FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA. PRIMEIRA SÉRIE DO ENSINO MÉDIO Turma: Grupo H

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1 FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA PRIMEIRA SÉRIE DO ENSINO MÉDIO Turma: Grupo H Projeto reconstrução de uma experiência do MCT-PUC ENERGIA EÓLICA Diego Pacheco dos Reis (06) Guilherme Silva dos Santos (11) Lucas Gums (20) Patrick Cristiano da Silva de Oliveira (28) Novo Hamburgo, maio 2008

2 SUMÁRIO SUMÁRIO Introdução Este relatório tem como finalidade demonstrar tudo o que nós já fizemos sobre o nosso projeto sobre energia eólica, suas utilidades suas formas de armazenagem e como ela esta sendo utilizada hoje, entre muitas outras coisas. O mundo de hoje vive um grave problema com a energia utilizada. Cada vez mais cientistas buscam achar fontes de energia renováveis que não prejudiquem o meio ambiente. E por isso o grupo escolheu esse projeto, para entender mais o que a energia eólica. Iremos fazer um pequeno cata-vento para que a gente aprenda um pouco. Visaremos muito à utilidade deste relatório, para que o leitor tenha como entender o que energia eólica Estamos acompanhando e anotando tudo no nosso caderno de campo, ele esta servindo como base para este relatório.

3 Pequena ilustração do início do projeto. Fundamentação teórica Aqui iremos colocar todas as paráfrases que o Profº Luiz André Mützenberger nos colocou para fazer. 2.1 Trabalho e energia De todos os conceitos da ciência, talvez o mais central seja a energia. A energia combinada com a matéria é o que forma o universo, o que é fácil de compreender. Matéria é tudo aquilo que podemos ver, tocar e cheirar, já a energia é o que movimenta a matéria, mas é abstrato, não podemos ver, tocar ou cheirar. Energia é algo difícil de definir, pois não é apenas uma coisa, mas sim uma coisa e um processo juntos. Não vemos energia, só sentimos se efeito. Assim como quando recebemos energia do sol, sentimos em forma de energia térmica, nos esquentando Trabalho, potência e rendimento Um objeto pode armazenar energia dependendo de sua posição a um outro objeto, esta energia é chamada de energia potencial, por que desse jeito o objeto tem potencial para

4 realizar o trabalho. Assim como uma mola esticada, ele tem energia por que está esticada, se estivesse largada, estaria sem potencial para fazer qualquer trabalho. A energia gerada a partir de combustíveis também e potencial, devido as posições doa átomos relativos as moléculas. Essa energia é liberada quando os átomos são rearranjados, ou seja, quando ocorreu transformação química. É preciso fazer força para que um objeto seja erguido na atmosfera terrestre devido á gravidade, o que é chamado de força potencial gravitacional. O martelo de uma bateestaca possui energia, pois é primeiramente erguido para depois ser solto e bater na estaca. Essa energia é medida através da seguinte fórmula: Energia gravitacional= peso x altura Energia mecânica Para erguer o peso de um martelo de um bate-estaca, é necessário realizar trabalho, o que possibilita que o martelo adquira a propriedade de exercer trabalho sobre a estaca abaixo, caindo sobre ela. Nesta situação, o martelo ganhou energia para realizar o trabalho que foi definido, caindo sobre a estaca, exercendo força continua Energia utilizada no mundo A demanda global por energia aumentou nos últimos 150 anos, acompanhando o desenvolvimento industrial e o crescimento populacional. Especialistas prevêem que a sede por energia deve continuar a crescer em ao menos 50% até As maiores fontes da energia mundial são o carvão, o petróleo e o gás natural. No entanto, essas são fontes que um dia vão se esgotar. Nas últimas décadas, também tem aumentado a preocupação sobre o impacto ambiental desses combustíveis. Especialistas em clima alertam que as emissões de gases do efeito estufa, criados pela queima de combustíveis fósseis e por outras atividades humanas, precisam ser reduzidas

