CURSO TÉCNICO DE ELETRÔNICA ELETRICIDADE 4 MÓDULO

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1 CURSO TÉCNICO DE ELETRÔNICA ELETRICIDADE 4 MÓDULO 2011

2 Sumário 1 Geração de Energia Elétrica Energia Eólica Energia nuclear Energia solar Tipos de energia solar Vantagens e desvantagens da energia solar Vantagens Desvantagens Energia solar no mundo Evolução da energia solar fotovoltaica Termoelétrica Energia Hidroelétrica Vantagens Desvantagens Luminotécnica Conceitos básicos Luz e cores Fluxo Luminoso Eficiência Energética Eficiência de luminária (rendimento da luminária) Eficiência do Recinto Fator de Utilização Nível de Iluminância Intensidade Luminosa Curva de distribuição luminosa Luminância... 18

3 1 Geração de Energia Elétrica Energia Eólica Na atualidade utiliza-se a energia eólica para mover aerogeradores - grandes turbinas colocadas em lugares de muito vento. Essas turbinas têm a forma de um catavento ou um moinho. Esse movimento, através de um gerador, produz energia elétrica. Precisam agrupar-se em parques eólicos, concentrações de aerogeradores, necessários para que a produção de energia se torne rentável, mas podem ser usados isoladamente, para alimentar localidades remotas e distantes da rede de transmissão. É possível ainda a utilização de aerogeradores de baixa tensão quando se trate de requisitos limitados de energia elétrica. A energia eólica é hoje considerada uma das mais promissoras fontes naturais de energia, principalmente porque é renovável, ou seja, não se esgota. Além disso, as turbinas eólicas podem ser utilizadas tanto em conexão com redes elétricas como em lugares isolados. Em 2005 a capacidade mundial de geração de energia elétrica através da energia eólica era de aproximadamente 59 gigawatts, - o suficiente para abastecer as necessidades básicas de um país como o Brasil - embora isso represente menos de 1% do uso mundial de energia. Em alguns países, a energia elétrica gerada a partir do vento representa significativa parcela da demanda. País Alemanha EUA Espanha Índia Resto do Mundo

4 4 MW % 23,6 17,9 16,1 8,5 13,8 A energia eólica é renovável, limpa, amplamente distribuída globalmente, e, se utilizada para substituir fontes de combustíveis fósseis, auxilia na redução do efeito estufa. O custo da geração de energia eólica tem caído rapidamente nos últimos anos. A maioria das formas de geração de eletricidade requerem altíssimos investimentos de capital e baixos custos de manutenção. Isto é particularmente verdade para o caso da energia eólica, onde os custos com a construção de cada aerogerador podem alcançar milhões de reais, os custos com manutenção são baixos e o custo com combustível é zero. Na composição do cálculo de investimento e custo nesta forma de energia levam-se em conta diversos fatores, como a produção anual estimada, as taxas de juros, os custos de construção, de manutenção, de localização e os riscos de queda dos geradores. Sendo assim, os cálculos sobre o real custo de produção da energia eólica diferem muito, de acordo com a localização de cada usina. 1.2 Energia nuclear Energia nuclear consiste no uso controlado das reações nucleares para a obtenção de energia para realizar movimento, calor e geração de eletricidade. Alguns isótopos de certos elementos apresentam a capacidade de, através de reações nucleares, emitirem energia durante o processo. Baseia-se no princípio (demonstrado por Albert Einstein) que nas reações nucleares ocorre uma transformação de massa em

