal permitiu a instalao
da Ford em territrio nacional para a produo dos tratores Fordson que at
ento chegavam ao pas importados dos Estados Unidos da Amrica
(CASTILHOS et al., 2008).
Segundo Olmstead e Rhode (2001), nos Estados Unidos da Amrica, no
incio do sculo XX, um cavalo utilizado para trabalhos em uma fazenda,
demandava 1,2 hectares da propriedade agrcola necessrios apenas para sua
alimentao. De 1880 a 1920, a alimentao dos animais de trao consumia
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22% das reas agrcolas e os animais utilizados nas cidades e minas consumiam
mais 5%. Em 1915, a rea agrcola necessria para a alimentao de cavalos e
mulas atingiu seu pico com 37,6 milhes de hectares e, em 1960, graas
adoo dos tratores agrcolas, esse nmero estava reduzido para 2 milhes de
hectares. Na figura 1, que exibe o nmero de tratores e de animais de trao nos
Estados Unidos da Amrica, no perodo de 1910 a 1960, possvel observar
claramente a substituio de animais de trao por tratores.
Figura 1 Nmero de animais de trao e tratores nos EUA de 1910 a 1960
Fonte: Olmstead e Rhode (2001)
No Brasil, o Censo Agropecurio do Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatstica - IBGE (2006) apontou que apenas 15,6% da populao brasileira
residiam no meio rural. Segundo Seabra (2012), a populao brasileira que at
meados do sculo XIX era majoritariamente rural concentra-se, cada vez mais
nas cidades, constituindo um grau de urbanizao de 88% e essa reduo
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crescente da populao, envolvida nas atividades agrcolas, requer agilidade e
produtividade para o abastecimento de produtos agrcolas da populao de modo
geral.
De acordo com Mrquez (1990), o trator agrcola representou uma
grande evoluo para a agricultura, reduzindo o esforo fsico necessrio para a
execuo de determinadas tarefas, potencializando o trabalho no meio rural e
levando a um aumento considervel na produtividade, permitindo a explorao
de reas maiores de cultivo. Alm disso, como as atividades agrcolas dependem
das variveis climticas, realizar as operaes no prazo estipulado pode ser
crucial e o trator agrcola em muito contribuiu para que isso acontecesse.
Figura 2 Evoluo da Populao Rural e Urbana no Brasil de 1950 a 2010
Fonte: IBGE (2006)
Para Brodell e Kendall (1950), o impacto do trator no se limitou apenas
ao meio agrcola. A nova mquina, tambm, revitalizou e transformou a
indstria de equipamentos agrcolas que influenciou diretamente o
desenvolvimento de outros setores da indstria moderna. Segundo Baricelo e
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Bacha (2013), no Brasil, a partir da metade da dcada de 1920, iniciou-se um
processo de industrializao com a substituio das importaes e, assim, as
mquinas agrcolas passaram a ser produzidas no pas. Esse processo se
intensificou no perodo de 1960 a 1980 quando a produo interna de mquinas
teve um grande salto.
Para Academia Nacional de Engenharia dos Estados Unidos da Amrica,
(NAE), a mecanizao agrcola a 7 maior inveno do sculo XX, frente do
computador, telefone e naves espaciais. Neste processo, o trator agrcola um
dos mais importantes insumos agrcolas, constituindo-se na principal fonte de
potncia da agricultura moderna (RUSSINI, 2009).
Segundo Steckel e White (2012), a eficincia dos tratores agrcolas nas
operaes mecanizadas tem reduzido drasticamente os insumos necessrios na
produo de alimentos. Os mesmos autores, tomando como base o ano de 1954,
compararam o que foi produzido no referido ano com o que seria
hipoteticamente produzido com a tecnologia utilizada em 1910 e concluram que
a adoo da mecanizao foi responsvel por um aumento superior a 8% no
Produto Interno Bruto.
2.2 Impactos econmicos e ambientais da utilizao de combustveis fsseis
na mecanizao agrcola
Segundo Oliveira (2001), a intensificao do uso da mecanizao na
agricultura vem exigindo novos investimentos em mquinas com maior potncia
e tecnologia incorporada para atender s diversas demandas das atividades
agrcolas. Do ponto de vista da empresa, medida que o nmero, o tamanho e a
complexidade das mquinas aumentam mais vital se torna o impacto do
gerenciamento desse sistema sobre a rentabilidade do agronegcio.
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Vrias pesquisas tm estabelecido que o custo energtico,
especificamente o combustvel e mquinas, representam alta porcentagem do
custo energtico total de produo na agricultura empresarial (FLUCK, 1981;
FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED
NATIONS - FAO, 1990). De acordo com Siemens e Bowers (1999), os custos
com combustveis e lubrificantes representam, no mnimo, 16%, chegando a
atingir 45% dos custos totais das mquinas agrcolas, dependendo do tipo de
combustvel e do nmero de horas trabalhadas. Para Ibaez e Rojas (1994), o
custo da maquinaria agrcola, fundamentalmente o combustvel, varia entre 35 a
45% do custo total de produo. Avaliando o custo energtico na produo de
Maracuj, Furlaneto et al. (2013) observaram que o consumo de leo diesel
representou 26% de toda a energia consumida no ciclo produtivo.
De acordo com Serrano (2007), os tratores so, normalmente,
selecionados para suprir as necessidades de implementos com alta demanda de
potncia como arados de discos e subsoladores, o que conduz frequentemente ao
superdimensionamento do trator, em relao aos implementos que demandam
menor potncia. Nos ensaios de desempenho de tratores, como os realizados por
Masiero et al. (2009), observou-se que conforme a fora de trao requerida
diminuiu, levando o trator a uma condio de superdimensionamento, houve um
aumento significativo do consumo especfico de combustvel. Essa mesma
tendncia de aumento no consumo especfico de combustvel observada,
tambm, na reduo da demanda de potncia nos ensaios dinamomtricos de
tomada de potncia (TDP) como os realizados por Grisso, Kocher e Vaughan
(2004) e Volpato et al.(2009).
Segundo Silveira e Sierra (2010), na realizao de estimativas
comparativas da eficincia energtica, utiliza-se o consumo especfico mdio em
litros por quilowatt-hora (L kWh-1), com base nos pontos mais frequentes de
utilizao do motor do trator. Dessa forma, podemos observar que, em tratores
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superdimensionados, a eficincia energtica, que j baixa nos motores de
combusto interna (MCI) que os equipam, torna-se, ainda, menor.
Segundo Mousazadeh et al. (2010), alm da questo energtica, os
tratores agrcolas apresentam grande parcela de contribuio na poluio do ar.
De acordo com a Agncia de Proteo do Meio Ambiente dos Estados Unidos
(UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY- USEPA,
2012), os veculos no rodovirios, como os tratores agrcolas, so responsveis
por 15 a 20% da poluio atmosfrica nas cidades dos Estados Unidos. A
contaminao do ar considerada uma das maiores ameaas sade pblica em
todo o mundo (TOSI, 2012). A Organizao Mundial da Sade (OMS) estima
que a poluio atmosfrica seja responsvel por 20% a 30% das doenas
respiratrias, 4 a 8% das mortes prematuras e pela morte de 1,9 milho de
pessoas por ano em pases subdesenvolvidos (PEREIRA, 2005).
Alm dos gases poluentes, os motores de combusto interna, tambm,
emitem materiais particulados (MPs) que so expelidos em partculas de
tamanho variado, altamente prejudiciais que podem se acumular no sistema
respiratrio provocando reduo da funo pulmonar, diversas doenas
respiratrias e at morte (JANSSEN; SCHETTLER, 2013).
