1UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT ENGENHARIA MECÂNICA ANDERSON MEIER DIEGO BEPPLER LEONARDO CARON LUIZA OLIVEIRA DE SOUZA RHAUAN RUTHES AUERSVALDT GERADORES ELÉTRICOS JOINVILLE 2014 2 RESUMO Palavras-chave: 3 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Rotor de uma máquina síncrona de pólos lisos Figura 2 – Gerador assíncrono de indução alimentado por uma turbina Figura 3 – Célula fotovoltaica. efeito fotoelétrico Figura 4 – Processos termodinâmicos do ciclo Rankine Figura 5 – Processos termodinâmicos do ciclo Rankine com reaquecimento Figura 6 – Processos termodinâmicos do ciclo Rankine regenerativo Figura 7 – Processos termodinâmicos do ciclo Brayton . .......2 Hidrelétricas ...................8 2........................................ MÁQUINAS DE TOPOLOGIA FECHADA...4 SUMÁRIO 1.............1 Geradores assíncronos de indução....................15 2...........6 2....1........... INTRODUÇÃO....................................................1..14 2........ FUNDAMENTOS...........................................3...................4...................18 2...................................2 Princípio de funcionamento................................4...........2 Pilhas e baterias ..1..........................28 REFERÊNCIAS....................... CONCLUSÃO....................3...1....................................1............................................................3...3 Termoelétricas e usinas nucleares ..8 2.............1..................................................2.......2.....11 2.........1 Geradores fotovoltaicos .....................15 2...........6 2.....................20 2.................................................................................................................1 Paineis fotovoltaicos e centrais solares térmicas ...1 Geradores síncronos..............................13 2.19 2..............1.......2...........................1 Partes constituintes.......17 2.1 Máquinas de corrente contínua .............1......3 Máquinas elétricas assíncronas .............2 Análise termodinâmica dos pré processos............................6 2......................................................10 2..............1.....................1......15 2................................4 APLICAÇÕES E CONTEXTUALIZAÇÃO.......................................................5 2............................................3 GERADORES A PARTIR DE ENERGIA LUMINOSA....................3.12 2......................6 2.........................1.4.................14 2...................17 2.2 GERADORES A PARTIR DE ENERGIA QUÍMICA.....1................2 Máquinas elétricas síncronas ........................1.....1 Geradores de célula a combustível ....1......4 Centrais eólicas ........25 3.........4.......1 Componentes...................29 .............................................................7 2..............................2 Geradores assíncronos de indução auto-excitada............................. INTRODUÇÃO .5 1. tem condições de receber energia na forma mecânica e converter à forma elétrica.6 2 FUNDAMENTOS 1 MÁQUINAS DE TOPOLOGIA FECHADA Máquinas de topologia fechada formam a grande família das máquinas rotativas encontradas no comércio. montada sobre o eixo da máquina. A energia elétrica utilizada hoje em dia na distribuição e transporte da mesma é a corrente alternada. verifica-se que atualmente componentes eletrônicos de tensão alternada já são capazes de controlar a velocidade do motor assíncrono facilmente e pelo seu menor custo e recursos de aplicação estão substituindo os motores de corrente contínua na maior parte das aplicações. Essa operação é conhecida como gerador elétrico. Porém. A máquina elétrica é um conversor eletromecânico de energia que. porém os motores de corrente contínua têm tradicionalmente grandes aplicações nas indústrias sendo que. recebendo energia na forma elétrica. construído de um material ferromagnético envolto em um enrolamento chamado de enrolamento de armadura e o anel comutador. 1 Partes constituintes da máquina de corrente contínua a) Rotor (armadura) Parte girante. 