5 energia. A reação nuclear é a modificação da composição do núcleo atômico de um elemento, podendo transformar-se em outro ou em outros elementos. Esse processo ocorre espontaneamente em alguns elementos; em outros deve-se provocar a reação mediante técnicas de bombardeamento de nêutrons ou outras. Existem duas formas de aproveitar a energia nuclear para convertê-la em calor: A fissão nuclear, onde o núcleo atômico se subdivide em duas ou mais partículas, e a fusão nuclear, na qual ao menos dois núcleos atômicos se unem para produzir um novo núcleo. A fissão nuclear do urânio é a principal aplicação civil da energia nuclear. É usada em centenas de centrais nucleares em todo o mundo, principalmente em países como a França, Japão, Estados Unidos, Alemanha, Brasil, Suécia, Espanha, China, Rússia, Coreia do Norte, Paquistão e Índia, entre outros. A principal vantagem da energia nuclear obtida por fissão é a não utilização de combustíveis fósseis, não lançando na atmosfera gases tóxicos, e não sendo responsável pelo aumento do efeito estufa. Os fatos históricos demonstram que as centrais nucleares foram projetadas para uso duplo: civil e militar. A primazia na produção de plutônio nestas centrais propiciou o surgimento de grandes quantidades de resíduos radioativos de longa vida que devem ser enterrados convenientemente, sob fortes medidas de segurança, para evitar a contaminação radioativa do meio ambiente. Atualmente os movimentos ecológicos têm pressionado as entidades governamentais para a erradicação das usinas termonucleares, por entenderem que são uma fonte perigosa de contaminação do meio ambiente. 1.3 Energia solar Energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa (e, em certo sentido, da energia térmica) 5

6 proveniente do Sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou mecânica. No seu movimento de translação ao redor do Sol, a Terra recebe W/m² de energia, medição feita numa superfície normal (em ângulo reto) com o Sol. Disso, aproximadamente 19% é absorvido pela atmosfera e 35% é refletido pelas nuvens. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta Tipos de energia solar Os métodos de captura da energia solar classificam-se em diretos ou indiretos: Direto significa que há apenas uma transformação para fazer da energia solar um tipo de energia utilizável pelo homem. Exemplos: A energia solar atinge uma célula fotovoltaica criando eletricidade. (A conversão a partir de células fotovoltaicas é classificada como directa, apesar de que a energia elétrica gerada precisará de nova conversão - em energia luminosa ou mecânica, por exemplo - para se fazer útil.) A energia solar atinge uma superfície escura e é transformada em calor, que aquecerá uma quantidade de água, por exemplo - esse princípio é muito utilizado em aquecedores solares. Indireto significa que precisará haver mais de uma transformação para que surja energia utilizável. Exemplo: Sistemas que controlam automaticamente cortinas, de acordo com a disponibilidade de luz do Sol. 6

7 1.4 Vantagens e desvantagens da energia solar Vantagens A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controles existentes atualmente. As centrais necessitam de manutenção mínima. Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável. A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão. Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética, sua utilização ajuda a diminuir a demanda energética nestes e consequentemente a perda de energia que ocorreria na transmissão Desvantagens Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de energia. Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação climatérica (chuvas, neve), além de que

8 durante a noite não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia. Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com frequente cobertura de nuvens (Curitiba, Londres), tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade. As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas por exemplo aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), a energia hidroelétrica (água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja). 1.5 Energia solar no mundo Em 2004 a capacidade instalada mundial de energia solar era de 2,6 GW, cerca de 18% da capacidade instalada de Itaipu. Os principais países produtores, curiosamente, estão situados em latitudes médias e altas. O maior produtor mundial era o Japão (com 1,13 GW instalados), seguido da Alemanha (com 794 MWp) e Estados Unidos (365 MW)[1]. Entrou em funcionamento em 27 de Março de 2007 a Central Solar Fotovoltaica de Serpa (CSFS), a maior unidade do género do Mundo. Fica situada na freguesia de Brinches, Alentejo, Portugal, numa das áreas de maior exposição solar da Europa. Tem capacidade instalada de 11 MW, suficiente para abastecer cerca de oito mil habitações. 8