Contudo, de acordo com Goldenstein e Azevedo (2006), a indstria
automotiva tem modernizado continuamente a tecnologia dos motores, buscando
uma queima mais eficiente dos combustveis e uma reduo da emisso de
gases, visando atender s crescentes exigncias ambientais. Inovaes
tecnolgicas, como os sistemas de injeo eletrnica de combustvel nos
motores a gasolina, em substituio aos carburadores, possibilitam dosar a
mistura ar-combustvel, ponto a ponto, em todos os regimes de trabalho do
motor, reduzindo o consumo e maximizando a potncia do motor. J o filtro
catalisador consegue transformar a maior parte dos gases txicos produzidos
pelo motor em gases inertes.
-
23
Alm do emprego do sistema catalisador, os motores do ciclo diesel,
tambm, utilizam a soluo aquosa, contendo 32,5% do agente redutor lquido
automotivo - Arla 32, conhecida como ureia, agente redutor para os veculos
pesados. Trata-se de composto no txico, no explosivo, que pode ser
transportado sem problemas e que, principalmente, no nocivo ao meio
ambiente (MARTINS; PIERRE, 2013). Seu funcionamento consiste na
introduo da soluo de ureia a um compartimento cermico adequado, onde os
xidos de nitrognio sero transformados, por meio de reao qumica, em gua
em estado de vapor e nitrognio, que um componente natural da atmosfera. A
tecnologia do uso da ureia lquida j vinha sendo utilizada com sucesso em
incineradores e em motores a diesel de locomotivas e barcos. O uso desse
sistema proporciona uma reduo entre 75% e 90% nas emisses de xido de
nitrognio e outros materiais como os hidrocarbonetos (DEUTSCHES
INSTITUT FR NORMUNG- DIN, 2005).
Mas, atualmente, a grande questo que se coloca no diz respeito aos
gases txicos e, sim, a um gs historicamente considerado como inofensivo ao
meio ambiente: o dixido de carbono (CO2), que representa 18,1% das emisses
veiculares. A liberao desse gs inerente ao processo de combusto, e o CO2
lanado atmosfera um dos principais gases de efeito estufa que tem causado a
elevao da temperatura do planeta como se pode ver na figura 3.
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24
Figura 3 Variao da temperatura do planeta e da concentrao de CO2 de 1880 a 2010
Fonte: National Oceanic and Atmospheric Administration - NOAA (2013)
2.3 A busca por alternativas utilizao do petrleo e o desenvolvimento de
veculos eltricos
De acordo com Hoyer (2007), a histria dos veculos eltricos (VEs)
comea em meados do sculo XIX e est intimamente relacionada histria de
desenvolvimento das baterias. Em 1859, o belga Gaston Plant realizou a
demonstrao da primeira bateria de chumbo e cido. Esse equipamento veio a
ser utilizado por diversos veculos eltricos desenvolvidos a partir do incio da
dcada de 1880 na Frana, EUA e Reino Unido.
No incio do sculo XX, os automveis eltricos, nas cidades
americanas, eram mais comuns do que os a gasolina. No ano de 1900, foram
produzidos 1575 automveis eltricos contra apenas 936 carros a gasolina
(GOLDEMBERG; LEBENSZTAJN; PELLINI, 2012). Ainda, segundo Peres
(2012), em 1899, foi criado pelo engenheiro belga Camill e Jenatzy, um veculo
eltrico de nome Jamais Contente, que alcanou, para a poca, a incrvel
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25
velocidade de 100 km h-1. Nesse mesmo ano, a revista Scientific American
afirmou que: a eletricidade ideal para veculos, pois ela elimina os
dispositivos complicados associados aos motores movidos a gasolina, vapor e ar
comprimido, evitando o rudo, vibrao e calor associados.
Thomas Edson, interessado no potencial dos veculos eltricos,
desenvolveu em 1901 a bateria de nquel-ferro que possua uma capacidade de
armazenamento 40% superior bateria chumbo-cido. Nessa mesma poca,
tambm, foram desenvolvidos os sistemas de frenagem regenerativa que o
equipamento capaz de transformar a energia cintica do veculo em energia
eltrica para recarga das baterias e, tambm, o sistema hbrido a gasolina e
eletricidade (BARAN; LEGEY, 2010).
Um fator importante para o surgimento dos VEs foi a implementao
dos bondes eltricos que substituram as carroas e os bondes com cavalos.
Outro fator foi o surgimento do sistema ferrovirio eltrico utilizado na Europa
(CARUSO, 2007). Na figura 4 mostram-se propagandas de veculos eltricos
fabricados e comercializados no incio do sculo XX.
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26
Figura 4 Propagandas de veculos eltricos do incio do sculo XX
Fonte: Adaptado de Goldemberg, Lebensztajne Pellini (2012)
No entanto, de acordo com Struben e Sterman (2012), em 1903 havia
cerca de quatro mil automveis registrados na cidade de Nova York, sendo 53%
a vapor, 27% a gasolina e 20% eltricos. Em 1912, quando a frota de carros
eltricos naquela cidade atingiu o pice de 30 mil unidades, a quantidade de
automveis a gasolina j era trinta vezes maior. A partir de ento, de acordo com
Baran e Legey (2010), a trajetria dos carros eltricos seguiu em forte queda.
Entre os principais fatores apontados para o declnio dos carros eltricos a partir
de ento, podem-se citar:
a) O sistema de produo em srie de automveis, desenvolvido por
Henry Ford, permitiu que o preo final dos carros a gasolina ficasse
entre US$ 500 e US$ 1.000, o que correspondia metade do preo
pago pelos eltricos.
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27
b) Em 1912 foi inventada a partida eltrica, que eliminou a manivela
utilizada para acionar o motor dos veculos a gasolina, facilitando o
seu uso.
c) Nos anos 1920, as rodovias dos EUA j interligavam diversas
cidades, o que demandava veculos capazes de percorrer longas
distncias.
d) As descobertas de petrleo no Texas reduziram o preo da gasolina.
De acordo com Caruso (2007), nessa poca tornou-se evidente que o
carro eltrico tinha um desempenho inferior e, ainda, no havia motivaes
como as atuais de carter ambiental, econmico e social para o gasto de tempo e
dinheiro no intuito de desenvolver uma tecnologia inferior. Dessa forma, entre
os anos de 1926 e 1960, sem interesse dessa tecnologia, nada se fez para o
ressurgimento e pesquisa dos veculos eltricos.
Depois desse perodo de total esquecimento, pode-se dizer que a histria
moderna dos veculos eltricos teve incio em 1960, em Phoenix, nos EUA, onde
ocorreu o primeiro simpsio internacional dedicado, exclusivamente, a este
assunto. Nesta poca, j eram sensveis os efeitos da poluio do ar, causada por
veculos com motores de combusto interna, nos grandes centros urbanos
(PERES, 2012).
Alm disso, segundo Goldenstain e Azevedo (2006), os pases do oriente
mdio, principais produtores e exportadores de petrleo, passavam por um
perodo de grande turbulncia poltica por perceberam que a posse fsica de
petrleo e gs lhes dava o domnio das negociaes com as empresas
estrangeiras. Com a criao da OPEP (Organizao dos Pases Exportadores de
Petrleo) em 1961, exigiram maior participao nas decises sobre os preos do
barril e passaram a usar o petrleo como arma de presso poltica contra Israel e
seus aliados ocidentais.