1 Máquinas de corrente contínua Máquina de corrente contínua é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica (gerador) ou energia elétrica em mecânica (motor). . são eles que permitem variação de velocidade como de uma esteira ou de um comboio por exemplo. Este enrolamento suporta uma alta corrente em comparação ao enrolamento de campo e é o circuito responsável por transportar a energia proveniente da fonte de energia. uma fonte de energia mecânica pode ser. envolto em um enrolamento de baixa potência chamado de enrolamento de campo que tem a função apenas de produzir um campo magnético fixo para interagir com o campo da armadura. a energia mecânica é suprida pela aplicação de um torque e da rotação do eixo da máquina. Em algumas máquinas comercializadas no mercado é possível encontrar enrolamentos de compensação que tem como função compensar o efeito desmagnetizante da reação de armadura e enrolamentos de comutação que tem como função diminuir o faiscamento no anel comutador. uma turbina eólica. O anel é montado junto ao eixo da máquina e gira junto com a mesma. por exemplo. c) Estator (Campo ou excitação) Parte estática da máquina. montada em volta do rotor. A fonte de energia mecânica tem o papel de produzir o movimento relativo entre os condutores elétricos dos enrolamentos de armadura e o campo magnético produzido pelo enrolamento de campo e desse modo. e assim pela lei de Faraday induzir uma tensão entre os terminais do condutor. provocar uma variação temporal da intensidade do mesmo. d) Escovas Peças de grafite responsáveis por conduzir a energia para o circuito do rotor 2 Princípio de Funcionamento Quando se trata de um gerador. O movimento de rotação do eixo produz a comutação entre os circuitos dos enrolamentos. segmentado por um material isolante de forma a fechar o circuito entre cada uma das bobinas do enrolamento de armadura e as escovas no momento adequado. de forma que o mesmo possa girar internamente. uma turbina hidráulica. Também é constituído de material ferromagnético. .7 b) Anel comutador Responsável por realizar a inversão adequada do sentido das correntes que circulam no enrolamento de armadura. etc. constituído de um anel de material condutor. e à corrente que circula no enrolamento de campo. são denominadas turbogeradores. ranhuradas e superpostas formando um pacote magnético. é armazenada no campo magnético da máquina para ser transmitida para alimentar alguma carga conectada à máquina. O número de ranhuras é calculado por: Nr = m. é a sua parte fixa. que é ajustável. qualquer que seja ela. sua armadura apresenta um sinal de energia cuja frequência está intimamente ligada à velocidade angular do rotor e cuja tensão gerada. devido ao movimento igual de rotação. comumente mais rápidas. num caso e no outro. a energia mecânica fornecida ao eixo. está ligada a velocidade angular do rotor. Fundamentalmente. com seu enrolamento de campo devidamente alimentado. que é constante. tensão de armadura. ou seja.p .q. tais como: fator de potência da geração. ganham denominação de hidrogeradores. 2 Máquinas elétricas síncronas A denominação “síncrono” se deve ao fato de esta máquina operar com uma velocidade de rotação constante sincronizada com a frequência da tensão elétrica alternada aplicada aos terminais da mesma. Girando a uma velocidade angular constante. Quando acionadas por turbinas hidráulicas. portanto.8 Desta forma. Ele é composto de uma carcaça externa que possui os pés de apoio da máquina e de um pacote de lâminas de aço-silício. Quando acionadas por turbinas térmicas e. entre o campo girante e o rotor é chamado de máquina síncrona (sincronismo entre campo do estator e rotor). A potência ativa disponível nos terminais da armadura está ligada a muitos fatores. são máquinas síncronas operando como geradores elétricos. rendimentos do gerador e do acionador. 1 Componentes da máquina síncrona a) Estator: O estator de uma máquina. à semelhança de um eletroíma. As ranhuras do pacote do rotor normalmente são fechadas e os condutores do enrolamento são lançados nelas. são acionadas por turbinas rápidas alimentadas por vapor de água a alta pressão ou gás. o rotor é sede de um enrolamento que possui a finalidade primeira de gerar um campo magnético quando da passagem de uma corrente contínua por ele. É responsável pela criação de um fluxo magnético. com tantos pólos quantos sejam os pólos do enrolamento do estator. Devido a essa particularidade. e q é o número de ranhuras por pólo e por fase do enrolamento. b) Rotor: Denomina-se rotor o órgão girante apresentado pela máquina. Esse rotor é desenvolvido para máquinas velozes de dois ou quatro pólos. O enrolamento depositado no pacote do estator é projetado para receber ou fornecer energia do sistema ou para o sistema. Quando operando como geradores. Figura 1 – Rotor de uma máquina síncrona de pólos lisos . esses geradores são chamados de turbogeradores. seja ela síncrona ou não.9 Onde m é o número de fases ou de portas elétricas do enrolamento estatórico. Rotor de pólos lisos: Esse rotor é executado em chapas de aço-silício mais espessas que as chapas que compõem o pacote do estator. Nessas máquinas. que na máquina síncrona é igual ao número de pólos do rotor ou da peça rotórica. denominadas atualmente de alternadores. p é o número total de polos do estator. geram expansões polares de nomes alternados ao longo da peça retórica. e assim teremos pela lei de Faraday uma indução de tensões aos terminais dos enrolamentos do estator. Em máquinas de pequena potência e de pequenas dimensões. Devido a esse movimento relativo entre o campo magnético dos polos do rotor.10 Rotor de pólos salientes: Esse rotor é desenvolvido normalmente para máquinas que apresentam velocidades tangenciais de rotor médias e baixas. plasmadas em uma frequência f. 2 Geradores síncronos Os geradores síncronos geram tensões alternantes senoidais. os pólos são fixos e o enrolamento de campo é executado ao redor dos pólos. constante. inferiores a 20 m/s. de espessura maior que aquelas usadas no pacote do estator. os pólos são móveis. frequência essa ligada á velocidade angular do rotor e ao número de seus pólos. Em máquinas maiores e consequentemente mais potentes. Alimentados de forma conveniente. Ele é composto por: pólos ou peças polares e enrolamento de campo. O enrolamento colocado nos corpos polares e alimentados com corrente contínua resultam em eletroímas. Devido à distribuição e disposição . a intensidade do campo magnético que atravessa os enrolamentos do estator irá variar no tempo. é necessário que o enrolamento de campo localizado no rotor da máquina seja alimentado por uma fonte de tensão contínua de forma que ao girar o campo magnético gerado pelos pólos do rotor tenham um movimento relativo aos condutores dos enrolamentos do estator. respeitados os sentidos de embobinar de cada pólo. colocação dos enrolamentos de campo ou substituição desses. Os pólos são peças executadas em chapas de aço-carbono. Para que a máquina síncrona seja capaz de efetivamente converter a energia mecânica aplicada no seu eixo. que é igual ao número de seus pólos do enrolamento depositado no estator. extraíveis e podem ser retirados para manutenção. as máquinas síncronas que operam como geradores são as maiores máquinas elétricas rotativas desenvolvidas pelo homem. Quando o gerador está conectado a um sistema/rede elétrica que possui diversos geradores interligados. do circuito da armadura. A máquina de indução é extensamente usada no Brasil e no mundo. 3 Máquinas elétricas assíncronas A grande maioria. impulsionadas por turbinas térmicas ou turbinas hidráulicas. geladeiras. 1 Máquina assíncrona de indução operando como gerador . Muito se tem discutido sobre o assunto da geração assíncrona.11 espacial do conjunto de enrolamentos do estator. muito se tem estudado. em corrente alternada. como produto da conversão mecânico-elétrica de energia. é fornecida energia elétrica. muito pouco tem sido transformados em realização. Quando o gerador está a funcionar de forma isolada de um sistema elétrico (ou seja. o sistema estará sendo alimentado exclusivamente pelo gerador síncrono.) a forma de onda e a frequência da tensão deste sistema "ilhado" serão ditados pelo gerador e a excitação do campo irá controlar diretamente a tensão elétrica gerada. a excitação do campo irá controlar a potência reativa que a máquina vai entregar ao sistema podendo eventualmente controlar indiretamente a tensão local. para alimentação do circuito de campo da máquina e retirada energia elétrica. como motor no acionamento de máquinas em geral. se não a totalidade dos geradores instalados no Brasil são máquinas síncronas. bombas d’água. na forma de uma corrente contínua. A corrente elétrica utilizada para alimentar o campo (enrolamento do rotor) é denominada corrente de excitação. esmeris. isto é. que já dura um século. Essas máquinas. as tensões induzidas aos seus terminais serão alternadas sinusoidais trifásicas. mas os resultados de todo esse esforço científico. Em termos de potência e de dimensões. Nos geradores. tornos. são responsáveis pelo potencial elétrico da grande maioria dos países do mundo atual. onde aja a necessidade de energia mecânico-motriz a partir de um acionador simples e de custo muito reduzido. Figura 2 – Gerador assíncrono de indução alimentado por uma turbina Essa recebendo energia mecânico-motriz em seu eixo motor converte-a em energia elétrica. podese dizer que o gerador assíncrono de indução só manipula potencias ativas. é gerenciado pela rede de fornecimento tradicional. Dessa forma. aquela parcela que alimenta armazéns de energia deve continuar a ser fornecida pela rede anterior de fornecimento. que está ligada as perdas da máquina e a potência convertida. maior do que a velocidade angular do campo síncrono. ela recebe energia mecânica de um acionador externo. Para a operação da maquina como gerador assíncrono. a velocidade do rotor é. necessariamente. A outra parcela. o escorregamento do rotor em relação ao campo girante é negativo. o principal armazém de energia. da forma mecânica para a forma elétrica (operação como gerador) é recebida do acionador. Essa situação de certa forma é limitante para o gerador porque a tensão de seus terminais e a frequência da corrente gerada é gerenciada pela rede de alimentação da armadura. que pode ser um motor a explosão ou uma turbina hidráulica ou eólica. . A essa modalidade de geração dá-se o nome de geração assíncrona. a máquina assíncrona está operando como gerador. A corrente em transito pela armadura pode ser analisada como formada por duas parcelas bem distintas. que cria o campo magnético que atravessa o entreferro.12 Quando a velocidade angular do rotor é maior do que a velocidade angular do campo girante. isto é. É a máquina assíncrona de indução operando como gerador. Portanto. e a velocidade angular de seu eixo mecânico está associada ao nível de energia que é convertida da forma mecânica para a elétrica. Essa energia fornecida ao campo magnético. Agora o gerador opera como uma unidade isolada e auto-excitada. da tensão de terminais e. assim como. de certa forma. em linhas gerais. limitado porque quem gerenciava o armazém de energia. Se a tensão nos terminais do gerador cair de valor. o gerador de indução passa a não ter gerenciamento sobre duas variáveis. o que é mais complexo. o gerador está desconectado do sistema e. É uma condição bastante interessante porque o gerenciamento da tensão dos terminais e da frequência ainda é do sistema elétrico. Isso vale também para a frequência do sistema sob gestão do referido “gerente”. para armazenamento. agora gerente da energia gerada. o gerador assíncrono de indução ficava. que ira compensar os reativos indutivos gerados pelos armazéns do gerador. Pode-se desenvolver uma terceira condição na qual o gerador assíncrono de indução opera como máquina isolada. é de natureza bem particular e pode. porém. Com o que foi exposto acima. 2 A máquina assíncrona de indução auto-excitada operando como gerador Viu-se. no item anterior. portanto.13 Dessa forma. responsável pelo campo magnético. porem este já não tem a tarefa de manter os armazéns do gerador. por associação com um banco de capacitores de potência reativa bem especificada. ficando para o banco de capacitores a tarefa de “fornecer os reativos” para o gerador. da frequência do sinal ou na corrente gerada. ser “trocada”. o gerador nada pode fazer por ela. Agora. será mantido. era o sistema elétrico conectado ao gerador. conclui-se que o gerador assíncrono de indução deve estar ligado a um sistema que é o “gerente” de geração de energia elétrica. A situação examinada acima ainda demanda o gerenciamento desenvolvido pelo sistema. . O banco de capacitores. que da forma como estava operando. As células combustíveis mais comuns são movidas a hidrogênio usam reações químicas para criar eletricidade. que flui em uma direção. que oxida) e um cátodo (oxidante. A eletricidade criada pelas células combustíveis é corrente direta. Contudo. Para produzir um volume de energia adequado. sendo que estes estão separados por um eletrólito apropriado e sujeitos a ação de um catalisador. Esta conversão ocorre por meio de duas reações químicas entre um ânodo (combustível. a maior parte da eletricidade fornecida a residências e empresas é de corrente alternada. combina-se com o oxigênio para produzir água e eletricidade. O hidrogênio entra na célula e. em ciclos que se alternam. uma única célula combustível não produz quantidade significativa de energia elétrica.14 2 GERADORES A PARTIR DE ENERGIA QUÍMICA 2. Portanto. voltagem e frequência da corrente elétrica também devem ser controlados. Vale observar também que. . que reduz). aliados ao fato de existirem diferentes tipos de célula a combustível determinam as aplicações deste tipo de gerador. que variam de aplicação em veículos automotores à sistemas de cogeração eletricidade/calor entre outros. onde criam uma corrente elétrica que pode ser usada como energia. por meio de uma série de reações químicas. que flui em ambas as direções. O eletrólito comentado é o agente transportador de íons do ânodo para o cátodo. uma célula combustível precisa de condicionadores e inversores de corrente para se adaptar à eletricidade produzida.1 Geradores de célula a combustível As células a combustível são dispositivos que convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica.2. O tamanho das pilhas. Contudo. as células combustíveis são dispostas em pilhas. O fluxo. o que acontece é que os elétrons são obrigados a passar para um circuito externo. Graças a isso. também chamadas de células eletroquímicas. produzindo assim corrente elétrica. de forma a gerar uma corrente elétrica que alimenta um circuito elétrico exterior (figura 3). que é uma solução condutora de íons. são formadas por dois eletrodos (cátodo e ânodo) onde ocorrem respectivamente as semirreações de redução e oxidação. as baterias produzem uma corrente elétrica muito mais forte que as pilhas.1 Geradores fotovoltaicos A denominação de gerador fotovoltaico está usualmente ligada à um sistema fotovoltaico composto por uma série de componentes visando transformar. . Já as baterias são formadas por várias pilhas ligadas em série ou em paralelo.2. regular e armazenar a energia luminosa do sol em forma de energia elétrica. portanto também são geradores. em que há transferência de elétrons. Esta conversão de energia ocorre de maneira direta através do fenômeno conhecido por “efeito fotoelétrico”.3. além de um eletrólito. A diferença entre as pilhas e baterias está no fato de que as pilhas. Dentro desses componentes ocorrem reações de oxirredução. 3 GERADORES A PARTIR DE ENERGIA LUMINOSA 2. que acontece em materiais semicondutores.2 Pilhas e Baterias Pilhas e baterias também convertem energia química em energia elétrica.15 2. e com a presença de campos elétricos internos capazes de acelerar os pares elétronlacuna criados por incidência dos fótons solares. as células são integradas. Ligações em série de várias células aumentam a tensão. enquando que ligações em paralelo permitem aumentar .16 Figura 3 – Célula fotovoltaica. policristalina e de silício amorfo). Existem três tipos básicos de células solares (monocristalina. formando um módulo (ou painel). Visando obter potências mais elevadas. com uma tensão menor que 1 Volt. produz apenas uma reduzida potência elétrica. o que tipicamente varia entre 1 e 3 W. aos quais estudos do rendimento de cada um podem ser conferidos na tabela a seguir: Tabela 1 – Rendimento para diferentes células solares (Fonte:BP Solar) Uma célula individual. unidade de base dum sistema fotovoltaico. efeito fotoelétrico Aos componentes onde este fenômeno acontece dá-se o nome de “célula solares”. porém devido ao baixo rendimento esta aplicação torna-se muito cara. Para se ter ideia.2 Hidrelétricas . ou seja. locais propícios devido às altas concentrações de energia luminosa incidente sobre estas regiões. Desta forma um sistema fotovoltaico compõe-se usualmente pelo módulo de células solares. Neste ponto. situado no alto de uma torre. A maioria dos módulos comercializados é composta por 36 células de silício cristalino. 2. módulos em grande escala. inaugurou-se em fevereiro de 2014 uma das maiores centrais solares da atualidade.4. um sistema de armazenamento de energia (geralmente baterias). o suficiente para alimentar em torno de 140 mil residências. percebe-se que o rendimento do processo fotovoltaico descrito é bastante reduzido sendo este bastante aplicado no que se chama de “microgeração”. produzindo vapor que move uma turbina a vapor e que aciona um gerador síncrono de energia elétrica (da mesma forma que numa central termoelétrica. conectadas em série. é comum a construção de “Centrais Solares Térmicas” de geração. EUA. Atualmente as regiões do globo que mais têm investido neste tipo de tecnologia são a Califórnia (EUA) e o sul de Espanha.1. Existem as centrais fotovoltaicas (macrogeração). ou seja. utiliza-se um conjunto de espelhos móveis que apontam todos para um mesmo ponto. 4 APLICAÇÕES E CONTEXTUALIZAÇÃO 2. canalizações de água são aquecidas pela incidência da luz solar refletida.1 Painéis fotovoltaicos e centrais solares térmicas Analisando o rendimento das células solares apresentadas no tópico 2.17 a corrente elétrica. com mais 350 mil espelhos e capacidade de produção de 392MW. por um sistema de regulação da potência dos painéis. Neste tipo de central.4.3. para aplicações de 12V. conversores DC-AC e também componentes de proteção como disjuntores e fusíveis. No que se refere a macrogeração de energia solar. predominantemente em residências. mas sem a necessidade da utilização de combustíveis fósseis). a “Usina de Ivanpah” Califórnia. responsável por dar um ângulo de entrada para a água. ou energia mecânica. Esta água represada é conduzida por meio de tubulações até uma turbina. No Brasil a energia nas redes públicas de tranmissão é corrente alternada. A escolha do tipo depende da altura da queda d’água e do regime de operação da usina. A turbina está ligada por um eixo a um gerador de energia elétrica que. A Usina Hidrelétrica Parigot de Souza. em função da sua forma. é transformada em energia elétrica. Elas trabalham com velocidades de rotação mais alta que os outros tipos e são adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m. Francis e Pelton. podem ser de 3 tipos: Kaplan. No gerador a energia cinética. Para esse fim. também entra em movimento. sendo por isto muito mais comuns em países montanhosos. O distribuidor é um conjunto de pás fixas. Kaplan: São muito semelhantes as turbinas Francis. no Paraná. O gerador é composto de um rotor (imã).18 Em uma instalação hidrelétrica. são adaptadas para quedas menores. existente entre o nível do reservatório antes da barragem e o nível do rio após a barragem transforma-se em energia cinética. Turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. Francis: possuem um rotor na forma de um cilindro vazado com a parede lateral formada por palhetas curvas. trifásica de 60 Hz. aumentando o rendimento. a barragem represa as águas de um rio formando um reservatório. de até 60 metros. A energia potencial. são utilizados pistões hidráulicos para controlar a inclinação das pás. com queda bruta normal de 754 m. através da água que faz girar a turbina. A fim de . A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de Tucuruí. tem 4 turbinas tipo Pelton de 65 MW. provocando o aparecimento de uma corrente elétrica. porém. A água sai pela base do rotor com pressão e velocidade muito reduzidas. que conseqüentemente. As turbinas. que gira no interior de uma bobina (estator). Abaixo. uma descrição dos tipos de turbina: Pelton: Nessas turbinas não há pás estáticas e sim um conjunto de bocais. Furnas e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda d'água. 000 3 Guri Dam Venezuela 10. distribuição e utilização da energia gerada existem conversores / transformadores que transformam para AC. costumam obter energia mecânica a partir do aquecimento de água. Desta forma entre a produção. isto é. Rank Station Country Capacity (MW) 1 Three Gorges Dam China 20. Ambos. termelétricas e usinas nucleares. ou seja. costuma-se utilizar geradores síncronos. de maior aceitação e historicamente mais utilizados.200 4 Tucurui Dam Brazil 8. e outro a partir da fissão nuclear de elementos radioativos.19 aumentar a eficiência da distribuição (redução de perdas) a energia é predominantemente distribuida em CC. de que forma se obtém energia mecânica.4. que é uma função da freqüência da tensão gerada e do número de pares de pólos do rotor.300 2 Itaipu Dam Brazil/Paraguay 14. são máquinas elétricas que trabalham com velocidade constante e igual à velocidade síncrona.4.3 Termelétricas e usinas nucleares Do ponto de vista de geração de energia os processos em termelétricas e usinas nucleares não diferem em muito da hidrelétrica. Os geradores de centrais hidrelétricas podem ser síncronos ou assíncronos.3.370 5 Grand Coulee Dam United States 6.809 Tabela 2 – Maiores hidrelétricas do mundo em geração 2.1 → Análise termodinâmica dos pré processos Ciclo Rankine . A diferença está na forma de obter calor. 2. um obtém calor a partir de combustíveis fósseis. A diferença está no processo de pré geração de energia. Os geradores síncronos. outros fluidos também podem ser utilizados em aplicações especiais. Isto significa que o rendimento do ciclo . biomassa. Expansão adiabática na turbina . Condensação do vapor a pressão constante no condensador . Figura 4 – Processos termodinâmicos do ciclo Rankine No ciclo Rankine ideal. a temperatura média de fornecimento de calor é inferior à temperatura de vaporização por causa da variação de temperatura entre os pontos 1 e 2.3 a 4. Ele se baseia em quatro processos termodinâmicos: Bombeamento adiabático na bomba . a temperatura média de rejeição de calor é constante e igual à temperatura de condensação. Transformação da água em vapor a pressão constante na caldeira .2 a 3. No entanto. incluindo virtualmente toda a energia solar.20 a) Análise termodinâmica O ciclo Rankine é o ciclo termodinâmico que mais representa o processo de geração de energia a partir do vapor d´agua. Este ciclo gera cerca de 90% de toda a energia elétrica produzida no mundo. Contudo. como na geração geotérmica.1 a 2.4 a 1. carvão e nuclear nas usinas elétricas. o aumento da pressão na caldeira também aumenta a temperatura e. Regeneração. consequentemente. Esta água condensada forma gotículas que destroem as palhetas da turbina. o título do vapor na saída da turbina não deve ser inferior a 0. liberando-o de tal . Por outro lado. Na prática.85. os esforços termo-mecânicos no equipamento aumentam. Mais uma vez. Finalmente. Superaquecer o vapor. Portanto. A primeira turbina recebe o vapor da caldeira à alta pressão. esta solução está limitada à tecnologia dos materiais existentes. a redução da pressão do vapor na saída da turbina provoca condensação do vapor. existe a solução de superaquecer o vapor. b) O que fazer para aumentar a eficiência do ciclo Rankine? Basicamente. utilizam-se dois sistemas básicos: Reaquecimento. esta solução está limitada pela tecnologia de materiais disponível no mercado. Aumento da pressão na caldeira.21 Rankine ideal é inferior ao rendimento térmico do ciclo de Carnot operando com temperatura máxima igual a temperatura de vaporização e mínima igual à temperatura de condensação. Estas três opções possuem limitações fundamentais. Primeiramente. c) Variações do ciclo Rankine Ciclo Rankine com reaquecimento O ciclo Rankine com reaquecimento opera utilizando duas turbinas em série. existem três possibilidades para aumentar o rendimento do ciclo Rankine: Redução da pressão na saída da turbina. Por isso. . o que poderia danificar seriamente as pás da turbina Figura 5 – Processos termodinâmicos do ciclo Rankine com reaquecimento Ciclo Rankine regenerativo O ciclo Rankine regenerativo é nomeado desta forma devido ao fato do fluido ser reaquecido após sair do condensador. aproveitando parte do calor contido no fluido liberado pela turbina de alta pressão. Isto aumenta a temperatura média do fluido em circulação. utilizando o calor da própria caldeira. o que aumenta a eficiência termodinâmica do ciclo. isto impede a condensação do vapor no interior das turbinas durante sua expansão.22 maneira a evitar sua condensação. Entre outras vantagens. Este vapor é então reaquecido. e é utilizado para acionar uma segunda turbina de baixa pressão. 23 Figura 6 – Processos termodinâmicos do ciclo Rankine regenerativo d) Análise econômica e de rendimento do ciclo Rankine: Nas hidrelétricas que utilizam o ciclo Rankine. Graças a isso. o ciclo Brayton é utilizado. é possível chegar a altos rendimentos. até semanas para o sistema ser religado. → Ciclo Brayton . sua estrutura impossibilita a pausa do sistema. a flexibilidade deste ciclo é baixa. e dependendo da necessidade. Porém. já que demoram dias. de forma que uma parte do trabalho fornecido é usado no próprio processo de compressão. Isso ocorre supostamente sob pressão constante porque a forma construtiva da câmara oferece pouca resistência ao fluxo. desenvolvidas especificamente para a geração de energia elétrica ou propulsão . Turbinas a gás dedicadas à geração de energia elétrica são divididas em duas principais categorias. é o processo teórico dos motores de turbina a gás. o ar se expande devido ao fornecimento de calor pelo processo de combustão. Saindo da turbina.24 a) Análise termodinâmica Também denominado ciclo de Joule. no que se refere à concepção. mas há também embarcações e mesmo veículos terrestres com esse tipo de motor. São elas as pesadas (Heavy-duty). o ar troca calor com o ambiente num processo claramente isobárico. ou simplesmente turbinas a gás. O ar aquecido pela combustão movimenta uma turbina num processo teoricamente adiabático (de 3 a 4). Compressor e turbina são montados no mesmo eixo. Portanto. Ao passar pelo queimador ou câmara de combustão (de 2 a 3). o trabalho produzido pode ser extraído em forma de acionamento mecânico ou fluxo de ar no caso de uma turbina aeronáutica. Turbinas a gás são usadas principalmente em aviões e na geração de energia elétrica. Figura 7 – Processos termodinâmicos do ciclo Brayton Entre 1 e 2 o ar é comprimido de forma adiabática por um compressor tipo axial. atadas pelas duas pontas ao eixo vertical. o que reduz a complexidade do projeto. Análises dos recursos eólicos medidos em vários locais do Brasil.4. desenvolvidas a partir de projetos anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas. e na velocidade do vento em que têm sua maior eficiência. mostram a possibilidade de geração elétrica com custos da ordem de US$ 40 – US$ 60 por MWh. Os rotores diferem em seu custo relativo de produção. as quais se apresentam em maior quantidade e em boas condições econômicas de aproveitamento. realizadas recentemente. 2. etc. Os rotores do tipo Darrieus são movidos por forças de sustentação e constituem-se de lâminas curvas (duas ou três) de perfil aerodinâmico. • Rotores de Eixo Vertical Em geral. eficiência.) ou preservada como habitat natural.4 Centrais eólicas O Brasil tem em abundância as fontes de energia Hídrica e a Eólica. Com o potencial eólico existente no Brasil. pecuária. Savonius e turbinas com torre de vórtices. Os rotores de eixo vertical também podem ser movidos por forças de sustentação e por forças de arrasto. A Hídrica está distribuída no país inteiro. Os principais tipos de rotores de eixo vertical são: Darrieus. Tipos de rotores Existem dois tipos básicos de rotores eólicos: os de eixo vertical e os de eixo horizontal. nucleares e hidroelétricas. . é possível produzir eletricidade a custos competitivos com centrais termoelétricas. Uma vantagem das centrais eólicas em relação as usina hidroelétricas é que quase toda a área ocupada pela central eólica pode ser utilizada (para agricultura.25 naval e as aeroderivativas. confirmado através de medidas de vento precisas. os rotores de eixo vertical têm a vantagem de não necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variações da direção do vento. por meio do conversor. duas pás. ou de indução. Como a freqüência produzida pelo gerador depende de sua rotação. Dentro deste contexto. Entretanto. São movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação e forças de arrasto. Adicionalmente. alumínio ou fibra de vidro reforçada. Os rotores de eixo horizontal ao longo do vento (aerogeradores convencionais) são predominantemente movidos por forças de sustentação e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Os rotores que giram predominantemente sob o efeito de forças de sustentação permitem liberar muito mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de arrasto. os geradores utilizados podem ser sincronos. Um corpo que obstrui o movimento do vento sofre a ação de forças que atuam perpendicularmente ao escoamento (forças de sustentação) e de forças que atuam na direção do escoamento (forças de arrasto). Quando são usados geradores assíncronos. As desvantagens destes geradores são as altas correntes de partida e sua demanda por potência reativa. que pode ser feita por auto- . é necessário prover energia reativa para a excitação do gerador. para uma mesma velocidade de vento.26 • Eixo Horizontal Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns. Caso a velocidade seja variável: A tensão produzida pelo gerador síncrono é retificada e a corrente contínua resultante é invertida. três pás ou múltiplas pás. Caso a velocidade do gerador seja constante estas máquinas usam geradores elétricos assíncronos. as forças de sustentação dependem da geometria do corpo e do ângulo de ataque (formado entre a velocidade relativa do vento e o eixo do corpo). esta será variável em função da variação da rotação da turbina eólica. Ambas são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do vento. e grande parte da experiência mundial está voltada para a sua utilização. ou assíncronos. Tais rotores podem ser constituídos de uma pá e contrapeso. além de dispensarem dispositivos de sincronismo. utilizam-se pás rígidas de madeira. cuja maior vantagem é sua construção simples e barata. Em geral. a freqüência da energia elétrica fornecida pelo aerogerador será constante e sincronizada com o sistema elétrico. ou de indução. 27 excitação.802 3 Alemanha 30. A idéia básica do aerogerador com velocidade variável é o desacoplamento da velocidade de rotação e.774 2 Estados Unidos 49. consequentemente. usando-se capacitores adequadamente dimensionados. (CUSTODIO. a maior potência instalada no Brasil está no complexo eólico Alto Sertão I. da freqüência elétrica da rede. seguido do Parque eólico de Osório. associados à conversão de freqüência. do rotor do aerogerador. Uma vantagem é a redução das flutuações de carga mecânica. como vem acontecendo no resto do mundo. situado na Bahia. com capacidade de gerar até 300MW. O rotor pode funcionar com velocidade variável ajustada à situação real da velocidade do vento. aumentam os custos. localizado no Rio Grande do Sul. As desvantagens são os altos esforços de construção e a geração de harmônicos.087 Tabela 3 – Países com maior potência instalada (eólica) No que refere-se a produção de energia eólica. que podem ser reduzidos significativamente com o uso de filtros que. por sua vez. A previsão é que a participação da fonte de energia eólica na matriz energética brasileira continua crescendo. com a capacidade de gerar até 150 MW. apresentando taxas de crescimento médias de potência instalada superiores a 20%.016 4 Espanha 22. garantindo um desempenho aerodinâmico maximizado. 2002) Lugar País Potência [MW] 1 China 67. . CONCLUSÃO .28 3. 29 REFERÊNCIAS SCHREIBER. SIMONE. Gilio Aluisio. 246 p. ISBN 857194685X(broch. Lisboa http://ciclovivo.). Fundação Gulbenkian.explicatorium.br/noticia/maior-usina-solar-termica-do-mundo-e-inaugurada-nacalifornia http://www.br/oqueeacc_pt. QUITELA. São Paulo: Livros Erica.electrocell.com. Usinas hidrelétricas. A (2007) "Hidráulica". São Paulo: E. 235 p.com/pt-br/node/15895 http://www.php http://www. 2000. 1981. Blucher.htm .).com. Centrais e aproveitamentos hidrelétricos: uma introdução ao estudo. ISBN (Broch.com/Energia-Solar.planetseed. Gerhard Paul.