9 Entretanto está projectada e já em fase de construção outra central com cerca de seis vezes a capacidade de produção desta, também no Alentejo, em Amareleja, concelho de Moura. Muito mais ambicioso é o projecto australiano de uma central de 154 MW, capaz de satisfazer o consumo de casas. Esta situar-se-á em Victoria e prevê-se que entre em funcionamento em 2013, com o primeiro estágio pronto em A redução de emissão de gases de estufa conseguida por esta fonte de energia limpa será de toneladas por ano. 1.6 Evolução da energia solar fotovoltaica A primeira geração fotovoltaica consiste numa camada única e de grande superfície de um diodo de junção p-n, capaz de gerar energia elétrica utilizável a partir de fontes de luz com os comprimentos de onda da luz solar. Estas células são normalmente feitas utilizando placas de silício. A primeira geração de células constituem a tecnologia dominante na sua produção comercial, representando mais de 86% do mercado. A segunda geração de materiais fotovoltaicos está baseada no uso de películas finas de depósitos de semi-condutores. A vantagem de utilizar estas películas é a de reduzir a quantidade de materiais necessários para as produzir, bem como de custos. Em 2006, existiam diferentes tecnologias e materiais semicondutores em investigação ou em produção de massa, como o silício amorfo, silício poli-cristalino ou micro-cristalino, telurido de cádmio, copper indium selenide/sulfide. Tipicamente, as eficiências das células solares de películas são baixas quando comparadas com as de silício compacto, mas os custos de manufactura são também mais baixos, pelo que se pode atingir um preço mais reduzido por watt. Outra vantagem da reduzida massa é o menor suporte que é necessário quando se colocam os painéis nos 9

10 telhados e permite arrumá-los e dispô-los em materiais flexíveis, como os têxteis. A terceira geração fotovoltaica é muito diferente das duas anteriores, definida por utilizar semicondutores que dependam da junção p-n para separar partículas carregadas por fotogestão. Estes novos dispositivos incluem células fotoelectroquímicas e células de nanocristais. 1.7 Termoelétrica Geralmente funciona com algum tipo de combustível fóssil como petróleo, gás natural ou carvão é queimado na câmara de combustão, com o ar que foi aumentado sua pressão através de um compressor axial anteposto a camara é interligada à turbina provinea mistura para a queima da combustão. A queima de carvão para obtenção de energia produz efluentes altamente tóxicos como por exemplo o mercúrio e outros metais como vanádio, cádmio, arsênio, chumbo, etc. 1.8 Energia Hidroelétrica É a forma de geração de energia mais utilizada no mundo, e principalmente em nosso país. Tem seu funcionamento baseados na força canalizada das águas, onde esse recurso natural é represado de forma que através de um condutor forçado existente numa usina hidroelétrica, essa agua com uma alta pressão de vazão consiga girar uma turbina transformando essa energia mecânica em energia elétrica. Essa fonte de energia se tornou bastante utilizada, já que em comparação a outras fontes de geração de energia essa se tornou a mais viável do ponto de vista custo/beneficio, ou seja, para 10

11 conseguirmos gerar a quantidade de energia fornecida hoje por uma determinada hidroelétrica, seria necessário grandes investimentos para se ter essa mesma energia na geração por energia solar, carvão ou eólica Vantagens A maior vantagem das usinas hidrelétricas é a transformação limpa do recurso energético natural. Não há resíduos poluentes. Há baixo custo da geração de energia. Além da geração de energia elétrica, o aproveitamento hidrelétrico proporciona outros usos tais como irrigação, navegação e amortecimentos de cheias. A água é um recurso renovável Desvantagens Impactos às populações indígenas e populações tradicionais, que terão suas terras inundadas. O alagamento gerará destruição da fauna e da flora. Abaixo da barragem, vai passar apenas um fio de água. A parte seca poderá se tornar um deserto. Os peixes são prejudicados principalmente na piracema, pois com a construção das barragens os impedem de subir e desovar. Mudanças no clima local. Aumento da erosão e perda de terras férteis. 11