5 substancialmente para evitar mudanças climáticas perigosas. A pressão para substituir os combustíveis fósseis colocou em evidência as chamadas fontes renováveis de energia - como, por exemplo, o Sol e os ventos. Mas elas também enfrentam desafios: as tecnologias viáveis ainda estão se desenvolvendo, e os custos de instalação tendem a ser altos. Essas fontes de energia não devem conseguir uma fatia muito significativa do mercado dentro dos próximos 25 anos. No Brasil essa realidade de custos e otimização de tecnologia pode ser revista no quesito energia renovável, desde que haja uma política clara e evidente junto ao setor de geração de energia limpa. É necessária que o governo brasileiro acredite em seus cientistas e profissionais do setor para dar início a jornada de energia hidrelétrica de baixas quedas, com tecnologia nuclear na geração de energia elétrica através da força das águas Fontes de energias alternativas Luz solar Nas últimas três décadas, o aproveitamento da energia solar para aplicações diversas tem sido bastante destacado, especialmente em países tropicais e subtropicais, como o Brasil, que dispõem de condições excelentes de radiação solar ao longo do ano. O uso direto da energia solar tem três atrativos principais: primeiro, sua capacidade de renovação, menos impacto ambiental e a terceira é a viabilidade de aplicação junto às fontes consumidoras, o que elimina a necessidade de transporte através de grandes distâncias. O uso direto da energia solar pode ser feito de duas formas: como fonte de luz e calor ou para produção de eletricidade. A maneira mais utilizada é converter a energia solar diretamente em energia elétrica, utilizando células fotovoltaicas revestidas de semicondutores que, ao absorver luz, produzem uma pequena corrente elétrica.

6 Devido aos elevados custos de fabricação e manutenção, a utilização dessas células não oferece vantagem para extenso uso comercial, a não ser em pequenas usinas elétricas em regiões muito distantes de geradoras hidro ou termoelétricas. Atualmente, existem projetos de produção de eletricidade via satélite, captando e convertendo a energia solar, por meio de grandes painéis ao redor do planeta, em eletricidade que será transmitida para a Terra por microondas. Pilhas Combustíveis Devido à alta eficiência e as baixíssimas emissões de ruído e poluentes, a aplicação de pilhas combustível para geração de energia elétrica e propulsão de veículos pode vir a ser um dos grandes avanços tecnológicos da próxima década. As pilhas combustíveis convertem a energia química de um combustível em eletricidade na forma de corrente contínua. Apesar de terem concepção teórica conhecida desde do século XIX, as pilhas combustíveis não tiveram desenvolvimento comercial até 1950 devido a problemas com materiais e ao conhecimento científico limitado sobre as reações eletroquímicas necessárias. Fontes de energias convencionais Hidroelétricas A energia primária da água é a energia potencial gravitacional, que antes de se tornar energia elétrica, deve ser convertida em energia cinética de rotação. Quem realiza todo esse processo de conversão é a usina hidrelétrica, que é um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica. No Brasil, devido a grande quantidade de rios, a utilização das hidrelétricas como forma de geração de energia é responsável pela maior parte da energia consumida no Brasil. O Brasil possui juntamente com o Paraguai, a maior usina hidrelétrica do mundo, a usina de Itaipu. Petróleo

7 O Petróleo existe na Terra nos estados sólido, líquido e gasoso. Era conhecido e usado pelos povos mais antigos, sobretudo na forma de betume, que servia para muitas coisas, entre as quais construir estradas e calafetar embarcações. Ganhou importância no mundo moderno quando substituiu o óleo de baleia na iluminação pública das cidades européias. È hoje a maior utilização de energia no mundo. Mas esta sendo contestado cada vez mais pelos autos índices de poluição causados por ele. Mesmo sendo tão poluente ninguém pensa em parar de usá-lo, pensam somente no lucro de dinheiro e não no futuro do planeta Energia eólica A energia do vento foi empregada desde a antiguidade para mover navios á vela e moinhos. Ultimamente, após mais de um século de consumo fácil, quase nos tínhamos se esquecido dela. Hoje com o fim da abundancia de petróleo e carvão, volta-se a falar nesta forma de energia, só que de uma maneira diferente, voltada a eletricidade. O uso de cata-ventos horizontais difundiu-se pelo mundo islâmico após a conquista do Islã pelos Árabes. No século XVII, a Holanda tornou-se uma nação industrial utilizando da energia eólica em moinhos e navios. Somente na Alemanha, Np século XIX já funcionavam moinhos enquanto em outros países da Europa, funcionavam moinhos. O formato dos moinhos sofreu varias alterações durante sua existência, variando de 3 até 32 pás, com velas de pano ou madeira, conforme a região e a utilidade. Os moinhos de vento eram primeiramente utilizados para circular a água e acionar moendas. Na Dinamarca, em 1880, Lacourt utilizou pela primeira vez para produzir eletricidade, sendo produzida naquela época 9KW de eletricidade. Atualmente, existem vários tipos de aerogeradores que produzem mais de 1MK de potência. Estes cataventos gigantes são instalados em torres com mais de 30m de altura, com hélices de lâminas de mais de 50m de diâmetro. Na região de Cabo Frio, existem salinas em que a água do mar é bombeada por moinhos de vento. A energia eólica também é utilizada para mover barcos e navios. Existem vários indícios de que Wikins vieram para o continente americano com embarcações á vela, os

8 egípcios navegaram com barcos movidos a vento, os índios pré-incaicos atravessaram o lago Titica com balsas com vela, as caravelas de descobertas do Brasil eram movidos a vento. As inovações dessas embarcações permitiram aos portugueses o domínio da navegação marítima por longos tempos. Temos ainda esportes atuais movidos a vento, como o Wind - surf e a asa-delta. O cata-vento converte a energia dos ventos em energia mecânica, que é transformada em outros tipos de energia conforme a sua utilização. Podem ser empregados para extrair água de poços, irrigação, moinhos de cereais, produção de energia elétrica, para mover maquinas têxteis... Os cata-ventos e os aerogeradores podem ser com eixo vertical e rotação perpendicular ao solo e com eixo horizontal e eixo de rotação paralelo ao solo. Com eixos verticais, operam independentemente da direção dos ventos enquanto que os de eixo horizontal necessitam de leme, para direcionar, conforme as variações do vento. A incidência de vento nas pás deve ser de forma perpendicular, para maior aproveitamento da energia cinética. A eficiência do cata-vento e definida com a razão extraída do vento pela potencia contida no vento e de outras fórmulas, pode-se calcular o aproveitamento máximo de um cata-vento, explorando a energia da melhor maneira possível. Os moinhos devem ser construídos afastados do chão, para seu melhor aproveitamento, por que a velocidade do vento aumenta com a altura. Outro fator que determina a eficiência da energia é o desenho das pás. A energia produzida depende da variabilidade do vento, havendo necessidade de armazenamento de energia, para ocasião de dias com menos vento. Pode-se transformar a energia mecânica das rotações em energia potencial de água, bombeando água para um reservatório, enquanto tiver vento, para utilizar-se numa turbina hidráulica, posteriormente ou ainda pode-se utilizar um acumulador elétrico Calculo da potência Como calcular a potencia de um cata-vento, sendo que sua pá 40m de raio, a velocidade do vento seja 10m/s e a eficiência global seja de 15%. Solução: a área da seção reta da hélice é dada por:

9 A= π x r² = π(40)²= 5,0 x 10³m² Se pudéssemos aproveitar 100 da energia do vento, a potencia do cata-vento seria de: Pmáx= 1/2p x A x V³ = (1,2Kg/m³)x(5, x 10³m²) x (10m/s)³ = 3,0 X 10³+³W= 3,0 MW Podendo-se usar apenas 15% da energia do cata-vento, a potencia seria de ; P=0,15 x Pmáx= 0.45 MW Comparando com um gerador eólico com uma turbina a vapor, a turbina a vapor tem uma potencia de ordem de 16 w, para produzir esta mesma potência com gerador eólicos, seriam necessários aproximadamente deles, o que desvaloriza a produção de geradores eólicos Tipos de hélices A função da hélice é transferir a potência do vento para o gerador produzindo corrente. Se não for feita uma seleção adequada da hélice, provavelmente o desempenho, isto é, a eficiência será prejudicada. Conhecer o seu princípio de funcionamento é de fundamental importância para a instalação do conjunto do motor. Aqui estão representados quatro tipos de cata-ventos

10 A conversão é feita pelos geradores elétricos, que nada mais são do que motores elétricos que ao girarem em torno de seus eixos induzem (pela lei de Faraday) uma corrente elétrica em seus pólos. Os geradores podem ser basicamente dos tipos "AC" ou "DC", se converterem a energia para a forma de corrente alternada ou contínua. Nos tipos de geradores de corrente contínua, a energia é convertida, como o nome já indica para a forma direta ou contínua de corrente elétrica e carrega uma bateria que acumula esta energia para uso posterior. Esta forma de conversão é um pouco incômoda, pois requer um banco relativamente grande de baterias para que se possa ter uma quantidade de energia razoável num determinado lugar, além disto, os utensílios domésticos e a maioria dos aparelhos eletrônicos são projetados para funcionar ligados a corrente alternada devido às facilidades de transporte que esta maneira proporciona. Assim, nos sistemas em que se usam geradores de corrente contínua, é necessário que se tenha ligado juntamente ao sistema um inversor para que se possam utilizar diretamente aparelhos elétricos. Já os geradores de corrente alternada (AC), geram a eletricidade, como o nome diz, na forma de corrente alternada e pode ser usado diretamente nos nossos aparelhos elétricos e eletrônicos do dia a dia. Existe, porém dois inconvenientes deste tipo de produção de eletricidade: o primeiro é que não se é possível estocar energia na forma de corrente alternada, tendo que retificála por meio de diodos, por exemplo, para a forma contínua e armazená-la em bancos de baterias; o segundo inconveniente é que os geradores de corrente alternada geram correntes em freqüências que variam com a velocidade de giro do rotor, e como os ventos variam muito, as freqüências geradas pelo gerador também variam muito; para controlar este problema, visto que nosso sistema de energia tem que estar em torno de 60 Hz, é preciso ligar ao sistema um dispositivo que mantenha a freqüência em torno dos desejados 60 Hz; este dispositivo é chamado de inversor síncrono. 2.4 Teorias do funcionamento do protótipo Impactos ambientais A energia eólica é utilizada em varias partes do mundo, porque é uma fonte renovável de energia.

11 Apesar de não conseguirmos utilizar toda a capacidade de um cata-vento podemos conseguir uma pequena porção da sua capacidade, já é um grande avanço. A forma mais comum de se conseguir energia eólica é pelo cata vento. Existem vários tipos de cata vento, cada tem um jeito diferente, pois extrai a energia um pouco diferente. Alguns tipos de cata-ventos são: cata-vento tradicional, Turbina eólica, cata-vento de Darrieus e rotor de Savônius. A busca pela energia eólica se deve aos impactos ambientais causados pelas energias convencionais, que são as mais utilizadas no mundo. O grupo acredita depois das pesquisas, que a energia eólica pode ser a mais utilizada daqui a alguns anos. Com novas pesquisas surgindo e cada vez mais alguns cientistas buscando fontes de energia que não causem impactos ambientais também acreditam nisso. Assim nosso futuro pode ser mais limpo, e que a natureza nos ajude e casualmente a gente ajude ela a sobreviver aos impactos. Protótipo Os cata-ventos convertem energia mecânica em energia elétrica através de aerogeradores. Para ter o melhor desempenho, os cata-ventos devem estar perpendicularmente ao chão. Suas pás devem ter inclinação de 15 em relação ao eixo. É preciso também varias pás acopladas no eixo para que possam aproveitar melhor a energia eólica. Os motores devem produzir correntes continua, pois armazenam a mesma assim acumulando energia.

12 3-Desenvolvimento Mostraremos a montagem do nosso protótipo. Construiremos um cata-vento pequeno, caseiro com finalidade de ligar um led. 3.1 Montagem do projeto Inicio da construção do projeto. Materiais utilizados para a construção do protótipo: Uma madeira de 40 x 30 cm Um motor de carrinho simples Um chapa de plástico dura Um led Seis fios elétricos de condução Cola quente

13 Multímetro Cooler Construção: Começamos cortando as hélices para colar no motor. Colocamos o motor na base horizontal. Grudamos os fios de condução na saída de energia e colocamos nas pernas do led. Pegamos um ventilador e ligamos, tivemos sucesso na locomoção das hélices. Com a força do vento as hélices não giravam o suficiente para ligar um led. Montamos mais um cata-vento para que a tensão saída dos motores chegasse a 1,5W que é a energia mínima para ligar um led. No final, com os dois motores o grupo conseguiu ligar o led Ajustes do experimento Tivemos que fazer três ajustes no protótipo. A primeira foi que o gripo havia invertido os pólos, e a tensão que a gente media era negativa, assim sendo impossível ligar o led. No segundo ajuste, vimos que as hélices eram muito utilizavam toda a capacidade do ar. Montamos novas hélices de tamanho maior. No ultimo erro vimos que mesmo com as hélices grandes o motor não produzia a energia suficiente para ligar o led. Ela produzia 0.9 W e o necessário seria 1.5 W. Construímos mais um cata-vento com mesmas proporções. 3.3 Realização do protótipo

14 3.4 Análises de dados Observamos que com as hélices maior obtivemos mais rendimento do motor em relação as menores. Elas sofrem mais atrito com o ar girando mais rápido. Assim o motor gera mais energia. Quanto mais rápido for o ar mais energia se gera. Conclusão O grupo gostou muito de realizar o projeto, aprendemos um pouco mais sobre a energia eólica.

15 Observamos que ela já era usada há muito tempo, desde as grandes navegações até hoje utilizada na transformação de energia mecânica em elétrica, mas vem se aperfeiçoando conforme a sua necessidade. A energia eólica é uma alternativa de energia renovável, mas seu preço alto prejudica a sua expansão. A construção do protótipo foi realizada com sucesso, conseguimos atingir o objetivo, ligar o led. Para o terceiro trimestre queremos aperfeiçoar a construção do cata-vento. Referencias bibliográficas

16 Agência Internacional de Energia (IEA). (2000). Experience Curves for Energy Technology Policy. Disponível em: < Acesso em: 28 de julho de HEWITT, Paul.G Física Conceitual.9ª Ed. Porto Alegre: Book man (cap 7. Energia.p ) HODGES, Laurent. Fontes de energia. Em TIPLER, Paul A. Física 1ª. 2ª Ed. Rio de Janeiro. Guanabara Dois p OKUNO, Emico; CALDAS, Ibêre L. & Chow, Cecli. Física para Ciencias biológicas e biomédicas. São Paulo: Harper & Row (ponto Energia Eólica p ) Aldabó, Ricardo. Energia solar. Artliber editora, São Paulo, 2002 Shayani, Rafael Amaral et Marco Aurélio Gonçalves de Oliveira et Ivan Marques de Toledo Camargo. Comparação do Custo entre Energia Solar Fotovoltaica e Fontes Convencionais in V Congresso Brasileiro de Planejamento Energético, Brasília, 2006.

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