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28
Em 1973, eclodiu a Guerra do Yom Kippur, que elevou as tenses no
Oriente Mdio. Naquele contexto, a Opep decretou um aumento unilateral de
300% nos preos do petrleo, o que provocou uma crise econmica mundial e
interrompeu o longo perodo de grande crescimento econmico que se mantinha
desde o fim da guerra. Os pases industrializados encerraram o ano de 1974 com
um dficit de cerca de US$ 11 bilhes e os subdesenvolvidos, de quase US$ 40
bilhes. A produo industrial sofreu uma reduo de 10% em um ano nas
economias desenvolvidas, e o comrcio mundial, de 13%(MADDISON, 1982).
De acordo com Caruso (2007), as crises que se sucederam na dcada de
70, ao dispararem os preos do barril do petrleo, somaram argumentos
questo da poluio atmosfrica em favor da opo veicular eltrica com o
objetivo de diminuir o consumo deste combustvel.
Segundo Goldenstein e Azevedo (2006), nessa poca, a indstria
automotiva viveu momentos de forte inovao. Prottipos de carros futuristas,
movidos energia eltrica, energia solar ou outras fontes mais promissoras,
como o hidrognio, passaram a ser pesquisados, discutindo-se a viabilidade de
sua comercializao como alternativa aos veculos movidos a gasolina, ento,
com preos ascendentes. Nos EUA, comeava-se a utilizar o lcool feito de
milho para mistura com a gasolina. A partir da dcada de 1980, os carros
japoneses, mais econmicos, conquistaram mercado tanto nos EUA como na
Europa, levando dificuldades s montadoras tradicionais, que procuraram
diminuir seus custos fechando unidades improdutivas e reduzindo os seus
quadros.
No Brasil, foi lanado um VE fabricado pela extinta indstria nacional
GURGEL S.A.(Figura 2). Furnas Centrais Eltricas S.A., em 1984, era uma das
empresas que, de forma pioneira, contou com dois modelos eltricos deste
fabricante e pde test-los em servios gerais, nas reas de Campinas e Tijuco
Preto. Contudo, medidas de racionalizao e substituio do petrleo, em vrios
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29
cantos do mundo, como a do PROALCOOL, iniciado em 1975, foram eficazes
sucedendo-se o declnio dos preos do petrleo, antes que os carros eltricos, em
qualquer parte, pudessem firmar a sua utilizao junto ao pblico (PERES,
2012).
Figura 5 Veculos eltricos produzidos pela GURGEL S.A.; (a) Itaipu; (b) Itaipu E-400
Nos anos 1980, de acordo com Costa e Prates (2005), a indstria do
petrleo promoveu seguidas inovaes tecnolgicas que permitiram a ampliao
das reservas, a melhoria dos processos de extrao, a viabilizao de poos antes
inexplorados, a abertura de poos de petrleo em guas profundase o aumento
da eficincia dos processos em geral. Tais inovaes ampliaram a oferta de
petrleo, e a diversificao da matriz energtica mundial levou reduo do
consumo. Com isso, aps o pico de 1980-1981, o preo do barril de petrleo
mostrou clara tendncia queda.
Segundo Goldenstein e Azevedo (2006), da dcada de 1970 at o final
do sculo XX, o preo do petrleo foi fortemente influenciado por tenses
geopolticas nas principais reas exportadoras lquidas. No entanto, as causas do
aumento do preo da commodity eram circunstanciais, recuando quando as
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tenses se dissipavam. Desta forma, os veculos futuristas, movidos a outras
energias, no se mostraram viveis economicamente e no foram produzidos
comercialmente. Atualmente, porm, diversos fatores como o explosivo
crescimento econmico asitico; as novas estimativas das reservas mundiais; o
terrorismo que gera um estado permanente de tenso entre o mundo ocidental e
os pases rabes e a manuteno do alto consumo nos pases ocidentais exercem
presso sobre o preo do barril, que levam a crer na manuteno do preo do
petrleo em altos patamares (figura 6).
Figura 6 Cotao do Barril de Petrleo entre 1970 e 2011 (preo em dlares)
Fonte: International Energy Agency (2014)
Com base nos problemas econmicos e ambientais, causados pela
dependncia massiva de combustveis fsseis, que a indstria de veculos
automotores vem investindo no desenvolvimento de veculos que se utilizem de
fontes alternativas de energia como veculos eltricos e veculos hbridos
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31
(CARVALHO, 2008; NATIONAL RESEARCH COUNCIL - NRC, 2005). De
acordo com Mousazadeh et al. (2010), o governo de Barack Obama, nos Estados
Unidos, estabeleceu uma meta de um milho de veculos eltricos circulando nas
suas rodovias at 2015.
Uma srie de patentes de tratores eltricos, como as requeridas por
Christianson et al. (1987), Downing Junior (1978), Edmond (2006), Gingerich
(1998) e Orssolini (1995), mostram que a preocupao em utilizar fontes
renovveis de energia no se limita apenas aos veculos rodovirios se
estendendo a outros tipos de veculos como tratores agrcolas (Figura 6).
Figura 7 Esquemas de patente de trator eltrico
Fonte: Christianson et al. (1987) e Gingerich (1998)
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32
2.4 Princpios de funcionamento de veculos eltricos
Segundo Goldenstein e Azevedo (2006), os veculos eltricos so
fabricados desde o incio do sculo XX e, pela maior eficincia energtica,
sempre foram considerados uma alternativa para o setor de transporte. Entre as
principais vantagens de um veculo eltrico, destacam-se a emisso zero de
poluente, o baixo nvel de rudo e os reduzidos custos de operao e de
manuteno, que associada, basicamente, s baterias (BOTTURA; BARRETO,
1989).
Segundo Goldemberg (2002), o motor de combusto interna, com base
nos veculos norte-americanos, tem uma eficincia de 35%. Por outro lado, os
motores eltricos, normalmente, tm eficincia superior a 80% (FEDRIZZI,
2007).
De acordo com Costa (2009), a propulso eltrica propicia, em ltima
anlise, a trao mecnica s rodas, transferindo energia das baterias, conforme a
exigncia, sob o controle do motorista. Do ponto de vista funcional, um sistema
de propulso eltrica pode ser dividido em duas partes: eltrica e mecnica. A
parte eltrica inclui o motor, conversor de potncia e controlador eletrnico. A
parte mecnica consiste nos dispositivos de transmisso e acoplamento s rodas,
incluindo, naturalmente, o chassi e carroceria.
Os dispositivos do cmbio de marchas, dependendo da arquitetura, so
opcionais. A fronteira entre a parte eltrica e a mecnica o espao do motor,
onde ocorre a converso da energia eletromecnica. Para a propulso eltrica, o
sistema eletrnico de potncia desempenha um papel importante e , por vezes,
descrito como o corao dos Veculos Eltricos. Na figura 7 mostram-se os
esquemas de um veculo eltrico do incio do sculo XX e de um veculo eltrico
atual e nela pode-se observar que os princpios de propulso eltrica so,
basicamente, os mesmos para os dois veculos.
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33
Figura 8 Esquema de propulso de veculo eltrico; (a) veculo do incio do sculo XX; (b) veculo do incio do sculo XXI
Segundo Bottura e Barreto(1989), os motores para veculos eltricos
podem ser de corrente contnua (CC) ou corrente alternada (CA). Dentre os
vrios tipos de motores para Veculos Eltricos, o de induo , essencialmente,
um motor de velocidade constante, quando conectado a uma fonte com tenso e
frequncia constantes, porque a velocidade de operao est relacionada com a
velocidade sncrona. Se o torque de carga aumenta, a queda de velocidade
muito pequena. Isto, entretanto, conveniente para o uso em sistemas com
velocidades constantes. Muitas aplicaes industriais, por sua vez, requerem
velocidades variveis ou um ajuste contnuo em uma faixa especfica de
velocidades (IVANOV-SMOLENSKY, 1982; KOSTENKO; PIOTROVSKY,
1977).
Segundo Caruso (2007), os motores CC tm sido utilizados em sistemas
com variao de velocidade. O motor CC no exige nenhum mecanismo de
transmisso mecnica para variao da velocidade, embora seja caro e necessite
(a) (b)
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34
de manuteno frequente de seus comutadores e escovas, alm de ser proibitivo
em atmosferas perigosas, em razo do surgimento de fagulhas no contato das
escovas e comutadores. Uma opo ao motor CC convencional o motor CC
brushless que, diferentemente dos motores de corrente contnua convencionais,
no apresenta um comutador eletromecnico e nem escovas. Quando
comparados com os motores CC com escovas, os motores CC brushless tm
maior eficincia, menor rudo e menor relao entre suas dimenses e a potncia
que podem desenvolver (EMADI, 2005).
Por outro lado, motores eltricos de Corrente Alternada (CA) so
baratos, robustos, no tm comutadores e so convenientes para aplicaes de
alta velocidade. No entanto, alimentados com tenso e frequncia constantes,
exigem a adoo de transmisso mecnica para a variao da velocidade. Com a
evoluo do controle eletrnico de potncia, o motor de induo trifsico tem
sido aplicado onde se necessita velocidade varivel. observado que esse motor
satisfaz a uma larga faixa de velocidade, especialmente para as aplicaes que
tm cargas constantes (CARUSO, 2007).
De acordo com Costa (2009), a tendncia atual mostra que veculos de
pequeno porte, no rodovirios, utilizam motores com comutadores e baterias
chumbo-cidas, visto que as velocidades de funcionamento so baixas,
permitindo um projeto satisfatrio, inclusive, quanto autonomia. Para veculos
de maior porte, a tendncia recente empregar motores sem comutadores, como
os motores de induo com baterias avanadas.
2.5 Baterias para os veculos eltricos
Um dos componentes mais importantes para qualquer tipo de VE, a
primeira bateria surgiu em 1800, por meio do fsico italiano Alessandro Volta. A
partir desse momento, abriu-se um universo de novas oportunidades para a
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35
produo e acumulao de energia. Desde a pilha de volta, existiram grandes
evolues, mas ainda existe um longo caminho at que esta rea da tecnologia
seja dominada, existindo, assim, uma enorme margem de evoluo. , at o
momento, o nico dispositivo que pode armazenar energia eltrica suficiente, de
uma forma eficiente e eficaz, proporcionando uma razovel autonomia
(AFONSO; BUSNARDO; BUSNARDO, 2004).
Segundo Bansal (2005), as baterias so, tambm, condicionantes do
comportamento de um VE. Normalmente, quanto maior a tenso do sistema de
armazenamento de energia, melhores so as caractersticas dinmicas da trao,
o que conduz necessidade de aumentar o nmero de clulas em srie. Em
contrapartida, mais clulas implicam mais peso, assim, ser necessrio mais
torque e, consequentemente, maior potncia. Deste modo, o tipo de baterias, o
seu dimensionamento e o sistema de monitoramento de carga e descarga das
baterias vo depender das caractersticas desejadas para o VE e vice-versa. Posto
isto, fundamental que se entenda o funcionamento bsico das baterias, suas
principais caractersticas eltricas e as diferentes tecnologias disponveis.
2.5.1 Funcionamento das baterias
Basicamente, uma bateria um dispositivo que produz energia eltrica
com base em reaes qumicas de oxidao e reduo de metais e xidos
metlicos. , portanto, um dispositivo capaz de armazenar e gerar energia
eltrica mediante reaes eletroqumicas de oxidao (perda de eltrons) e de
reduo (ganho de eltrons) (ROSOLEM et al., 2012). Fisicamente, a unidade
bsica de uma bateria uma clula, tambm, denominada elemento. A
associao de dois ou mais elementos, em srie e/ou em paralelo, constitui uma
bateria. Cada clula eletroqumica formada por dois eletrodos (placas positiva
e negativa) separados fisicamente por material isolante eltrico, porm, condutor
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36
inico (separador), e mergulhados ou envolvidos por um eletrlito (meio
condutor aquoso ou gelatinoso) (NAZRI; PISTOIA, 2009).
Como se observa na Figura 8, o catodo tem um potencial mais alto
quando comparado com o anodo. Quando os eletrodos so interligados por um
circuito eltrico, surge uma corrente eltrica do anodo para o catodo que d
origem migrao de ons do anodo para o catodo, reduzindo a diferena de
potencial existente entre os dois eletrodos, at que se estabelea o equilbrio
eletroqumico (cargas eltricas se anulem). Quando este equilbrio ocorre, a
diferena de potencial entre o anodo e o catodo nula interrompendo o fluxo de
corrente eltrica. Na prtica o equilbrio qumico no atingido. Quando uma
bateria chega a 85% do valor mximo de diferena de tenso entre o anodo e o
catodo, diz-se que a bateria est totalmente descarregada, ou seja, que perdeu a
capacidade de produzir energia eltrica (SCOTT; SE-HEE, 2011).
Figura 9 Representao esquemtica de uma bateria de Ltio-on
Fonte: Rosolem et al. (2012).
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37
Existem baterias, em que a reao qumica pode ser invertida e a energia
eltrica pode ser armazenada em forma qumica, a que se d o nome de
carregamento da bateria. Dessa forma, possvel dividir as baterias em dois
tipos: primrias e secundrias. As primrias so aquelas que so descartadas,
quando descarregadas, pois nesse tipo de bateria as reaes qumicas so
irreversveis. Nas secundrias, as reaes qumicas so reversveis,
possibilitando sua recarga (BRENNIMAN, 1994; FISHBEIN, 2013).
Uma fonte de energia externa deve ser repetidamente empregada para
recarregar a bateria. Inicialmente, as baterias recarregveis so mais caras que as
primrias e requerem a compra de um carregador. Entretanto, cada bateria
recarregvel substitui centenas de baterias primrias, levando a um custo final
menor (FISHBEIN, 2013).
Brenniman (1994) afirmou que a distino tcnica entre pilhas e baterias
o fato de a pilha representar a unidade mais simples, ou seja, unidade mnima.
Sendo constituda de um anodo (polo negativo) e um catodo (polo positivo),
mergulhados no eletrlito, que facilita a reao qumica entre os dois eletrodos.
Por outro lado, a bateria um conjunto de pilhas interligadas convenientemente,
composta por catodos e anodos mltiplos. Vrias pilhas ligadas em srie, ou
seja, o conjunto de clulas forma uma bateria (ASSOCIAO BRASILEIRA
DE NORMAS TCNICAS - ABNT, 1986).
2.5.2 Caractersticas de fabricao das baterias
A seguir so descritas algumas caractersticas de fabricao das baterias
de acordo com Bansal (2005) e Rosolem et al. (2012).
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38
Tenso
Representa o potencial ou a fora eletromotriz de uma clula
eletroqumica e a diferena entre os potenciais de oxidao e reduo dos
materiais ativos dos catodos e anodos. A unidade de medida volt (V).
Corrente
Representa o movimento ordenado de partculas eletricamente
carregadas (eltrons), ou corrente eltrica, que uma clula eletroqumica pode
aplicar sobre um circuito externo, definida como a quantidade de carga que
atravessa o condutor por unidade de tempo. Est relacionada com a velocidade
das reaes de oxidao e reduo dos materiais ativos dos catodos e anodos,
influenciada pelo separador e eletrlito, em regime permanente (contnuo) ou de
pico (curta durao). A unidade de medida o Coulomb por segundo, chamado
de ampre (A).
Capacidade especfica da bateria
a quantidade total de corrente por unidade de tempo que uma clula ou
bateria capaz de fornecer at atingir sua tenso final de descarga. C = I x t. Sua
unidade de medida ampre-hora (Ah). Esta uma especificao muito
importante na escolha de uma bateria, pois diretamente proporcional energia
armazenada na mesma.
Energia especfica
a quantidade total de energia em watt-hora (Wh), que a bateria pode
armazenar por unidade de massa sendo chamada Energia especfica Mssica,
expressa em watt-hora por quilograma (Wh kg-1) ou por unidade de volume,
chamada Energia especfica volumtrica expressa em watt-hora por litro(Wh l-1).
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39
Potncia especfica
a quantidade total de potncia em watts (W), que a bateria pode
armazenar por unidade de massa (Kg) ou por unidade de volume (l) para uma
determinada taxa de descarga. Reflete a capacidade de a bateria fornecer altas
taxas de corrente, em regime permanente (contnuo) ou de pico (curta durao).
P = E x I. A unidade de medida o watt (W). Para comparar diferentes
tecnologias de baterias, utiliza-se o valor de potncia normalizado em massa,
expressa watts por quilograma (Wkg-1) ou volume, expressa em watts por litro
(Wl-1)
Ciclo de vida
a contagem do nmero total de vezes que a bateria pode ser carregada
(e descarregada) durante a sua vida til. Quando a bateria no consegue ser
carregada acima de 80% do seu estado de carga nominal, considera-se que a sua
vida til chegou ao fim. recomendado que se atinja no mnimo 1000 ciclos de
carga e descarga para a utilizao da bateria em veculos eltricos.
2.5.3 Classificao das baterias quanto ao tipo de uso
De acordo com Palmer (2008), as baterias so classificadas em:
a) Baterias de Arranque So usadas para dar partida em motores de
combusto interna e para fornecer energia ao sistema eltrico do
carro quando este no est rodando. Estas baterias so
dimensionadas para fornecer potncia sem liberar muita energia,
pois seu uso prolongado, para abastecer o sistema eltrico do carro,
requer baixa intensidade de corrente. J, na partida, geralmente,
necessria uma corrente de 100 a 400 A.
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40
b) Baterias tracionrias Estas baterias so as que funcionam em
regimes mais severos, necessitando de potncia, energia e longa vida
cclica, principalmente, quando operam em regimes de descarga
profunda. Estas baterias so utilizadas em empilhadeiras eltricas,
equipamentos de movimentao em aeroportos, trens e metrs e
veculos eltricos em geral.
c) Baterias estacionrias Estas baterias so, especialmente, projetadas
como fontes de reserva de energia e potncia para serem empregadas
em centrais telefnicas, centros de computao, centrais eltricas,
hospitais, etc. nos casos de falhas das fontes principais de energia.
Segundo Costa (2009), em funo de sua forma de funcionamento,
somente as baterias tracionrias podem ser utilizadas como fonte de energia para
veculos eltricos. O mesmo autor afirma que o desenvolvimento da tecnologia
das baterias tem sido acelerado e um conjunto de critrios deve ser considerado
como energia especfica, potncia especfica, eficincia de energia, taxa de
carga, ciclo de vida, ambiente operacional, custo, segurana e reciclagem.
De acordo com Larminie e Lowry (2003), at o presente momento, a
mais utilizada tecnologia de baterias para Veculos eltricos tem sido a de
chumbo-cido. No entanto, quando se busca um alto desempenho e o custo no
o critrio principal, as baterias de ons de ltio esto entre as mais cogitadas.
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41
3 MATERIAL E MTODOS
3.1 Ensaio dinamomtrico do trator agrcola
Para realizao deste trabalho, foram realizados dois ensaios
dinamomtricos, sendo um ensaio num trator agrcola e outro em um motor
eltrico. O ensaio com o trator agrcola foi realizado no Centro Tecnolgico de
Mquinas e Mecanizao Agrcola, pertencente ao Departamento de Engenharia
Agrcola da Universidade Federal de Lavras, localizado no municpio de Lavras-
MG.
Foram obtidas as curvas de desempenho do motor de combusto interna
(MCI) de ciclo diesel, quatro tempos, com trs cilindros dispostos em linha,
sistema de injeo com bomba rotativa, aspirao natural e potncia nominal de
14,9 kW a 2300 rpm. O MCI citado estava montado em um trator 4x2 com
trao dianteira auxiliar (TDA), com relao peso potncia de 87,3 kgf kW-1 e as
suas curvas de desempenho foram obtidas por meio de um ensaio
dinamomtrico na tomada de potncia (TDP).
O dinammetro utilizado, na obteno dos valores de torque (N m),
rotao (rpm) e potncia (kW) por meio da TDP foi o modelo NEB 200, marca
AW Dynamometer, no qual h a transformao da energia mecnica em calor
por meio da utilizao de um freio hidrulico, sendo o calor gerado nesse freio
dissipado pela passagem de gua de arrefecimento. Esse dinammetro permite
que se faa a leitura do torque, rotao e potncia diretamente em seu display e,
tambm, permite a conexo com um sistema de aquisio de dados (Figura 9).
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42
Figura 10 a) Ensaio dinamomtrico realizado no motor de combusto interna. a) Dinammetro acoplado TDP do trator; b) Display digital do dinammetro.
O consumo horrio de combustvel do motor do trator foi medido por
meio de um medidor volumtrico, descrito por Gamero, Benez e Furlani Jnior
(1986), que trata de uma proveta graduada, com vlvulas solenoides que
controlam o fluxo de entrada e sada do combustvel, permitindo sua medida por
diferena de nvel em funo do tempo (Figura 11).
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43
Figura 11 Medidor Volumtrico de Combustvel.
Para realizao dos ensaios, foi adotada a norma NBR 1585da ABNT
(1996), na qual se aplica a avaliao do desempenho de motores de combusto
interna; observando em particular, a apresentao das curvas de potncia, torque
e de consumo especfico de combustvel a plena carga em funo da rotao.
3.1.1 Determinao dos nveis de rotao para ensaio
Para determinao dos nveis de rotao, acionou-se o sistema de
transmisso da TDP com o dinammetro acoplado sem carga e, em seguida,
colocou-se o trator em mxima acelerao observando no mostrador digital do
dinammetro a rotao mxima. Os nveis de rotao (rpm) variaram, em funo
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44
da variao da carga aplicada ao trator pelo dinammetro e estas variaes
foram monitoradas pelo mostrador digital do dinammetro onde, tambm, foram
observadas as variaes de potncia (kW) e torque (N m).
Segundo a norma NBR 1585/1996, medies devem ser tomadas em um
nmero suficiente de rotaes, para definir completamente a curva de potncia
entre a menor e a maior faixa de rotaes do motor, recomendadas pelo
fabricante e esta faixa deve incluir a rotao na qual o motor produz sua potncia
mxima.
3.1.2 Determinao da potncia efetiva He
a potncia que, efetivamente, est disponvel no motor para atender as
exigncias de sua aplicao e medida pelo dinammetro. Vale lembrar que
para este tipo de ensaio, obtivemos a potncia efetiva na TDP, ou seja,
diminuda pelas perdas da transmisso da potncia no volante do motor at o
eixo estriado da TDP. Neste caso, foi mostrada diretamente no mostrador digital,
podendo, tambm, ser calculada com base no torque T correspondente
velocidade angular, de acordo com Mialhe (1996), por meio da Equao 1.
=
100060
2pNTH e (1)
Sendo:
He= potncia efetiva (kW);
T= torque (N.m);
N= velocidade angular (rpm).
