PEA 2200/3100 ENERGIA, MEIO AMBIENTE E SUSTENTABILIDADE 2ª Prova 16.05.2014 Instruções: Responda as questões nos espaços reservados para as respostas, caso necessário, utilize o verso da folha que contém a questão para complementar sua resposta. Proibido uso de equipamentos eletrônicos Nome: Nº Turma: Questão 1- (3,0 pontos) Considere a figura abaixo e: a) (1,0 ponto) Identifique e explique suscintamente como funciona o ciclo I; b) (1,0 ponto) Identifique e explique suscintamente como funciona o ciclo II; c) (0,5 ponto) Considerando-se que as etapas 5, 7, 8, 9 e 10 do ciclo II referemse à produção de energia elétrica, com rendimento E, e que a etapa 6 do ciclo II refere-se à utilização do calor para processo (energia térmica), com rendimento T, identifique como se classifica esta produção de mais de uma forma de energia no âmbito do ciclo II e as relações entre os rendimentos E, T e o rendimento do ciclo I ( I ); d) (0,5 ponto) Identifique o ciclo III, descrevendo as relações entre os rendimentos do ciclo I ( I ), do ciclo II ( II ) e do ciclo III ( III ).
GABARITO a) (1,0 ponto) Identifique e explique suscintamente como funciona o ciclo I; RESPOSTA: Trata-se do Ciclo de Brayton, cuja característica principal é de ser um ciclo de combustão interna. Ar atmosférico é bombeado pelo compressor (1) na câmara de combustão (2), na qual é queimado junto o gás natural (combustível primário), produzindo uma expansão superaquecida (entre 500 e 700 C) de gás+ar comprimido que movimento a turbina (3), cuja potência mecânica (função do torque e da velocidade angular) é transferida para um eixo acoplado ao gerador elétrico (4), o qual, através de interações eletromagnéticas produz potência elétrica (função da tensão e da corrente). Observa-se que a turbina ejeta, como resíduo, gases de exaustão aquecidos (entre 200 e 300 C). Observa-se, também, que o Ciclo de Brayton é aberto. b) (1,0 ponto) Identifique e explique suscintamente como funciona o ciclo II; RESPOSTA: Trata-se do Ciclo de Rankine (ou Ciclo do Vapor), cuja característica principal é de ser um ciclo de combustão externa. Neste ciclo, a caldeira (5) é aquecida pela queima de um combustível primário ou pelos gases de exaustão de um outro processo (é o caso em questão, cujo combustível primário é o gás natural), fazendo com que a água sob alta pressão vinda de um compressor (10) passe do estado líquido (a cerca de 40 a 60 C) para o estado gasoso (vapor a alta pressão, a cerca de 150 a 250 C). O vapor a alta pressão movimenta uma turbina (7), cuja potência mecânica (função do torque e da velocidade angular) é transferida para um eixo acoplado ao gerador elétrico (8), o qual, através de interações eletromagnéticas produz potência elétrica (função da tensão e da corrente). O vapor, após passar pela turbina, perde pressão e temperatura seguindo para uma câmara de condensação (9), na qual volta ao estado líquido, reiniciando, assim, o ciclo no compressor (10), denotando que o Ciclo de Rankine é fechado. c) (0,5 ponto) Considerando-se que as etapas 5, 7, 8, 9 e 10 do ciclo II referemse à produção de energia elétrica, com rendimento E, e que a etapa 6 do ciclo II refere-se à utilização do calor para processo (energia térmica), com rendimento T, identifique como se classifica esta produção de mais de uma forma de energia no âmbito do ciclo II e as relações entre os rendimentos E, T e o rendimento do ciclo II ( II ); RESPOSTA: Trata-se de Cogeração, que a produção de mais de uma forma de energia secundária (no caso, energia térmica e elétrica) a partir de uma única fonte primária (no caso, gases de exaustão oriundos do combustível primário gás natural). II = E + T d) (0,5 ponto) Identifique o ciclo III, descrevendo as relações entre os rendimentos do ciclo I ( I ), do ciclo II ( II ) e do ciclo III ( III ). RESPOSTA: Trata-se de Ciclo Combinado. III = I + II
Questão 2 (1,0 ponto) Veja a figuras (A) e (B) e complete as frases: TA Reservatório de alta temperatura TA Reservatório de alta temperatura Máquina térmica Figura A W Trabalho obtido Bomba de calor Figura B W Trabalho fornecido TB Reservatório de baixa temperatura TB Reservatório de baixa temperatura Figura A Figura B a A figura que representa um modelo de sistema energético de uma geladeira é a figura B. b Em uma geladeira o trabalho fornecido é efetuado pelo MOTOR. (Obs. A questão também pode ser respondida como: MOTOR ACOPLADO AO COMPRESSOR, MOTOR ELÉTRICO, MOTOR A GÁS) c Em uma locomotiva a vapor o reservatório de baixa temperatura é o (Respostas certas: Meio ambiente, Ambiente externo, Atmosfera ou qualquer outra que afirme onde a energia não convertida em trabalho mecânico é dissipada) d - Para aumentar o rendimento ou eficiência de uma máquina térmica deve-se AUMENTAR a diferença de _TEMPERATURA entre os _RESERVATÓRIOS
