Aula 5 Conversão de energia mecânica, hidráulica, eólica, elétrica, solar e nuclear

Transcrição

1 BIJ-0207 Bases conceituais da energia Aula 5 Conversão de energia mecânica, hidráulica, eólica, elétrica, solar e nuclear Prof. João Moreira CECS - Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas Universidade Federal do ABC UFABC

2 Sumário Conversão de energia mecânica Conversão de energia hidráulica Conversão de energia eólica Trabalho de um pistão Conversão de energia elétrica Conversão de energia solar

3 Potência Potência é definida como a taxa temporal de realização de trabalho. Indica quão rápido o trabalho é realizado

4 Energia cinética de rotação Um movimento circular de um eixo com raio constante

5 Potência de rotação motor A potência do eixo é dada pelo produto do torque e da velocidade angular.

6 Potência de rotação turbina de vapor O vapor se expande na turbina fazendo as pás rotativas girar o eixo e gerar potência

7 Potência hidráulica

8 Potência hidráulica A potência hidráulica depende da vazão que passa pela turbina e da altura. A turbina converte energia potencial gravitacional em energia cinética rotacional.

9 Potência de rotação turbina hidráulica A água passa pela turbina, faz o hélice girar o eixo e gerar potência

10 Potência eólica

11 Potência eólica A potência eólica varia com o cubo da velocidade do vento. A potência gerada é fortemente dependente da velocidade do vento Quando a velocidade do vento dobra, a potência é multiplicada por 8. Quando a velocidade do vento cai pela metade, a potência cai 12,5 % da potência anterior.

12 Trabalho realizado por um pistão

13 Trabalho de um pistão contendo um gás ideal p = nrt V pressão em função do volume Considerando uma expansão isotérmica, T constante, o trabalho será dado por V W= f V pdv = f nrt dv = nrt ln V f V i V i V V i

14 Trabalho elétrico Força elétrica

15 Potência elétrica Deriva-se o trabalho em relação ao tempo elétrico para se obter a potência elétrica Corrente elétrica

16 Potência elétrica A potência fornecida pelos circuitos é definida como o produto entre a tensão eletromotriz (ε) e a corrente (i).

17 Experimento de Oersted Geração de campo magnético O experimento de Oersted mostrou que a corrente elétrica passando por um fio cria um campo magnético ao seu redor. A corrente elétrica passando por um solenóide cria um campo magnético (linha tracejada) semelhante a um magneto. Fechando o circuito, a corrente elétrica ascende a lâmpada e causa, também, uma variação no campo magnético (vide bússola).

18 Lei de indução de Faraday A indução de força eletromotriz causada pela variação temporal do fluxo magnético foi observada pela primeira vez por Faraday e Henry. A lei é resultado da observação experimental e estabelece que força eletromotriz é gerada a partir da taxa de variação temporal do fluxo magnético através de um circuito ou espira. ε = dφ dt O sinal negativo indica que a direção da força eletromotriz gerada tende a se opor a alteração que a causou. Se aumentamos o fluxo magnético através de um circuito, a força eletromotriz tende a causar correntes na direção de reduzir o fluxo magnético.

19 Geração de eletricidade Se tentarmos inserir um polo de um magneto dentro de uma espira, as correntes induzidas pela força eletromotriz produzem um campo magnético que tende a repelir o polo. Geradores elétricos variam o fluxo magnético através das espiras girando as espiras, conforme mostra a figura. Devido ao sinal negativo da lei de Faraday, a força eletromotriz gerada causará correntes que geram forças opostas ao giro. ε = dφ dt Lei de Faraday Φ fluxo magnético ε força eletromotriz (V)

20 Conversão de potência mecânica em potência elétrica Na geração elétrica, o eixo da turbina está acoplado ao eixo das espiras no gerador elétrico. O fluido gira as pás da turbina e gira o eixo que está acoplado ao solenoide. Este gira, faz variar o fluxo magnético no seu interior, e produz-se força eletromotriz. Como a força eletromotriz é contrária a causa, quanto maior a potência mecânica cedida ao eixo da turbina, maior a potência elétrica gerada no gerador elétrico. Tem-se então a conversão de potência mecânica em potência elétrica. A potência fornecida pelos circuitos é definida como o produto entre a tensão eletromotriz (ε) e a corrente (i).

21 Vista de um gerador elétrico de uma central de potência moderna

22 Energia solar geração fotovoltaica Incidindo sobre a Terra promove transferência de energia radiante em energia térmica, calor e energia elétrica. O processo de transferência de energia é por meio dos: Efeito fotoelétrico Efeito Compton Geração fotovoltaica elétrons liberados são levados para a banda de condução em semicondutores e produzem corrente elétrica.

23 Interação da radiação eletromagnética com o elétron Colisão do foton com o elétron Quanto mais o material tem elétrons, maior é a probabilidade de interação com a radiação solar. Se o fóton é absorvido, temos o efeito fotoelétrico proposto por Einstein. Se os elétrons alcançam a banda de condução de um material (por exemplo, semicondutor) eles podem ser utilizados para gerar corrente elétrica temos a geração fotovoltaica.

24 Geração fotovoltaica A energia cedida pelo fóton aos elétrons de um material semicondutor é tal que leva este elétron ligado para a banda de condução deste material. Nesta banda eles estão livres para circular, se submetidos a uma diferença de potencial. Portanto, a radiação solar incidente em um material semicondutor produz uma fonte contínua de elétrons ou força eletromotriz. Os sistemas são normalmente modulares, compostos de pequenas unidades ou células arranjadas em série e paralelo.

25 Geração fotovoltaica Material condutor ou semicondutor pode transformar a energia solar em corrente elétrica. Aplicação de tensão nos terminais do material pode coletar esta corrente e gerar potência. Cada célula produz uma pequena potência; agrupamento de várias células pode gerar uma potência razoável.

26 Solar térmica A energia solar se transforma em calor e é transferida por meio de condução e convecção para a água.

27 Fim