-
45
3.1.3 Determinao da potncia reduzida Hr
Segundo Mialhe (1996), o termo reduzido refere-se aos resultados reais
de desempenho que foram obtidos por clculos, efetuados nos dados dos
ensaios, os quais levam em conta as condies atmosfricas consideradas
padro. Os valores de potncia obtidos na TDP foram recalculados conforme a
Equao 2descrita por Salvador (1984). A temperatura mdia e a presso
atmosfrica, no momento do ensaio foram, respectivamente, de 302K e752 mm
Hg.
5,0
2
1
1
2
=
T
T
P
P
H
H
o
r (2)
Sendo:
Hr = potncia reduzida para as condies padro de presso e
temperatura (kW);
Ho = potncia observada (kW);
P1 = presso atmosfrica, por ocasio da prova (mm Hg);
P2 = presso atmosfrica padro (760 mm Hg);
T1 = temperatura absoluta por ocasio da prova (K); e
T2 = temperatura absoluta padro NBR ISO 1585/1996 (298 K).
3.1.4 Determinao do consumo especfico de combustvel
O consumo real de combustvel foi determinado por meio da
mensurao do tempo de deslocamento de combustvel na proveta graduada do
medidor volumtrico descrito por Gamero, Benez e Furlani Jnior (1986), onde,
por meio de vlvulas solenoides, possvel converter a referida proveta na
-
46
condio de tanque de combustvel do trator, ou seja, alimentar o sistema de
injeo do trator pela proveta e direcionar o retorno dos bicos injetores, tambm,
para a proveta. Desta forma, o deslocamento de combustvel lido na proveta em
um determinado tempo, multiplicado pela sua seo transversal, exprime
exatamente o consumo de combustvel do trator por unidade de tempo.
Para determinao do consumo especfico de combustvel expresso em g
kW-1, converteu-se o consumo horrio expresso em L h-1 para g h-1, utilizando-se
a massa especfica do combustvel e, posteriormente, aplicou-se a Equao 3
para o clculo (MIALHE, 1996).
(3)
Sendo:
Ce= consumo especfico de combustvel (g kWh-1);
Ch = consumo horrio de combustvel (g h-1); e
Ho = potncia observada (kW).
3.1.5 Determinao da eficincia energtica do motor - (%)
A eficincia energtica do motor foi determinada, segundo norma
NBR1585/1996, conforme a equao 4.
(4)
Sendo:
: eficincia energtica do motor (%);
3600: constante de converso de unidades;
-
47
Ce: consumo especfico de combustvel (g kWh-1
PCI: poder calorfico inferior do combustvel (MJ kg-1).
3.1.6 Determinao do torque
A medio do torque consistiu em determinar a intensidade de uma
fora que, atuando na extremidade de um brao, tendeu a produzir movimento
de rotao. No caso de movimento rotativo contnuo, o torque medido pelo
dinammetro (MIALHE, 1980). Os valores de torque foram observados
virtualmente no mostrador digital do dinammetro e registrados, segundo a
norma NBR 1585/1996, adotando-se a mdia de duas leituras consecutivas
estabilizadas que no variem mais que 2%, sendo a segunda leitura determinada
sem qualquer ajuste do motor, aproximadamente, 1 minuto aps a primeira.
3.1.7 Determinao da Reserva de Torque
Segundo Sousa Filho (2001), a reserva de torque pode ser calculada pela
equao 5:
100.
-
=DTmx
mxTpotTmxT
(5)
Sendo:
T = reserva de torque (%);
Tmx.= torque mximo; e
Tpot. mx = torque na potncia mxima.
-
48
3.1.8 Determinao do custo energtico do motor de combusto interna
CEmci
O custo energtico foi definido como o valor em reais (R$) gastos por
kWh de energia mecnica produzida. Para o trator com motor diesel, o custo
energtico pode ser definido pela equao 6:
(6)
Sendo:
: custo energtico do motor de combusto interna (R$ kWh-1)
: consumo horrio de combustvel (L h-1)
: valor do combustvel (R$ L-1)
: potncia reduzida (kW)
O valor do combustvel foi obtido por meio da mdia dos preos do leo
diesel de 24 postos de gasolina do sul do estado de Minas Gerais, obtendo-se o
valor mdio de R$2,54 por litro de combustvel.
3.2 Ensaio dinamomtrico do motor eltrico
O ensaio dinamomtrico do motor eltrico foi realizado no Instituto de
Energia e Ambiente da Universidade de So Paulo IEE/USP. Foi feito um
ensaio com um motor eltrico de induo trifsico com potncia til de 22 kW
(30 cv), 60 Hz e rotao nominal de 1765 rpm. Para garantir a paridade entre o
motor de combusto interna e o motor eltrico, a potncia mxima do motor
eltrico foi limitada a 15 kW.
-
49
3.2.1 Determinao dos nveis de rotao do motor eltrico
A variao de velocidade do referido motor foi obtida mediante um
inversor de frequncia trifsico. Como a proposta deste trabalho foi de comparar
o desempenho do motor de combusto interna do trator agrcola com o motor
eltrico, a variao de rotao do motor eltrico se fez imprescindvel. Por isso,
determinou-se no apenas o desempenho do motor eltrico e, sim, do conjunto
motor eltrico e inversor de frequncia (ME-IF).
3.2.2 Determinao do torque e potncia do motor eltrico
As curvas de torque e potncia do conjunto ME-IF foram obtidas por
meio de um freio dinamomtrico eltrico que, de acordo com Mialhe (1996),
um gerador de corrente eltrica que, ao ser acionado pelo motor ensaiado,
submete-o frenagem a qual depende dos controles e cargas eltricas instalados
no circuito. Em princpio, qualquer gerador de corrente eltrica pode ser
utilizado como freio dinamomtrico, desde que se monitore a potncia com
instrumentos de mensurao de grandezas eltricas (voltmetro e ampermetro) e
proceder devida correo em funo do rendimento eletromecnico do
gerador. Contudo, o rendimento de um gerador eltrico varia em funo da
carga, da velocidade e da temperatura. Para contornar tais dificuldades, o
gerador pode ser montado sobre mancais especiais que possibilitam a
mensurao direta da reao na carcaa do estator que caracteriza o torque do
motor submetido ao ensaio. A potncia eltrica absorvida pelo conjunto ME-IF
foi determinada por meio de um wattmetro.
-
50
3.2.3 Determinao da eficincia energtica do conjunto motor eltrico e
inversor de frequncia ( )
A eficincia energtica do conjunto foi determinada pela equao 7.
(7)
Onde:
: potncia mecnica no eixo do motor (kW);
: potncia eltrica absorvida pelo conjunto ME-IF (kW).
3.2.4 Determinao do custo energtico do conjunto ME- IF
Esse custo foi determinado considerando uma configurao de veculo
eltrico. Dessa forma, o conjunto ME-IF seria alimentado por um conjunto de
baterias que, ao final do trabalho, seriam recarregadas por um carregador ligado
rede eltrica. Assim, no clculo do custo energtico, necessrio considerar a
eficincia do carregador de baterias. Dessa forma, foi possvel deduzir a equao
de determinao do custo energtico do conjunto ME (Equao 8).
(8)
Sendo:
: custo energtico do motor eltrico (R$ kWh-1);
: potncia eltrica absorvida pelo conjunto ME-IF (kW);
: eficincia do carregador de baterias;
: valor da energia eltrica (R$ kWh-1);
-
51
: potncia mecnica no eixo do motor eltrico (kW)
A eficincia do carregador de baterias, que pode ser definida como a
relao entre a quantidade de energia consumida e a quantidade de energia
transmitida para as baterias, exerce grande influncia na eficincia e no custo
energtico de um veculo eltrico.
O valor da energia eltrica, utilizado no clculo do custo energtico do
ME-IF, foi obtido por uma tabela de tarifas de energia eltrica, no meio rural,
disponibilizada pela Agncia Nacional de Energia Eltrica (BRASIL, 2014). Foi
utilizado o valor cobrado pela Companhia Energtica do Estado de Minas Gerais
(CEMIG) que foi de R$ 0,347 por kWh.
3.3 Proposta de configurao terica de trator eltrico
Com base no desempenho do conjunto ME-IF, foi proposta uma
configurao terica de trator agrcola movido eletricidade e caracterizado
apenas como mquina de trao.
Como este trabalho objetivou o estudo da viabilidade da converso da
potncia eltrica em potncia mecnica para acionamento de um trator, a forma
de utilizao da potncia mecnica, seja via barra de trao, TDP ou sistema
hidrulico, torna-se indiferente. Dessa forma, optou-se pela forma mais simples
e antiga de utilizao da potncia mecnica de um trator que a barra de trao.
Segundo Fedrizzi (2007), os motores eltricos em geral, normalmente,
tm eficincia superior a 80% e, por isso, optou-se por propor um mecanismo de
transmisso mecnica que utilizasse toda a faixa de rotao do motor eltrico.
Nos automveis eltricos, como o modelo Leaf da montadora japonesa
Nissan, esse tipo de transmisso j adotado. O nico dispositivo mecnico que
ainda preciso manter entre a ponta do eixo do motor eltrico e o diferencial
-
52
uma caixa redutora de relao nica, por meio da qual a potncia transferida
para o diferencial e do diferencial para as rodas. A simplicidade do mecanismo
de transmisso possvel em razo das caractersticas dos motores eltricos que
permitem que se obtenha a variao de velocidade desejada com torques
elevados ainda em velocidades baixas (Figura 12).
Figura 12 Variao da eficincia do conjunto motor-transmisso do veculo Nissan Leaf em funo da variao da velocidade
Fonte: Nakazawa (2011).
Segundo Ribas et al. (2010), os tratores agrcolas nacionais com
potncia menor que 111,8kW possuem transmisso do tipo mecnica
(engrenagem deslizante e sincronizada) e o modelo de trator em estudo se
enquadra nessa categoria de potncia e de transmisso. Assim, caso fosse feita a
converso do trator convencional para trator eltrico, grande parte da
transmisso mecnica poderia ser dispensada, tornando o mecanismo mais
simplificado, constitudo apenas pelo motor eltrico acoplado ao diferencial
(Figura 13). A caixa redutora, tambm, poderia ser dispensada, porque o trator j
-
53
possui redutores entre o diferencial e as rodas que so as redues finais. Assim,
bastaria que se redimensionasse a relao de transmisso da reduo final, a fim
de se obter o intervalo de velocidades desejado.
Figura 13 Diagrama da configurao terica de trator eltrico
At o momento, uma das maiores limitaes de um veculo eltrico est
na sua autonomia, por causa da baixa energia especfica das baterias se
comparadas aos combustveis fsseis. Assim, quanto configurao de trator
eltrico proposta, convencionou-se que toda a massa dos componentes de um
trator convencional que fossem desnecessrios, no modelo de trator eltrico,
fosse convertida em massa de baterias, afim de manter a relao peso/potncia
do trator e estender ao mximo a sua autonomia.
-
54
A massa dos lastros do trator, tambm, foi convertida em massa de
baterias. Assim, em operaes de maior demanda de potncia, a massa de
baterias seria aumentada, resultando em ganho de massa, necessrio em
operaes de maior potncia e, tambm, em ganho de autonomia. Na Tabela 1
so descritas as alteraes necessrias ao trator para se tornar um veculo
eltrico. Essas alteraes levaram a uma reduo na massa total do veculo e
essa massa foi reposta na forma de baterias.
Tabela 1 Massa dos componentes do trator convencional substituda pela massa de baterias na configurao terica de trator eltrico
Trator convencional
Massa do componente do
trator convencional (kg)
Trator eltrico
Massa do componente
do trator eltrico (kg)
Massa substituda por baterias
MCI e acessrios
315(1) ME-IF 140(1) 175
Caixa de cmbio
140(2) Desnecessria 0 140
Lastro slido 210(1) Baterias
atuando como lastros
0 210
Lastro Lquido (gua nos rodados)
(75%)
130(1) Baterias
atuando como lastros
0 130
Bateria automotiva
40(1) Desnecessria 0 40
Massa total de baterias (kg) 695 (1) Informaes obtidas de manuais tcnicos. (2) A massa da caixa de cmbio no foi fornecida pelo fabricante e no est disponvel
em manuais tcnicos, dessa forma sua massa foi estimada pelo procedimento descrito a seguir:
-
55
3.3.1 Estimativa da massa da caixa de cmbio do trator
A massa da caixa de cmbio do trator submetido ao ensaio
dinamomtrico foi estimada pesando-se a caixa de cmbio de um trator de 65
CV de potncia, pertencente ao Instituto Federal de Educao Cincia e
Tecnologia do Sul de Minas Gerais Campus Machado. De posse do peso dessa
caixa de cmbio, determinou-se o percentual de massa que a mesma
representava em relao massa total do trator pela equao 9.
(9)
Onde:
%MC: percentual da massa da caixa de cmbio em relao massa do
trator (%);
MC: massa da caixa de Cmbio (kg);
MT: massa do trator (kg).
De posse do percentual da massa da caixa de cmbio do trator MF 265 e
conhecendo a massa do trator utilizado no ensaio estimou-se a massa da caixa de
cmbio desse trator.
3.3.2 Determinao do modelo e nmero de baterias da configurao
terica de trator eltrico
Definida a massa total do veculo que poderia ser composta por baterias,
definiu-se o modelo e a quantidade de baterias a serem utilizadas no veculo.
Optou-se por uma bateria de ons de ltio que, de acordo com Winter (2009),
-
56
dentre as tecnologias disponveis, apresenta a maior densidade energtica e de
potncia.
Figura 14 Faixas de Potncia Especfica Mssica (Wkg-1) e de Energia Especfica Mssica (Wh kg-1)
Fonte: Winter (2009)
A bateria adotada para a simulao apresenta uma tenso de 48V,
corrente nominal de descarga de 30Ah e 18Kg de massa (Figura 15).
-
57
Figura 15 Bateria de ltio adotada na simulao do desempenho da configurao terica do trator eltrico
Definido o modelo de bateria a ser adotado, foi possvel descrever uma
equao para definir o nmero de baterias (Equao 10).
(10)
Sendo:
NB: nmero de baterias utilizadas no trator eltrico
MTB: massa total composta por baterias no trator eltrico
MB: massa unitria da bateria
Definido o nmero de baterias, pode-se calcular a potncia eltrica
disponvel no trator pela equao 11:
(11)
-
58
Sendo:
HET: potncia eltrica instalada no trator (W);
NB: nmero de baterias;
VB: tenso de cada bateria (V);
CB: capacidade especfica da bateria (Ah).
3.3.3 Simulao das caractersticas dimensionais e ponderais da
configurao tericade trator eltrico
Definidos os componentes utilizados na configurao terica de trator
eltrico, foi confeccionado um prottipo virtual com todos os componentes
considerados, de forma a verificar algumas caractersticas ponderais do trator
como a localizao de seu centro de gravidade e a distribuio de massa nos
eixos. Para isso, foi utilizado o software de CAD (Computer-Aided Design)
(SOLIDWORKS CORPORATION, 2010).
3.3.4 Estimativa da autonomia da configurao terica de trator eltrico
De posse do valor de potncia eltrica instalada, foi possvel estimar a
autonomia do modelo de trator eltrico para diferentes demandas de potncia
mecnica. Para tanto, foi feita uma adaptao de um modelo de descarga de
baterias que considera propriedades no lineares de descarga conhecido por lei
de Peukert. Em virtude da exatido desse modelo, Porciuncula et al. (2012)
utilizaram-no como referncia para o desenvolvimento de um programa
computacional que estima o tempo de descarga de baterias. A lei de Peukert
descrita pela Equao 12:
(12)
-
59
Em que:
L: autonomia da bateria;
I: aorrente de descarga da bateria;
a e b: constantes que dependem do tipo de bateria.
Porciuncula et al. (2012) determinaram as constantes a e b para uma
bateria de ons de ltio do mesmo tipo proposto para a composio do modelo de
trator eltrico. Dessa forma, foi possvel aproveitar essas constantes, apenas
corrigindo seus valores, em funo do nmero e potncia das baterias utilizadas
no modelo de trator eltrico. Assim, adaptou-se a lei de Peukert para estimativa
da autonomia do modelo de trator eltrico deduzindo-se a Equao 13.
(13)
Em que:
ACTTE: autonomia da configurao terica de trator eltrico (h);
Habs: potncia eltrica absorvida pelo conjunto ME-IF(W).
Para estimativa da autonomia da configurao terica de trator agrcola,
em diferentes demandas de potncia, o conjunto ME-IF foi submetido, alm do
ensaio dinamomtrico na mxima carga que determinou a potncia mxima, a
mais trs ensaios com cargas parciais 25, 50 e 75% da potncia mxima. Dessa
forma, a autonomia da configurao terica foi estimada com 25, 50 75 e 100%
da potncia mxima do ME-IF.
-
60
3.4 Construo de um modelo de trator agrcola eltrico em escala reduzida
No intuito de obter resultados prticos e de baixo custo da viabilidade de
um trator eltrico agrcola, foi construdo um modelo em escala reduzida de 1 : 5
tendo como referncia o trator agrcola utilizado nos ensaios dinamomtricos.
Esse modelo, assim como a configurao terica proposta, constituiu-se de um
veculo de trao, no dispondo, portanto, de tomada de potncia nem de um
sistema de levante hidrulico.
O conjunto motor e transmisso constituiu-se de um motor eltrico de
corrente contnua com potncia de 40W e eficincia mxima de 76% de acordo
com o fabricante. Esse motor foi acoplado a um redutor de velocidade e o
redutor, por sua vez, foi acoplado a um diferencial que transmitia a potncia s
rodas traseiras do veculo (Figuras 16 e 17).
Figura 16 Diagrama do modelo reduzido de trator eltrico
-
61
Figura 17 Modelo em escala reduzida
No modelo em escala reduzida, procurou-se manter algumas
caractersticas da configurao terica de trator eltrico proposta anteriormente,
como a relao peso/potncia e a relao entre a massa de baterias e a massa
total do trator. A distribuio de peso no trator, tambm, foi uma preocupao.
Como o modelo em escala reduzida se tratava de um veculo com trao 4X2, a
distribuio das baterias foi feita de forma a manter uma distribuio de peso
que, segundo Mialhe (1996), para tratores, 4X2 de 70% nas rodas traseiras e
30% nas rodas dianteiras.
3.5 Desempenho em barra de trao do modelo de trator eltrico em escala
reduzida
O modelo em escala reduzida foi submetido a um ensaio para
determinao da potncia na barra de trao. Para isso, foi construdo um carro
dinamomtrico, tambm em escala reduzida, que se constitui basicamente de um
chassi apoiado em quatro rodas com um engate para ser tracionado. Esse engate
-
62
foi ligado diretamente a um dinammetro digital modelo DD-200 da marca
Instrutherm, com capacidade de carga de at 196N e preciso de 0,05 N para
determinao da fora de trao (Figura 18). O carro dinamomtrico foi dotado
de um mecanismo de frenagem das rodas traseiras e de lastros mveis que
podiam ser retirados ou acrescentados de forma a variar a carga de trao do
veculo ensaiado.
Figura 18 Carro dinamomtrico acoplado ao modelo em escala por meio do dinammetro digital
3.5.1 Determinao da velocidade de deslocamento
A velocidade de deslocamento foi calculada pela razo entre a distncia
de 10 m, percorrida na pista de concreto onde se realizaram os ensaios e o tempo
gasto para percorrer essa distncia.
3.5.2 Determinao do ndice de patinagem
Para determinao da patinagem do modelo em escala reduzida, foram
instaladas 12 salincias nas rodas motrizes e essas salincias, medida que as
rodas giravam, acionavam um contador mecnico de pulsos (Figura 19),
totalizando 12 pulsos em cada volta da roda motriz. Assim, registrou-se o
-
63
nmero de pulsos gerados para que o modelo em escala reduzida percorresse
uma distncia de 20 metros sem carga e o nmero de pulsos para percorrer a
mesma distncia com carga na barra de trao. Dessa forma a patinagem pde
ser determinada segundo a equao 14.
(14)
Onde:
Pt(%): Patinagem (%);
IC: nmero de pulsos na distncia pr-determinada com carga;
I0: nmero de pulsos na distncia pr-determinada sem carga.
Figura 19 Detalhe do contador de impacto instalado no veculo de trao
-
64
3.5.3 Determinao da potncia na barra de trao
A determinao da potncia na barra de trao do modelo em escala
reduzida foi medida pela equao 15.
(15)
Onde:
HBT: potncia na barra de trao (W);
F: fora na barra de trao (N);
v: velocidade de deslocamento (m s-1).
3.5.4 Determinao do rendimento na barra de trao
O rendimento na barra de trao (RBT) que, de acordo com Masiero,
Lanas e Monteiro (2011), a relao entre a potncia na barra de trao e a
potncia no motor, foi determinado para o modelo em escala reduzida pela
equao 16.
(16)
Onde:
RBT (%): rendimento na barra de trao (%);
HBT: potncia na barra de trao (W);
Hmotor: potncia no motor eltrico (W).
-
65
3.5.5 Determinao da potncia eltrica absorvida
Para determinao da potncia eltrica absorvida pelo modelo em escala,
foi confeccionado um painel de acionamento equipado com um voltmetro e um
ampermetro em que monitoravam, respectivamente, a tenso e a corrente
eltrica utilizadas pelo motor eltrico do modelo no momento do ensaio (Figura
20). Assim, a potncia eltrica pde ser determinada pela equao 17.
(17)
Onde:
Habs: potncia eltrica absorvida pelo motor do modelo em escala (W);
V: tenso de alimentao do motor eltrico no momento de ensaio (V);
I: Corrente eltrica medida no momento do ensaio (A).
Figura 20 Painel de controle e monitoramento da potncia eltrica do modelo em escala
-
66
Foram realizados trs ensaios de trao, sendo um deles com a potncia
mxima na barra de trao, e os outros dois com 50% e 20% da potncia
mxima. Cada ensaio foi submetido a quatro repeties onde se determinou a
mdia de cada potncia, bem como a mdia da potncia eltrica absorvida por
meio da corrente e tenso mdias. De posse dos valores de corrente e tenso,
para cada nvel de potncia dos trs ensaios, foi determinada a autonomia do
modelo em escala reduzida.
3.5.6 Determinao da autonomia do modelo em escala reduzida
A determinao da autonomia foi feita descarregando as baterias do
modelo em escala reduzida por uma carga eltrica varivel, onde foram
ajustados os valores de corrente e tenso de cada nvel de potncia obtido nos