Questão 3 ) Energia Solar Fotovoltaica (3,5 pontos) Dada a curva aproximada de produção de energia elétrica diária de um sistema de energia solar fotovoltaico conectado à rede, que alimenta uma residência e também a curva de consumo elétrico diário desta residência representados nos gráficos da figura a seguir, pede-se: a) Desenhe de forma esquemática um sistema de energia solar fotovoltaico conectado a rede com seus principais componentes e explique as funções de cada um (1,0 ponto). b) Determinar (1,5 pontos) - o valor da energia elétrica (kwh) consumida diariamente pela residência, - a conta mensal (adotar mês de 30 dias) em R$, considerando uma tarifa de energia elétrica de 0,40 R$/ kwh. - o fator de carga c) Determinar o valor da energia elétrica em kwh produzida diariamente pelo sistema de energia solar fotovoltaico conectado a rede (0,5 ponto) d) Determinar o payback simples(meses), considerando a mesma tarifa do item a) e um custo de instalação do sistema de energia solar fotovoltaico conectado a rede de R$ 21.600,00 (0,5 pontos). Potência(kW ) 3 Curva do Sistema Solar FV Curva da Residência 2 Tempo(h) 6 12 18 20 24
GABARITO a) Basicamente temos o painel fotovoltaico composto por placas associadas em serie e em paralelo, dependendo da corrente e tensão do sistema, cada placa tem um conjunto de células fotovoltaicas associadas em serie e em paralelo par atingir uma potencia de pico e numa detreminada tensão. Nas células é onde a energia solar é convertida em energia elétrica pelo efeito fotovoltaico. Temos duas camadas de silício sendo uma dopada do tipo P e outra do tipo N. Entre as camadas existe uma junção e a energia da radiação solar fornece energia aos elétrons suficiente para ultrapassarem a tensão da junção, permitindo assim a movimentação dos elétrons em um circuito fechado pela carga. Temos o sistema de seguidor de máxima potencia que ajusta o funcionamento da curva tensão versus corrente para seu ponto máximo de potência. Temos um inversor que converte a tensão em correntes continua (CC) em corrente alternada (CA). O inversor corta o sinal de tensão CC, permitindo produzir uma tensão fundamental na frequência da rede de corrente alternada. Depois do inversor temos a alimentação da residência( que não esta representada no desenho) e a conexão a rede. Se necessário, devemos ter um transformador para ajustar a tensão de conexão com a da rede de energia elétrica. b) Considerando só a curva de carga da residência, sem considerar a produção de energia do painel FV teremos: Energia Consumida Diariamente = 12 x 2 + 3 x 2 = 30 kwh Conta Mensal = 30 x 30 x 0,4 = 360 R$ Fator de carga = Energia/(Demanda Máxima x 24) = 30/(3 x 24) = 10/24 = 0,417 Se considerarmos a energia do painel FV, a curva de carga será outra e o calculo fica mais difícil se consideramos que teremos um período do dia que ocorrera injeção na rede. Se fizermos pela diferença de energia o novo cálculo será: Energia consumida em um dia = (Produzida Consumida) = 30-18 = 12 kwh Conta Mensal = 12 x 0,4 x 30 = 144 R$
Fator de carga = Energia consumida em um dia /(Demanda Máxima x 24) = 12 /(3x24) = 1/6 c) Energia elétrica produzida = (12 x 3) /2 = 18 kwh d) PBS = Custo da Instalação/Custo da Energia Economizada Mensalmente Custo da Energia Economizada Mensalmente = Energia Gerada Diária x 30 x tarifa payback simples = 21600/(12x3/2 x 0,4 x 30) = 21600 /216= 100 meses
Questão 4 - Deseja-se instalar um parque eólico com 10 turbinas e conectá-lo a rede elétrica. (2,5 pontos) Informação disponível : Dados de velocidade de vento na altura A metros Potência nominal da turbina igual a Pn com torre de altura B metros, sendo B > A a) Descreva os procedimentos necessários para cálculo da estimativa da produção de energia desse parque considerando todos os parâmetros necessários, definição dos mesmos e equação. (1,5 ponto) b) Considerando que a velocidade média anual do vento em dois locais é a mesma e considerando a instalação da mesma turbina nestes locais, perguntase? O fator de capacidade anual é o mesmo? Explique sua resposta. (1,0 ponto) GABARITO a) Corrigir a velocidade do vento com a altura Altura de medição A = Ho Altura da turbina B = H V V H / n o H o, sendo V velocidade do vento na turbina Vo = velocidade do vento na altura de medição n = rugosidade do terreno Conhecer a curva de potência da turbina = Potência x Velocidade do vento Calcular a curva de distribuição da velocidade do vento na altura corrigida (fri) Conhecer número de turbinas = nt = 10 Calcular a energia gerada por uma turbina EP( ano) fr P t i Sendo ; Pi = potência da turbina função da velocidade do vento i ( Curva de potência) Dt período de tempo Calcular a energia gerada pelo parque eólico i nt EG( ano) central EG( ano) (1 perdas) 1 n Sendo : 1-perdas = rendimento do parque eólico ( rendimento considerando as perdas nos cabos e demais equipamentos de conexão com a rede) b) Não. O Fator de capacidade não é o mesmo tendo em vista que embora a velocidade média seja a mesma, a curva de distribuição de velocidade pode ser diferente, com diferente desvio padrão.