12 2 Luminotécnica Conceitos básicos Luz é, portanto, a radiação eletromagnética capaz de produzir uma sensação visual e está compreendida entre 380 e 780 nm (Figs. 19 e 20). A sensibilidade visual para a luz varia não só de acordo com o comprimento de onda da radiação, mas também com a luminosidade. A curva de sensibilidade do olho humano demonstra que radiações de menor comprimento de onda (violeta e azul) geram maior intensidade de sensação luminosa quando há pouca luz (ex: crepúsculo, noite etc.), enquanto as radiações de maior comprimento de onda (laranja e vermelho) se comportam ao contrário. O olho humano possui diferentes sensibilidades para a luz. De dia nossa maior percepção se dá para o comprimento de onda de 550 nm, correspondente às cores amareloesverdeadas. E de noite, para o de 510 nm, correspondente às cores. 2.2 Luz e cores Há uma tendência em pensarmos que os objetos já possuem cores definidas. Na verdade, a aparência de um objeto é resultado da iluminação incidente sobre ele. Por exemplo, sob uma luz branca, a maçã aparenta ser de cor vermelha, pois ela tende a refletir a porção do vermelho do espectro de radiação, absorvendo a luz nos outros comprimentos de onda. Se utilizássemos um filtro para remover a porção do vermelho da fonte de luz, a maçã refletiria muito pouca luz, parecendo totalmente negra. Podemos ver que a luz é composta por três cores primárias. A combinação das cores vermelho, verde e azul permite obtermos o branco. (Sistema RGB: R=Red, G=Green, B=Blue). A combinação de duas cores primárias produz as cores secundárias - magenta, amarelo e ciano. As três cores primárias,

13 dosadas em diferentes quantidades, permitem obtermos outras cores de luz. Da mesma forma que surgem diferenças na visualização das cores ao longo do dia (diferenças da luz do sol ao meio-dia e no crepúsculo), as fontes de luz artificiais também apresentam diferentes resultados. As lâmpadas incandescentes, por exemplo, tendem a reproduzir com maior fidelidade as cores vermelha e amarela do que as cores verde e azul, aparentando ter uma luz mais quente. 2.3 Fluxo Luminoso Unidade: lúmen (lm). Fluxo Luminoso é a radiação total da fonteluminosa entre os limites de comprimento de onda mencionados (380 e 780m). O fluxo luminoso é a quantidade de luz emitida por uma fonte, medida em lúmens, na tensão nominal de funcionamento. É chamado também de pacote de luz Eficiência Energética Unidade: lm / W (lúmen / watt). As lâmpadas se diferenciam entre si não só pelos diferentes Fluxos Luminosos que irradiam, mas também pelas diferentes potências que consomem. Para poder compará-las, é necessário saber quantos lúmens são gerados por watt consumido. A essa grandeza dá-se o nome de Eficiência Energética (ou Rendimento Luminoso ). A figura 24 exemplifica as eficiências de alguns tipos de lâmpadas.

14 Como geralmente a lâmpada é instalada dentro de luminárias, o Fluxo Luminoso final disponível é menor do que o irradiado pela lâmpada, devido à absorção, reflexão e transmissão da luz pelos materiais com que são construídas as luminárias. 14 O Fluxo Luminoso emitido pela luminária é avaliado através da Efi ciência da Luminária (item 4.5.2). Isto é, o Fluxo Luminoso da luminária em serviço dividido pelo Fluxo Luminoso da lâmpada. 2.5 Eficiência de luminária (rendimento da luminária) Unidade: não tem. Razão do Fluxo Luminoso emitido por uma luminária, em relação à soma dos fluxos individuais das lâmpadas funcionando fora da luminária. Conforme figura abaixo.

15 15 Normalmente, esse valor é indicado pelos fabricantes de luminárias. Dependendo das qualidades físicas do recinto em que a luminária será instalada, o Fluxo Luminoso que dela emana poderá se propagar mais facilmente, dependendo da absorção e refl exão dos materiais e da trajetória que irá percorrer até alcançar o plano de trabalho. Essa condição mais ou menos favorável é avaliada pela Efi ciência do Recinto. Certos catálogos fornecem a Curva de Distribuição Luminosa junto à Curva Zonal de uma luminária. A Curva Zonal nos indica o valor da Eficiência da Luminária em porcentagem. 2.6 Eficiência do Recinto Unidade: não tem. O valor da Eficiência do Recinto é dado por tabelas, contidas nos catálogos dos fabricantes de luminárias, onde relacionam-se os valores dos coeficientes de reflexão do teto, paredes e piso, com a Curva de Distribuição Luminosa da luminária utilizada e o Índice do Recinto. Uma vez calculado o Índice do Recinto (K), procurase identificar os valores da refletância do teto, paredes e piso.

