Transformação de Energia Mecânica Alternativa em Energia Elétrica - 11-2010

TRABALHO INTERDISCIPLINAR DIRIGIDOARTIGO TÉCNICO CIENTÍFICO TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA MECÂNICA ALTERNATIVA EM ENERGIA ELÉTRICA Trabalho Interdisciplinar Dirigido III INSTITUTO POLITÉCNICO – UNA Engenharia Civil Ciclo: 2º Leonardo Gontijo Vieira Gomes André Resende Santiago, Bruno Valadares Heeren de Oliveira, Cecília Velosquez S. C. Serpa, Debora Rejane Gomes, Fabiana Amaro Mendes, Láisa Martins Silva, Stener Marcelo Fonseca, Vitor Teixeira Reis Resumo Sabe-se que só será possível desenvolver uma matriz energética sustentável conciliando as mais diversas tecnologias existentes, investindo-se no aperfeiçoamento delas e na descoberta de novas tecnologias. Com isto, haverá uma substituição gradativa da utilização de energias prejudiciais ao meio ambiente pelas energias limpas e renováveis. Entre tantas outras formas de geração de energias alternativas, como solar, eólica, bioenergias, este artigo sugere a geração e consumo conscientes de energia elétrica, utilizando a energia mecânica de aparelhos de ginástica. Tal solução poderá ser aplicada em academias de ginástica, residências, clubes e qualquer outro estabelecimento que tenha tais aparelhos. Pretende-se utilizar a energia gerada para carregar celulares, ouvir música em rádios, assistir tv e para alimentar os próprios painéis dos aparelhos, como bicicletas e esteiras ergométricas. Para melhor ilustrar tal artigo, foi desenvolvido um protótipo a partir de uma bicicleta ergométrica equipada com dínamo para obtenção de energia elétrica. A partir de experimentações, verificou-se a eficiência do sistema. A capacidade máxima atingida no experimento foi de 6 Watts e 12 volts. Este projeto, depois de amplamente adotado nos locais citados, contribuirá, mesmo que em pequena escala, para sustentabilidade energética e, conseqüentemente, para renovação da matriz energética mundial. Também reafirmará que “qualidade de vida, desenvolvimento econômico e sustentabilidade podem caminhar juntos”. Palavras Chaves: Energias Alternativas, Conservação de Energia, Eficiência Energética; dínamo. 1. Introdução A exemplo do que ocorre desde a revolução industrial, a competitividade econômica dos países e a qualidade de vida de seus cidadãos são influenciadas pelo fator energia. Em um mercado global, essa influência se mostra cada vez mais forte e decisiva. Nesse contexto, em face das crescentes preocupações com o meio ambiente, as economias que melhor se posicionam quanto ao acesso a recursos energéticos de baixo impacto ambiental e de baixo custo terão vantagens comparativas significativas (GORINI et all, 2007). 1 Segundo Haddad (2007), com a crise do petróleo na década de 70 vários países se mobilizaram e levantaram fundos significativos para investir em projetos de eficiência energética e fontes renováveis de energia. No entanto, nos anos 80, com a estabilização do preço do petróleo, diminuiu-se a preocupação com a falta de energia e, consequentemente, houve uma redução de investimentos em conservação e diversificação de fontes primária de energia (PPCS, 2008). No final dos anos 80, impactos climáticos globais, provocados, principalmente, pela emissão de poluentes oriundos do petróleo na atmosfera, novamente alertaram a população mundial sobre a necessidade de uma matriz energética limpa e renovável. Num encontro internacional, realizado no Rio de Janeiro, tal preocupação e possíveis alternativas foram amplamente discutidas e, posteriormente, na cidade de Kioto, firmou-se entre alguns países metas para redução de CO2 na atmosfera (PPCS, 2008). Para se atingir tais metas de redução de poluentes, sem comprometer os atuais níveis de conforto propiciado às pessoas pela energia elétrica, os níveis de produção industrial e crescimento econômico, torna-se imprescindível a utilização de fontes alternativas de energia. A produção e comercialização de produtos que utilizam energias renováveis dependem em grande parte de ações governamentais que estimulem as pessoas a se informarem dos benefícios econômicos e ambientais que elas terão ao adquirí-los. No Brasil, um exemplo, é o selo PROCEL, citado no “Plano de Ação para Produção e Consumo Sustentáveis” (PPCS) do Governo Federal, que objetiva mostrar ao consumidor, no ato da compra, que produtos apresentam os melhores índices de eficiência energética. (PPCS, 2008) Entretanto, ainda é bastante modesta, em todo planeta, a intervenção dos governos em favor da utilização de energias alternativas. Na falta de organismos oficiais para estimular a sustentabilidade energética, surgem às entidades não-governamentais para tentar suprir esta falta. A USGBC (“United States Green Building Council”), entidade não governamental, é um exemplo de ação eficaz em favor da sustentabilidade energética. Ela avalia e concede “A certificação de Edifícios Verdes, que desenvolveu um sistema de classificação chamado LEED (“Leadership in Energy and Environmental Design”), mundialmente aceito e reconhecido. O comitê LEED® esta dividido em cinco subcomitês temáticos, entre eles há um que avalia Energia e Atmosfera. “Estes subcomitês analisam os critérios adotados pelo LEED e apresentam uma sugestão de adaptação que venham a julgar necessária.” No Brasil, o órgão autorizado pela USGBC para realizar a “Certificação de Edifícios Verdes” é a Green Building Brasil. Na tabela 1, tem-se a comparação entre Brasil e Mundo no que se refere a matriz energética. Tabela 1 - Fonte: Agencia Internacional de Petróleo e Ministério das Minas e Energia. Além de abordar conceitos relacionados à energia, o presente artigo buscou estudar, analisar e verificar a eficiência em relação à utilização de dispositivos que transformam energia mecânica em energia elétrica através de aparelhos de ginástica em conjunto com dínamos. Será possível gerar energia elétrica através de um aparelho de ginástica? O que essa energia trará de benefícios? Entre outras, estas são algumas questões discutidas neste projeto. 2. Revisão Bibliográfica Neste capítulo será apresentada toda a fundamentação teórica que possibilita o desenvolvimento do projeto apresentado, visando uma melhor compreensão do mesmo. A qualidade de vida de uma sociedade está intimamente ligada ao seu consumo de energia. O crescimento da demanda energética mundial em razão da melhoria dos padrões de vida nos países em desenvolvimento traz a preocupação com alguns aspectos essenciais para a política e planejamento energético de todas as economias emergentes (GOLDEMBERG et al, 2003). Nas últimas décadas a segurança no suprimento de energia está associada às perspectivas de esgotamento das reservas de petróleo nas próximas décadas e a elevação dos preços de mercado dos combustíveis fósseis em conseqüência de problemas políticos e sociais nas principais regiões produtoras. 2 Fatores ambientais também podem reduzir a segurança energética como, por exemplo, a ocorrência de longos períodos de estiagem que afetam a produtividade da biomassa e a geração hidroelétrica (GELLER, 2003). Recentemente, o interesse por geração distribuída tem aumentado consideravelmente em razão da reestruturação do setor de energia elétrica, necessidade de aproveitamento de diferentes fontes primárias de energia, avanços tecnológicos e maior conscientização sobre conservação ambiental (CIGRÉ et CIRED, 1999). 2.3 Potência P= τ ∆t Figura 1 – Fonte: Alvarenga e Máximo (1997). Defini-se potência pela razão entre o trabalho realizado por um corpo e o tempo gasto para realizá-lo. A unidade SI de potência é o watt. Um watt é igual a 1 Newton-metro por segundo (Nm/s). Pode-se multiplicar a quantidade de torque em Newton-metros pela velocidade de rotação, a fim de encontrar a potência em watts. Outra maneira de pensar em potência é vê-la como uma unidade de velocidade (m/s) combinada com uma unidade de força (N). Ao empurrar um objeto com uma força de 1 N, a uma velocidade de 1 m/s, a potência é igual a 1 watt. 2.1 Transformação Mecânica em Elétrica: de Energia Há uma grande variedade de aparelhos que utilizam circuitos elétricos, como televisores, celulares e computadores. Para tanto, é necessária a aplicação de uma força eletromotriz (f.e.m.), produzindo assim, uma corrente elétrica nestes circuitos, tomando como fonte uma bateria. No entanto, na maioria destes equipamentos a fonte de f.e.m. não é uma bateria, mas sim uma usina geradora de energia elétrica. Tal usina produz energia elétrica mediante a conversão de outras fontes de energia em energia elétrica. Sendo possível graças a um campo magnético variável, podendo induzir uma corrente elétrica em um condutor. As correntes e tensões causadas por campos magnéticos variáveis são denominadas correntes induzidas e tensões induzidas (SCOLFARO et al, 1986). 2.4 Leis de Lenz e de Faraday Segundo B. Alvarenga e A. Máximo (1997) sabe-se que a produção de corrente elétrica requer o consumo de alguma outra forma de energia. Até a época de Faraday, porém, somente a energia química era transformada em energia elétrica, de maneira aproveitável, a partir de pilhas ou baterias. Tal processo era insuficiente para produzir grandes quantidades de energia elétrica, como, por exemplo, para iluminar cidades ou alimentar indústrias. Em 1831, Faraday descobriu o fenômeno da Indução Eletromagnética, que tornou possível a construção dos dínamos. Estes, por sua vez, o surgimento das usinas hidrelétricas, termoelétricas, geotérmicas, eólicas e nucleares. Também chamada de Lei da indução Eletromagnética. A lei de Faraday-Lenz enuncia que a força eletromotriz induzida num circuito elétrico é igual a variação do fluxo magnético conectado ao circuito. É importante notar que um campo magnético constante não dá origem ao fenômeno da indução. Por esta razão, não é possível colocar um magneto no interior de um solenóide e obter energia elétrica. É necessário que o magneto ou o solenóide movam-se, consumindo energia mecânica. 2.2 Conservação de Energia Pode-se definir a energia mecânica de um sistema como a soma energia cinética e a energia potencial. É muito comum dizermos que há “perda de energia” em sistemas não-conservativos ou dissipativos e a energia mecânica, nesse caso, não se conserva. No entanto, a energia sempre se conserva, o que ocorre, portanto, é a transformação de energia cinética ou potencial em energia térmica, sonora, química ou em outras formas. A energia térmica, por exemplo, é a energia cinética associada ao movimento dos átomos ou moléculas que constituem um objeto. Assim, ao “perder energia” em uma parte do sistema, estaremos “ganhando energia” em outra parte, que no caso da energia térmica, pode ser verificada pelo aumento de temperatura do objeto. (FEYNMAN, 1975). 3 Por esse motivo que um transformador só funciona com corrente alternada. A lei é de natureza relativística, portanto o seu efeito é resultado do movimento do circuito em relação ao campo magnético (HALLIDAY et al, 1996), conforme figura 2: 3. Materiais e Métodos 3.1 Metodologia da pesquisa Quanto ao caráter, o trabalho é do tipo qualitativo, uma vez que propõem novas perspectivas sobre o uso de equipamentos para transformação de energia mecânica em energia elétrica e melhor aproveitamento da mesma. Quanto aos fins, o trabalho é do tipo explicativo, pois dentro do conteúdo foi explicado como é o processo de transformação de energia, demonstrando o método utilizado e por que se trata de uma fonte alternativa de energia. O trabalho foi elaborado a partir da coleta de dados em livros, revistas, sites confiáveis e monografias pertinentes. Com isto, foi possível fundamentar e comprovar as afirmações feitas anteriormente. De acordo com o propósito da pesquisa, que é estudar e qualificar os processos que ocorrem durante a transformação de energia mecânica em elétrica, o presente trabalho foi elaborado da seguinte maneira: - Estudo e revisão da literatura sobre os processos de transformação de energia e de formas alternativas de obtenção e armazenamento das mesmas; - Identificação e compreensão de dispositivos alternativos geradores de energia; - Desenvolvimento de um protótipo alternativo para transformação de energia mecânica em elétrica. Figura 2 - A experiência de Faraday. O movimento do íma através do núcleo da bobina induz corrente elétrica nos fios. Segundo o Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas, existem diferentes tipos de geradores que convertem energia mecânica em elétrica, dentre eles podemos citar: - Gerador Síncrono - essa máquina é capaz de converter energia mecânica em elétrica quando operada como gerador e energia elétrica em mecânica quando operada como motor. Geradores síncronos são utilizados em todas as usinas hidrelétricas e termelétricas. - Gerador de indução ou Gerador Assíncrono Motor de indução é um motor elétrico construído de tal maneira que se têm dois campos magnéticos girantes. Este tipo de motor quando acionado por uma turbina e operando com uma rotação acima da síncrona pode gerar potencia ativa e entregá-la ao sistema onde está conectado. O tipo mais comum de gerador elétrico é o dínamo. Ele depende da indução eletromagnética para converter energia mecânica em energia elétrica. 3.2 Protótipo: Materiais utilizados para elaboração do protótipo: - bicicleta ergométrica; - celular; - dínamo 12V; - regulador de tensão 5V; - fios e cabos; - retificador de ondos (4 diodos 1N4007); - capacitor 0,33 uF; - suporte para dínamo; - circuito retificador de ondas. Foi acoplado à bicicleta ergométrica o dínamo, com auxilio do suporte. O dínamo foi conectado, através de fios condutores, a um circuito elétrico, composto de um retificador de ondas e um regulador de tensão, que, por sua vez, foi conectado a um aparelho de telefone celular. 4 2.5 Dínamo Segundo B. Alvarenga e A. Máximo (1997), um dínamo é constituído, basicamente, por uma espira que gira dentro de um campo magnético. O movimento da espira provoca uma variação do fluxo magnético através dela e uma f.e.m (força eletromotriz) é induzida na espira, gerando corrente elétrica. Durante uma meia-volta da espira, o fluxo magnético através dela aumenta, e ao realizar a meia-volta posterior, o fluxo diminui. Tal fato faz com que a corrente induzida apareça, ora em um sentido, ora em sentido contrário. A este tipo de corrente elétrica denomina-se corrente alternada. As formas de ondas produzidas pelo dínamo apresentam apenas uma fase, por isto foi construído e adaptado um circuito retificador de ondas para a formação de ondas completas. Devido a instabilidade da tensão produzida pelo dínamo foi adaptado o regulador de tensão. Abaixo, na figura 3, esquema do circuito completo: 6. Conclusão O protótipo teve um funcionamento satisfatório. Na elaboração do experimento, foram utilizados materiais de baixo custo, o que tornou viável a construção do mesmo. Na continuidade do projeto, o protótipo será disponibilizado para a apresentação e demonstração em academias de Belo Horizonte. Depois de amplamente adotado, também em residências, clubes e outros estabelecimentos destinados às práticas esportivas, contribuirá, mesmo que em pequena escala, para sustentabilidade energética e, conseqüentemente, para renovação da matriz energética mundial. Também reafirmará que “qualidade de vida, desenvolvimento econômico e sustentabilidade podem caminhar juntos”. “Sustentabilidade” tem sido a tônica de ações publicitárias em todo mundo, tanto dos governos quanto da iniciativa privada. Perceberam que o “marketing Verde” tem grande aprovação da sociedade. Entretanto, na prática, a renovação da matriz energética mundial ocorre a “passos lentos”. A humanidade precisa se sensibilizar quanto à possibilidade de escassez energética em um futuro próximo e destinar, em caráter de urgência, recursos suficientes para o desenvolvimento e adoção de energias alternativas, limpas e renováveis, considerando retorno a médio longo prazo. A figura 4, abaixo, ilustra a exploração de recursos naturais no “Planeta Terra” pelos “Seres-Humanos”. Figura 3 – Fonte: “Circuito Retificador de Meia Onda”, Santos, R. B. (2009). 5. Resultados Experimentais Após a montagem do protótipo, a partir de experimentações e cálculos foi possível concluir que: uma pessoa pedalando em uma bicicleta ergométrica consegue produzir energia suficiente para alimentar aparelhos como rádio, celulares, lâmpadas e pequeno televisores. A capacidade máxima atingida no experimento foi de 6 Watts e 12 volts. Essa capacidade também pode ser representada em valores econômicos. Se uma pessoa trocar, por exemplo, sua esteira elétrica pelo protótipo apresentado, em uma hora de “pedalada” todos os dias, no decorrer de um mês, ela deixaria de gastar 52kw/mês e ainda geraria um total de 180w, que, em reais, soma um valor aproximado de R$ 19,50. O experimento propõe a inserção do projeto em uma academia com uma média de 10 esteiras elétricas e uso diário de 10h. Sendo assim, seu gasto mensal teria uma redução de aproximadamente R$ 1.950,00 e os valores gerados em energia representariam R$ 20,00. Esses valores, numa escala maior, podem representar uma economia significativa de fontes energéticas que não são sustentáveis e, conseqüentemente, uma redução de impactos ambientais. Figura 4 - Fonte: Ministério do Meio Ambiente. Plano de Ação para Produção e Consumo Sustentáveis (2010). 5 7. Referência Bibliográfica ALVARENGA, B. A.; MÁXIMO, A. R. L. (1994). Curso de Física, Vol.3, 3ª edição, 1297-1299. CIGRÉ Working Group 37.23 1999. Impact of increasing contribution of dispersed generation on the power system, Technical report, CIGRÉ. CIRED Working Group 4 1999. Dispersed generation, Technical report, CIRED. CERPCH - Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas. Geradores. Revista 45. Ano 12. Abr-Mai-Jun 2010 Disponível em: www.cerpch.unifei.edu.br/geradores.php Acesso em: 17 nov 2009. MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE. 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