16 Na interseção da coluna de refletâncias e linha de Índice do Recinto, encontra-se o valor da Eficiência do Recinto, via Fator de Utilização. 2.7 Fator de Utilização Símbolo: Fu, Unidade: não tem. O Fluxo Luminoso final (útil) que irá incidir sobre o plano de trabalho é avaliado pelo Fator de Utilização. Ele indica, portanto, a eficiência luminosa do conjunto lâmpada, luminária e recinto. O produto da Eficiência do Recinto pela Eficiência da Luminária nos dá o Fator de Utilização (Fu). 2.8 Nível de Iluminância Símbolo: E, Unidade: Lux (lm/m2). A luz que uma lâmpada irradia, relacionada à superfície à qual incide, define uma nova grandeza luminotécnica denominada de Iluminamento, nível de iluminação ou Iluminância. Expressa em lux (lx), indica o fl uxo luminoso de uma fonte de luz que incide sobre uma superfície situada à uma certa distância dessa fonte. É também a relação entre intensidade luminosa e o quadrado da distância (I/h²). Na prática, é a quantidade de luz dentro de um ambiente, e pode ser medida com o auxílio de um luxímetro. Como o fluxo luminoso não é distribuído uniformemente, a iluminância não será a mesma em todos os pontos da área em questão. Considera-se, por isso, a iluminância média (Em). Existem normas especificando o valor mínimo de Em, para ambientes diferenciados pela atividade exercida, relacionados ao conforto visual. Alguns dos exemplos mais 16

17 importantes estãorelacionados no anexo 2 desta publicação (ABNT - NBR 5413). 2.9 Intensidade Luminosa Símbolo: I, Unidade: candela (cd). Se a fonte luminosa irradiasse a luz uniformemente em todas as direções, o Fluxo Luminoso se distribuiria na forma de uma esfera. Tal fato, porém, é quase impossível de acontecer, razão pela qual é necessário medir o valor dos lúmens emitidos em cada direção. Essa direção é representada por vetores, cujos comprimentos indicam as Intensidades Luminosas. Portanto, intensidade luminosa é o Fluxo Luminoso irradiado na direção de um determinado ponto Curva de distribuição luminosa Símbolo: CDL, Unidade: candela (cd) X 1000 lm. Se, num plano transversal à lâmpada, todos os vetores que dela se originam tiverem suas extremidades ligadas por um traço, obtém-se a Curva de Distribuição Luminosa (CDL). Em outras palavras, é a representação da Intensidade Luminosa em todos os ângulos em que ela é direcionada num Plano, conforme figura curva característica a seguir. 17

18 18 Para a uniformização dos valores das curvas, geralmente são referidas a 1000lm. Nesse caso, é necessário multiplicar-se o valor encontrado na CDL pelo Fluxo Luminoso das lâmpadas em questão e dividir o resultado por 1000 lm Luminância Símbolo: L, Unidade: cd/m2. Das grandezas mencionadas, até então, nenhuma é visível, isto é, os raios de luz não são vistos, a menos que sejam refletidos em uma

19 superfície e aí transmitam a sensação de claridade aos olhos. Essa sensação de claridade é chamada de Luminância, conforme mostra figura abaixo. 19 Ou seja luminância é a Intensidade Luminosa que emana de uma superfície, pela sua superfície aparente.

20 Referências 20 Todo conteúdo disponibilizado neste material, foi retirado de conteúdo disponível na internet, ou sites referenciados conforme abaixo: