UNESP
Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá
CARLOS ALBERTO CORRÊA JUNIOR
Cidades sustentáveis: análise comparativa
com cidades contemporâneas
CARLOS ALBERTO CORRÊA JUNIOR
Cidades sustentáveis: análise comparativa com cidades
contemporâneas
Trabalho de Graduação do curso de Engenharia Mecânica, realizado junto ao Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista.
Orientador : Prof. Dr. José Antônio Perrella Balestieri
C823c
Corrêa Junior, Carlos Alberto
Cidades sustentáveis: análise comparativa com cidades
contemporâneas / Carlos Alberto Corrêa Junior – Guaratinguetá : [s.n], 2012.
144 f : il.
Bibliografia: f. 134-144
Trabalho de Graduação em Engenharia Mecânica – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2012. Orientador: Prof. Dr. José Antônio Perrella Balestieri
1. Energia 2. Desenvolvimento sustentável I. Título
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por minha família, meus amigos, minha saúde, oportunidades, e por sempre estar comigo dando-me força e determinação para que eu possa batalhar a cada dia para alcançar meus objetivos.
aos meus pais Carlos e Adelaide, que apesar das dificuldades enfrentadas, sempre incentivaram meus estudos.
ao meu orientador, Prof. Dr. José Antônio Perrella Balestieri que além de me orientar de maneira efetiva e pacienciosa nesse trabalho, também me orienta na vida por meio de suas atitudes e conselhos.
à minha namorada Luciana Perin por sempre ser uma companheira nos bons e maus momentos.
aos meus amigos verdadeiros, que na maior parte do tempo estiveram ao meu lado, fazendo mais feliz a minha existência, em especial, André Faria Dias, Bruno Anderson Pimenta.
“Só há duas maneiras de viver a vida: a primeira é vivê-la como se os milagres não existissem. A segunda é vivê-la como se tudo fosse milagre.”
Albert Einstein
CORRÊA JUNIOR, Carlos Alberto. Cidades Sustentáveis: Análise Comparativa com Cidades Contemporâneas. Guaratinguetá: Trabalho de Graduação 2012. 144 p.
RESUMO
O mundo vive atualmente uma revolução energética; a cada dia mais tecnologias são desenvolvidas com o intuito de melhor aproveitar a energia visando-se ter melhor rendimento energético de equipamentos e processos com a mínima degradação do meio ambiente. Levando-se em conta que milhares de pessoas vivem em ambientes construídos no contexto de cidades e que o fluxo energético para esse local é significativo, é grande a importância do estudo do ambiente construído como uma potencial fonte de economia, aproveitamento e regeneração de energia, pois nas cidades encontram-se os grandes gargalos energéticos. Sendo assim, neste trabalho procurou-se elencar e estudar as mais importantes e promissoras tecnologias a serem empregadas no ambiente construído para recolher ou economizar a energia que antes
seria “desperdiçada”, tais como roupas que geram energia através do movimento ou da
incidência solar, fachadas de construções que geram energia devido à radiação solar, academias que produzem energia elétrica devido à rotação empregada nos aparelhos de ginástica pelos esportistas, elevadores que aproveitam a energia potencial ou utilizam-na de forma mais racional, geradores que aproveitam a energia vibracional, e por último, veículos mais sustentáveis com maior rendimento e que degradam menos o meio ambiente. As informações e resultados obtidos com esse estudo mostram que as tecnologias empregadas para aproveitar a energia outrora perdida estão cada vez mais em evidência e cada vez mais se progride nessa questão do aproveitamento da energia dentro de um contexto mais urbano. Por final, fez-se uma comparação do gasto energético entre uma cidade que utiliza algumas dessas tecnologias mais sustentáveis e outra do mesmo porte, com hábitos convencionais.
CORRÊA JUNIOR, Carlos Alberto. Sustainable Cities: Comparative Analysis with Contemporary Cities. Guaratinguetá: Final Paper 2012. 144 p.
ABSTRACT
Currently the world is under an energy revolution, every day more technologies are developed in order to better use the energy for having better energy efficiency of equipment and processes with minimal environmental degradation. Taking into account that thousands of people live in built environments in the context of cities and that the energy flow to this location is significant, it is important to study the built environment as a potential source of savings, energy recovery and regeneration, because cities are the major bottlenecks energetic. Therefore, this study aimed to examine and to list the most important and promising technologies to be used in the built environment to collect or save energy that would be "wasted", such as clothes that generate energy through movement or solar incidence, facades of buildings that generate energy due to solar radiation, fitness centers that produce electricity due to the rotation used in fitness equipment for athletes, elevators that take advantage of the potential energy or use it more rationally, generators that take advantage of energy vibrational, and finally more sustainable vehicles with higher performance and less degrading the environment. The information and results obtained from this study show that the technologies used to harness energy before lost are increasingly evident and also is increased the progress relative to the energy use in a urban context. In the closure, a comparison of energy expenditure between a city that uses some of these sustainable technologies and another of the same size with conventional habits is presented.
SUMÁRIO
PRÉ-TEXTO...1
Folha de rosto e ficha catalográfica...1
Folha de Aprovação...2
Dedicatória...3
Agradecimentos...4
Epígrafe...5
Resumo...6
Abstract...7
Sumário...8
TEXTO...9
1 INTRODUÇÃO...9
1.1 Histórico homem X energia...11
1.2 Motivações...14
1.3 Objetivos...17
2 ESTUDO DAS TECNOLOGIAS RENOVÁVEIS DE GERAÇÃO DE
ENERGIA E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA...18
2.1 Energia Eólica...18
2.2 Energia Solar...20
2.3 Energia Hidráulica...21
2.4 Energia Nuclear...23
2.5 Roupa Geradora de Energia Elétrica...26
2.6
Construção de Sistema Fotovoltáico Integrado...29
2.7
Geração de Energia Elétrica em Academias Esportivas...38
2.8 Aproveitamento da Energia de Subida e Descida de
Elevadores...43
3 FORMAS DE MOBILIDADE UTILIZANDO TECNOLOGIA
RENOVÁVEL...59
3.1 Veículos movidos a energia solar...61
3.2 Veículo elétrico...63
3.3 Veículo híbrido elétrico e motor de combustão interna...65
3.4 Veículo com motor de combustão interna usando bloqueio de
pistão...66
3.5 P.U.M.A...70
3.6 Veículo movido a célula de combustível...71
3.6.1 Princípios Operacionais...71
3.6.2 Tipos...72
3.6.3 Funcionamento...75
3.6.4 Vantagens e desvantagens da célula de combustível em relação a
outras máquinas térmicas...77
3.6.5 Células de combustível x indústria automobilística...85
3.6.6 Desafios...91
3.6.7 O combustível...92
3.6.8 Como é gerado...93
3.6.9 O etanol como fonte de hidrogênio...97
3.6.10 Funcionamento de um motor elétrico onde o gerador de energia
elétrica é uma célula de combustível...101
3.6.10.1 Motores de corrente contínua (CC)...102
3.6.10.2 Motores de corrente alternada (CA)...104
4 COMPARAÇÃO DO GASTO ENERGÉTICO ENTRE CIDADES
CONTEMPORÂNEAS COM UMA CIDADE DOTADA DE RECURSOS
SUSTENTÁVEIS DE MESMO PADRÃO DE CONSUMO
ENERGÉTICO...114
4.2 Geração de energia pela utilização das fachadas prediais para
Construção de Sistema Fotovoltáico Integrado...117
4.3 Geração de energia pelo aproveitamento da energia de subida e
descida de elevadores...118
4.4 Geração de energia elétrica em academias esportivas...119
4.5 Economia de energia pelo uso de veículos movidos a Célula de
Combustível (CaC)...120
4.6 Análise do gasto energético entre as duas cidades...129
4.7 Análise da quantidade de CO
2lançado na atmosfera em cada
uma das cidades...130
5 CONCLUSÕES...132
PÓS-TEXTO...134
1 INTRODUÇÃO
1.1 HISTÓRICO HOMEM X ENERGIA
Desde os primórdios da humanidade o ser humano busca formas de obtenção de energia, seja para proteção, alimentação, aquecimento e conforto. Provavelmente o homem teve contato com o fogo acidentalmente vendo uma árvore após a queda de um raio sobre ela, ou até mesmo vendo os vulcões. A partir dessas observações o homem aprendeu propriedades inerentes ao fogo como o calor e luz. Nascia então, naquele momento, há cerca de 500 mil anos, no Paleolítico, a dependência pela energia.
Com a energia o homem aprendeu a cozinhar os alimentos, defender-se de animais ou intimidá-los, iluminar cavernas para seu abrigo e possibilitou o convívio social visto que os Hominídeos se juntavam em volta de fogueiras para se aquecer. Uma das grandes descobertas do ser humano com relação à utilização da energia para seu bem estar foi a máquina a vapor na revolução industrial, em meados do século XVIII, na Inglaterra; a primeira versão realmente prática foi criada em 1712 por Thomas Newcomen e aperfeiçoada por James Watt em 1769 (ALVES, 2005). Era uma bomba de retirar a água acumulada das minas de carvão que vaporizava a água e depois em outro recipiente a fazia condensar criando assim um vácuo que puxava a água, similar à que é apresentada na Figura1.
As máquinas a vapor que mais ajudaram o homem a se desenvolver foram as que trabalhavam com a expansão do vapor. Após a criação da primeira máquina a sociedade se desenvolveu rapidamente, pois o trabalho antes feito por muitos homens a partir de então passa a ser feito por uma máquina a vapor.
Fonte: Wikilingue (S.D.)
Figura 1 – máquina a vapor de James Watt
Fonte : Teresa (2005)
Figura 2 – pilha de Alessandro Volta3
Desta data em diante as descobertas na área da eletricidade foram se sucedendo uma após a outra pra culminar em 1890 quando Nikola Tesla criou o sistema de geração elétrica em corrente alternada pois o sistema em corrente contínua desperdiçava grande quantidade de energia pelo aquecimento dos fios condutores, além disso, principalmente, possibilitou o uso de transformadores.
Fonte: Carrosemarcas (S.D.)
Figura 3 – Primeiro veículo a 4 tempos feito por Karl Benz
Após essa data houve um crescente aperfeiçoamento do automóvel e acima de tudo uma dependência exponencial do automovel pois além de ser um conforto era objeto que denotava status social.
Ao se tratar de energia o homem foi mais fundo e em meados do século XX aprendeu a tirar proveito da energia nuclear. Usinas nucleares destinadas a produção de eletricidade e tratamentos médicos são algumas das boas aplicações desse tipo de energia.
1.2 MOTIVAÇÕES
Fonte: BALTAR (2006)
Figura 04 – uso final no setor residencial
Isto tem ocasionado uma crescente demanda da mesma energia ao longo dos anos devido ao crescimento da população mundial, assim como um aumento do consumismo consequente à oferta de novos produtos (em especial eletrônicos e multimídas) que são baseados no consumo de energia elétrica; a Figura 05 apresenta o perfil da demanda elétrica no Brasil na última década.
Fonte: ONS (2010)
Figura 05 – demanda de energia elétrica no Brasil na última década
Com o aumento da demanda pela energia, a mesma fica mais cara, como se pode observar para o perfil da evolução da tarifa elétrica residencial entre 1995 e 2007 (Figura 06).
Fonte: Weise; Hornburg (2007)
Figura 06 – valorização da energia elétrica
Soma-se a essa valorização ocorrida ao longo dos anos os desalojamentos de seres humanos, morte da fauna e flora que são consequências da instalação de hidrelétricas, fonte da grande maioria de fornecimento de energia elétrica (77% do total) (GOEKING, 2010), além de que, em média, hidrelétricas inundam 600 m2 para cada 1 kW gerado, e nesse local, em torno de 150 árvores são perdidas (CEMIG; CEFET-MG, 1999).
Em decorrência da valorização da energia elétrica faz-se necessário estudar outras maneiras de se gerar energia como alternativa à oferta de energia vendida pelas concessionárias, ou seja, as formas de geração de eletricidade junto ou próxima dos centros consumidores, independentemente da tecnologia, da capacidade e da fonte de energia.
tradicionais, tais como as que são alimentadas com energia provenientes de hidrelétricas e carros movidos a combustíveis fósseis; com isto haverá uma redução da demanda por energia elétrica proveniente de hidrelétricas, com consequente diminuição do preço pela mesma, não degradando a natureza e diversificando a matriz energética brasileira, desmonopolizando a área de geração de energia e caminhando rumo à sustentabilidade.
1.3 OBJETIVO
As cidades contemporâneas apresentam forma caótica de crescimento, em sua quase totalidade, e mesmo quando a proposta original é de se estruturar um novo espaço urbano baseado no planejamento – caso de Brasília, por exemplo – o que se vê com o passar do tempo é que as intenções não se confirmaram na prática.
Em diversas áreas do conhecimento desenvolvem-se estudos voltados à sustentabilidade das cidades; uma forma de tornar as cidades sustentáveis, do ponto de vista energético, seria através de ações que as levassem a aumentar sua eficiência energética e incorporar fontes renováveis de energia para atendimento dos atuais padrões de consumo.
2 ESTUDO DAS TECNOLOGIAS RENOVÁVEIS DE GERAÇÃO DE
ENERGIA E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Neste capítulo são apresentadas inicialmente, de forma breve, as formas de geração renovável presente na estrutura de geração elétrica brasileira, seguido da identificação de formas alternativas de geração de energia que têm sido apresentadas na literatura e/ou na mídia.
2.1 ENERGIA EÓLICA
Ao incidir com a Terra, os raios solares aquecem-na, que por sua vez aquece a camada de ar que fica mais próxima dela. Esse ar aquecido expande-se, ficando menos denso que as camadas de ar situadas mais acima, pois comparando uma mesma quantidade de massa de ar, é menos densa aquela quantia que ocupa o maior volume. Sendo assim, as camadas acima mais frias (mais densas) descem, ocupando o lugar da camada de ar mais quente (menos densa), que por sua vez sobe. Esse movimento de subir e descer de fluidos baseado na diferença de densidade é chamado de convecção, e é nessa convecção que se tem os ventos.
Fonte: adaptado de Lucas (2010)
Figura 07 - funcionamento de uma turbina eólica.
O Brasil tem um expressivo potencial eólico. Em torno de 71.000 km2 do território nacional contam com ventos quase que constantes de 7 m/s, o que propiciaria um potencial eólico da ordem de 272 TWh/ano de energia elétrica se esse potencial de fato fosse utilizado. Trata-se de um valor considerável, já que o consumo de energia elétrica total gira em torno de 424 TWh/ano. O problema é que atualmente o índice de aproveitamento eólico na matriz energética brasileira não chega a 1% (MARTINS; GUARNIERI; PEREIRA, 2008).
represar um rio inundando assim toda a área adjacente destruindo o meio ambiente e desalojando famílias.
2.2 ENERGIA SOLAR
A energia solar é a fonte primária de energia na Terra e, praticamente, todas as outras energias derivam dela, o sol faz o papel de um imenso reator à fusão que transfere para a Terra uma quantidade de energia imensamente maior que qualquer outro sistema de geração.
Parte dessa energia dispendida pelo sol na forma de raios eletromagnéticos pode ser aproveitada para posterior conversão em energia elétrica (MIZGIER; MARINOSKI; BRAUN; RÜTHER, 2006); esse aproveitamento é possível devido a materiais que apresentam o efeito fotovoltaico, que se resume a haver, nesses materiais, uma polarização e consequente diferença de potencial entre suas faces quando o mesmo é excitado pela luz. Em geral esses materiais são derivados do silício.
Nas usinas de produção de eletricidade cada célula fotovoltaica é ligada em série com outra célula para assim formar os módulos fotovoltaicos; os módulos fotovoltaicos também são ligados em série, pois nesse tipo de ligação os potenciais criados por cada célula ou módulo se somam para que possa haver a transmissão para os centros consumidores de energia, a Figura 08 mostra um concentrador de raios solares para geração de vapor e um módulo fotovoltaico.
Fonte: Portalregional (2009)
O custo da geração solar ainda é muito caro devido ao alto valor dos módulos de silício. Pesquisas mostram que 1000 kWh de energia produzida através de usinas solares custam cerca de 500 reais (DIAS, 2010), enquanto que o preço pago pelos consumidores residenciais e prediais pela mesma quantia de energia elétrica é de aproximadamente 350 reais; isso mostra que a pesquisa para abaixar o preço dos materiais usados na confecção de painéis fotovoltaicos é imperativa, visto que a energia solar é uma fonte limpa, inesgotável e praticamente não necessita de manutenção.
2.3 ENERGIA HIDRÁULICA
Essa modalidade de geração de energia é responsável por 77 % da geração total de energia brasileira (Figura 09), ou seja, a geração é essencialmente hidrelétrica (BEN, 2010).
Fonte: adaptado do Balanço Energético Nacional (2010)
Nas hidrelétricas, a energia potencial gravitacional de uma quantia de água represada pela imposição de uma barragem é transformada em energia cinética de rotação das palhetas de turbinas. Para tanto, a água é canalizada do ponto superior da barragem até o ponto inferior, e passa pelos rotores das turbinas.
As turbinas, por sua vez, estão assentadas no mesmo eixo dos geradores, que são enormes ímãs dentro de enormes solenoides. Assim, pela lei de Faraday surge uma corrente ou tensão induzida nos solenoides que são drenadas para o uso, conforme se observa na Figura 10.
Fonte: adaptado de Geocities (S/D)
Figura 10 – turbina e gerador, ao lado, Itaipu, capacidade de 12,6 GW de potência
tensão vezes corrente) transmitida deve ser a mesma, então a corrente elétrica é muito baixa (CERBASI, 2003).
O Brasil está entre os 5 maiores produtores de energia elétrica por meio de usinas hidrelétricas, com aproximadamente 80 GW de potência instalada, embora somente use 23% de todo seu potencial. Este potencial de geração coloca o Brasil entre os 3 países com maior potencial de geração, somente perdendo para Rússia e China (CASTRO, 2008).
Não obstante o fato de o Brasil apresentar excelente potencial hidrelétrico e ainda a geração hidráulica ser uma energia renovável, a instalação de usinas degrada e causa efeitos permanentes ao meio ambiente como inundar cidades e propriedades adjacentes, desalojar e matar milhares de animais silvestres, como é o caso da construção da usina de Três Gargantas, maior usina do mundo e instalada na China. Sua construção inundou 13 cidades, 4500 aldeias e 162 sítios arqueológicos importantíssimos para a China. Sem mencionar os impactos sobre a flora, fauna, solo, alterações do clima da região, ciclo hidrológico e as milhares de pessoas que tiveram de ser transportadas para outro lugar (CASTRO, 2008).
Todavia, é essencial que se aproveite o máximo de energia possível em cidades e ambientes construídos, visto que a geração principal de energia não deixa de causar estragos e degradar permanentemente.
2.4 ENERGIA NUCLEAR
A fissão consiste na divisão do núcleo do átomo em 2 ou mais partículas formando outros átomos e liberando energia.
A fusão consiste na união de 2 ou mais núcleos com posterior formação de outros elementos químicos e a liberação de hidrogênio. Nas usinas nucleares de geração de energia elétrica a principal técnica é a fissão, uma vez que a fusão ainda não é tecnologia plenamente dominada para geração elétrica.
O funcionamento de uma usina nuclear é igual à de um ciclo a vapor de água, entretanto pode-se associar a caldeira de um ciclo a vapor convencional ao sistema primário da usina nuclear, e o condensador ao sistema terciário da usina, conforme Figura 11.
Fonte: NUCTEC (2008)
Figura 11 – esboço de uma usina nuclear de produção de energia
sistema terciário faz circular água fria por um trocador de calor de superfície e garantir que o vapor que sai da turbina rejeite calor até se condensar para entrar na bomba (ELERONUCLEAR, 2009). A partir disso o sistema fica igual ao de uma usina hidrelétrica, com a turbina girando um gerador cerca de 1200 vezes a cada minuto.
As vantagens de uma usina nuclear estão no fato de não utilizar combustíveis fósseis poluindo assim o ambiente, empregar uma área pequena em relação às usinas hidrelétricas e poderem ser instaladas junto a centros consumidores (o que facilita a transmissão) e não dependerem de fatores climáticos para o seu funcionamento. Entretanto, o lixo radioativo deve ser depositado em locais adequados, seguindo rígidas normas de segurança.
Algo próximo de 17% de toda a energia elétrica produzida no mundo é de origem nuclear; entretanto, no Brasil esse percentual é somente 2,5%, nas usinas Angra 1, que produz 625 MW, enquanto Angra 2 gera cerca de 1.350 MW (ELERONUCLEAR, 2009), como ilustrado na Figura 12. Na França, aproximadamente 75 % da energia é gerada por usinas nucleares.
Fonte: WIKIMEDIA COMMONS (2011)
Figura 12 – Usinas Angra 1 e 2
queimar os mais variados combustíveis para se obter energia, como combustíveis fósseis, gás natural, biomassa, carvão ou lenha, e por esse motivo não deixam de lançar na atmosfera gases estufa inerentes da queima de hidrocarbonetos em geral (CASTRO, 2009).
Há de se ressaltar que as termelétricas são mais utilizadas em uso descentralizado, ou seja, para uso próprio em uma fábrica ou indústria para gerar sua própria energia, ou gerar energia térmica indiretamente.
2.5 ROUPA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA
Para uma pessoa andar é necessário que, no organismo dessa pessoa aconteça uma série de reações para que ela possa ter disponível energia química. Essa energia química é transformada em energia de movimento (energia cinética) quando se começa a andar ou mesmo se movimentar. Parte dessa energia cinética também é transmitida para as roupas e utensílios pessoais. Foi pensando em aproveitar essa energia cinética e também a energia solar que incide sobre a roupa que uma equipe da Universidade de Cornell, nos Estados Unidos, em colaboração com as universidades de Bolonha e Cagliari criou um tecido que conduz a eletricidade tão bem quanto fios de metal da mesma espessura, além de não perder o conforto nem a flexibilidade inerente de uma roupa feita de algodão puro.
Fonte: Hinestroza Research Group (2010)
Figura 13 – fibras condutoras de eletricidade
Essa tecnologia já esta além da fase da teoria, pois pesquisadores da Universidade de Cornell, nos E.U.A, projetaram roupas utilizando células solares flexíveis que geram energia elétrica que pode posteriormente ser disponibilizada para um recarregador USB. Essa energia pode ser utilizada para carregar a bateria de um MP3, um ipod ou de um telefone celular (TORRES, 2010). Na Figura 14 encontra-se um dos modelos de roupa projetada com células solares flexíveis geradoras de eletricidade, sendo que a garota na imagem aparece carregando um ipod.
Fonte: Fashioncraz (2010)
Figura 14 – roupa com células solares flexíveis
Atualmente, para o presente caso, emprega-se um material chamado PZT, que é um material formado de nanofitas de titanato-zirconato de chumbo. Esse material é o piezoelétrico de maior eficiência que se conhece até o momento. Ele pode converter até 80% de energia mecânica aplicada em energia elétrica (QI; JAFFERIS; LYONS; LEE; AHMAD; MCALPINE, 2010).
Fonte: McAlpine (2010)
Figura 15 – nanofitas de PZT
O fato de o chip ser revestido de silicone possibilita a sua implantação em seres humanos que necessitam de energia elétrica de maneira contínua ou mesmo de pulsos elétricos para a alimentação de um marca passo, por exemplo.
Percebe-se que a utilização desse "chips de piezo-borracha" criado pelos engenheiros da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos pode ser utlizado com o tecido condutor desenvolvido pela equipe da Universidade de Cornell, nos Estados Unidos, visto que o chip poderia gerar energia elétrica através do movimento, e o tecido conduzir essa energia gerada para alimentar aparelhos eletrônicos.
2.6 CONSTRUÇÃO DE SISTEMA FOTOVOLTÁICO INTEGRADO
1000W/m2 em boa parte do dia em quase todos os lugares do Brasil, visto que o Brasil é um país predominantemente tropical. A Terra recebe do sol, a cada hora, uma quantidade de energia maior que a quantidade produzida durante 1 ano (OGURA; JUNIOR, 2004).
As edificações comerciais, residenciais e públicas absorvem cerca de 48% de toda a energia elétrica gasta no Brasil (CARRIÈRES, 2007). Portanto, está nas
edificações um dos “gargalos” de energia do ambiente construído.
Para aproveitar a energia solar em abundância e amenizar o gasto energético em edifícios começou-se a investir e empregar os chamados “BIPV” (Building Integrated Photovoltaics), ou seja, construção de sistema fotovoltáico integrado, que consiste na
instalação de grandes módulos fotovoltaicos nas fachadas e coberturas de edifícios, como ilustrado na Figura 16.
Fonte: Jesus; Almeida; Pereira (2005)
Figura 16 – Fachada geradora de energia
A construção de sistemas fotovoltáicos integrados a edifícios pode ser considerada um dos principais investimentos em energia renovável que pode se enquadrar na realidade urbana, pois tal tecnologia não ocupa espaço extra já que pode ser incrementada em materiais construtivos e usada para compor fachadas e coberturas de edificações.
Tais integrações são feitas por placas fotovoltaicas que, em resumo, constituem-se em 3 subcategorias de células solares:
- Monocristalinas e policristalinas, representadas em sua grande maioria por silício, em sua versão mono (obtido através do corte de um lingote de um monocristal de Si puro) e policristalina (corte de um lingote com múltiplos cristais de Si), respectivamente. Estas células representam a chamada 1ª geração de tecnologias fotovoltaicas e detêm cerca de 90% do mercado mundial, sendo 60% mono e 30% policristalina (CASTRO, 2008).
- células de filmes finos (thin-films), tipo de célula solar e que integra a 2ª geração de tecnologias fotovoltaicas e que apareceram a 35 anos visando diminuir a redução no consumo de silício, que é caro e necessita de altas temperaturas na produção e um grau de pureza elevado. Nessa modalidade um material semicondutor ultrafino é colocado entre substratos de grandes áreas como metal, plástico ou vidro, neste último é usado em janelas de casas residenciais pois pode ser fabricado de maneira a deixar passar parte da luz.
Ocupa 300 vezes menos material que as tecnologias cristalinas de Sí, portanto por ser mais leve e mais barato pode vir a ser, no futuro, o mais utilizado em aplicações integradas em fachadas de edifícios. Os filmes finos são em sua maioria feitos de silício amorfo (a-Si), porém existe também no mercado células de diselenieto de cobre e índio (CIS), telurieto de cádmio (CdTe), dentre outras em menor quantidade (TEIXEIRA; CARNEIRO; SILVA; FIÚZA, 2009).
- células solares microcristalinas, micromorfas e híbridas (combinação de monocristalina e a-Si), que constituem a 3ª geração, porém ainda estão em baixo desenvolvimento tecnológico.
A Figura 17 apresenta os principais módulos de células solares disponíveis no mercado e a tabela 01 compara as suas eficiências individualmente e em seus respectivos módulos solares.
Fonte: adaptado de VIANA (2011)
Figura 17 – Módulos de Silício disponíveis no mercado
Tabela 01 – Eficiências individuais e em módulos das principais tecnologias
Tecnologia Célula Individual (%) Módulo (%)
Silício Monocristalino 24 13,5
Silício Policristalino 18 11,6
Silício Amorfo (Filme Fino) 12,7 6
Fonte: adaptado de CASTRO (2008)
Entretanto, nessa tecnologia de células aparecem elementos que são tóxicos e o gálio, material base dessa célula, é escasso na natureza (RÜTHER, 2004).
Independente do módulo fotovoltáico escolhido para o projeto, o resultado qualitativo posterior é o mesmo, ou seja, o módulo gera energia elétrica em corrente contínua (CC), que pode ser armazenada diretamente em baterias ou usada no próprio local, ou pode-se colocar um inversor que transforma o sinal em alternado para posterior devolução para a rede elétrica.
Uma única célula fotovoltaica tem seus pólos positivo e negativo. Nos seus respectivos módulos, o pólo positivo de uma célula é ligado ao negativo da outra e assim sucessivamente já que ligando assim as células, em série, seus potenciais se somam, Figura 18.
Fonte: adaptado de VIANA (2011)
Figura 18 – Montagem do módulo fotovoltaico
Para efeito de se poder mensurar alguns possíveis benefícios de se integrar módulos fotovoltaicos em fachadas de edifícios será calculado quanto de dinheiro se economiza ao se utilizar esse sistema, para isso será calculado um valor médio de energia gerado em 30 dias e multiplicado esse valor em kWh pela tarifa cobrada pela concessionária (EDP Bandeirantes) em $/kWh, em seguida será feita uma comparação do valor economizado de energia com o gasto para adaptar esse sistema no edifício para calcular o payback do investimento.
do a-Sí é 5,26 reais/WP, entretanto deve-se considerar o custo de equipamentos
necessários para a instalação como módulos, inversores, cabos e mão de obra; desse modo, o custo da instalação total é cerca de 11,57 reais/WP (GOMES, 2009), sendo
que WP significa Watt de pico produzido, referente ao período de maior insolação.
O sol incide no Brasil a uma taxa média P = 1000 W/m2. Será considerado um edifício hipotético, um prédio de seção quadrada de 35 metros por 100 metros de altura (30 andares, cada andar com 3 metros e 30 cm separando laje e piso de andares consecutivos). Portanto, a soma das áreas das faces do prédio será 4x (20 x 100), que resulta 8000 m2. Será descontada 35% dessa área por motivos de espaços obrigatórios como janelas, ar condicionado e sacadas. Logo, a área total (AT) disponível para
colocação dos painéis é cerca de AT = 5.200 m 2
Desse modo, o edifício recebera energia do sol a uma taxa dada por P = 1000 W/m2 x 5.200 m2 = 5.200 kW. O rendimento (ƞ) dos módulos fotovoltaicos
de silício amorfo (filme fino) é da ordem dos 6%, conforme Tabela 01. Esse rendimento representa o quanto de potência incidente é de fato transformado em energia elétrica pelos painéis. A potência elétrica (PEL) é dada por:
PEL= ƞ x P = 0,06 x 5.200 kW
PEL = 312 kW
O custo da instalação total é dado por:
Custo total = 11,57 reais/WP x 312.000 Wp
Custo total = 3.609.840 reais
A energia é gerada (E) neste caso considerando, em uma hipótese pessimista, que a área total AT do prédio ficará exposta 5 horas a radiação solar. Não seria muito
razoável supor que a mesma ficasse exposta das 8 até 17h aproximadamente, pois deve-se ressaltar que a radiação que de fato contribui para o efeito fotovoltáico é a perpendicular ao plano dos painéis e que a medida que o dia vai transcorrendo no mínimo uma face fica fora da exposição direta dos raios solares de modo que o próprio prédio faz sombra em uma face. Por essas razões, serão consideradas somente 5 horas diárias. Portanto:
sendo que T é o tempo de exposição a radiação perpendicular de todas as faces, dado por T = 5 h. Desse modo, conclui-se que a energia gerada (EGERADA) por dia é EGERADA
= 312 kW x 5 h, ou EGERADA = 1.560 kWh.
A energia gerada por mês (EM) será EGERADA = 30 x 1.560 kWh, o que resulta em
EGERADA = 46.800 kWh.
Esta energia é a disponibilizada pelo sistema; entretanto, a energia devolvida à rede elétrica é um pouco menor, pois se deve ainda levar em consideração que o rendimento do inversor de CC para CA é de 0,90, o pó que se acumula na superfície dos painéis faz o rendimento total cair em 0,07. Normalmente é considerado um reajuste na eficiência do módulo fotovoltaica em função do aumento de temperatura, quando se aumenta a temperatura a eficiência diminui, Tabela 02 , entretanto para a-Sí isso não ocorre (GOMES, 2009).
Tabela 02 – Eficiências a 25 °C e corrigidas para uma temperatura de 45 °C
Tecnologia Eficiência (%) do módulo a
Eficiência (%) do módulo corri para 45°C
Silício Monocristalino 13,5 12,42
Silício Policristalino 11,6 10,7
Silício Amorfo (Filme Fino) 6 6
Fonte: adaptado de MIZGIER; MARINOSKI; BRAUN; RÜTHER (2006)
Logo, a energia que pode ser devolvida (EED) a rede elétrica por mês é:
EED = 0,9 x 0,93 x 46.800 kWh
EED = 39.172 kWh
Haverá uma economia mensal de dinheiro na medida em que essa energia gerada pelo sistema fotovoltáico integrado deixará de ser comprada da concessionária local.
Para o cálculo dessa economia será usado uma tarifa que um prédio residencial na cidade de Guaratinguetá paga, 0,33reais/ kWh. (EDP, 2011)
Esse dinheiro economizado poderia ser revertido para financiar uma academia, piscina, sala de jogos e mesmo pagamento de funcionários.
Estimativa do payback do investimento:
Payback = 3.609.840 reais/12.927 reais/mês Payback ~ 280 meses ~ 23 anos
A tabela 03 indica de maneira resumida os valores calculados acima para revestimento de 350 m2 de fachada considerando exposição máxima a radiação solar por 5 horas diárias, custo específico de instalação para cada tipo de módulo (Cesp), custo total de instalação para cada tipo de módulo (CT) e eficiência corrigida para t=45°C dos respectivos módulos (ƞ). Dentre os valores calculados estão a potência elétrica gerada (Pgerada), a energia gerada por dia (E gerada/dia), a energia gerada por mês (E gerada/mês), a energia elétrica devolvida a rede por mês (EE dev.), economia mensal de dinheiro (Economia/mês) e payback do sistema fotofoltaíco integrado.
Tabela 03 – Parâmetros calculados para o revestimento de 5.200m2
Cesp CT ƞ P gera E gerada/d E gerada/m E dev/m Economia/m PayBa
(reais/W (reais (% (kW (kWh) (kWh) (kWh) R$ anos
Silício Amor 11,57 3.609.8 6 312 1560 46.800 39.171 12.926,62 23,271 Silício
Monocristali 12,27 3.828.2 12, 645,8 3229,2 96.876 81.085,2 26.758,11 11,922 Silício Policrista 12,1 3.775.2 10 556,4 2782 83.460 69.856, 23.052,48 13,647
Embora o investimento inicial no revestimento com painéis de silício monocristalino seja maior, o seu payback é relativamente igual ao das outras tecnologias, pois a geração de energia e consequente devolução da mesma para rede elétrica é muito maior já que possui maio rendimento.
Desse modo, quando o sistema está instalado ele gera uma quantidade de energia elétrica praticamente sem custos, em particular, para esse exemplo apresentado acima, para o caso do silício mono, geraria 26.758,11 reais mensais de economia, tornando a construção fotovoltaica extremamente aconselhável do ponto de vista financeiro, além
incluir peso extra na construção (JESUS; ALMEIDA; PEREIRA, 2005). Entretanto, embora o fato da indústria fotovoltaica apresentar crescimento significativo em termos de descoberta de novos materiais, materiais mais baratos e mais eficientes essa tecnologia ainda possui alto custo de fabricação e instalação como foi constatado nessa estimativa hipotética feita acima.
É importante salientar que as fachadas prediais que não possuem sistema fotovoltaico integrado tem um custo relativamente alto em função do material escolhido para decorar o prédio, portanto deve-se levar isso em consideração no momento de prever gastos com a construção das fachadas. Caso se queira comparar o
custo da construção convencional com a “BIVT” deve-se saber que gastos com fachadas convencionais não retornarão nenhum dinheiro, com o passar do tempo, além de, em certos casos, o custo ficar próximo dos painéis fotovoltaicos.
Outro benefício é o fato de os materiais fotovoltaicos converterem uma boa parte da energia solar em energia elétrica; desse modo, a parede do edifício esquentará menos e conduzirá menos calor ocasionando uma redução no uso de trocadores de calor como ar condicionado usado para resfriar o ambiente.
O reconhecimento por parte do governo de que o conceito de sistemas fotovoltaicos integrados tem boas perspectivas é imperativo, e desse modo financiar pesquisas no sentido de abaixar o custo de fabricação e instalação.
2.7 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM ACADEMIAS ESPORTIVAS
Na busca por uma vida mais saudável milhares de pessoas frequentam academias esportivas com objetivos variados, perderem peso, ficarem musculosos, fazerem fisioterapia ou apenas se exercitarem.
Essa energia gasta em academias pelos usuários simplesmente se “perde” no
ambiente em forma de calor, entretanto, boa parte dessa energia pode ser recuperada por bicicletas ergométricas, pedaladeiras e elípticos, Figura 19.
Fonte: adaptado de Rounsevell; Shubert; Snitowsky; Wong (2009)
Figura 19 – da esquerda para direita, bicicleta, pedaladeira e elíptico
Tais aparelhos ajudam a queimar calorias e melhorar a função muscular através de movimentos giratórios repetitivos e periódicos com diferentes graus de resistência, sendo portanto ótimos geradores de energia elétrica.
Em 2007, várias academias de ginastica em todo o mundo começaram a utilizar a energia motriz humana para gerar energia elétrica; uma das pioneiras foi a academia
bicicletas ergométricas iluminavam uma parte do ginásio. Alguém se exercitando uma hora por dia pode gerar, ao final de um ano, 18 kWh de energia elétrica (HAJI; LAU; AGOGINO, 2010), Figura 20.
Fonte: Vgaphoto (2008)
Figura 20 – Academia Califórnia em Hong Kong
Uma empresa do Texas, a Henry Works, criou um sistema chamado Human Dynamo, esse sistema utiliza quatro bicicletas conectadas a um único alternador, Figura 21. Este projeto foi implementado pela primeira vez numa academia em Portland no final de 2008 por uma academia chamada Green Microgym.
O conjunto de bicicletas gera energia a uma taxa média de 400 W. Além desse conjunto de bicicletas a academia conta também com diversos aparelhos geradores de energia, dentre eles esteiras e elípticos. Com o aproveitamento da energia gasta pelos clientes a academia economiza cerca de 30% do gasto total (ROUSEVELL; SHUBERT; SNITOWSKY; WONG, 2009).
Com o slogan “Eletrifique seu treinamento” uma academia em Nova Iork
no momento, Figura 23 (KIOSKEA, 2010). O custo de instalação de cada bicicleta com seu sistema elétrico é cerca de 2000 reais (MUNIZ, 2010).
Fonte: Environmentalgraffiti (S/D)
Figura 21 – sistema gerador de energia
Fonte: Santos (2010) Fonte: Santos (2010)
Figura 22 – sala de spinning Figura 23 – mostrador da energia gerada
geradores funcionam baseados no mesmo princípio, no da indução de tensão quando se faz variar o fluxo magnético através de bobinas.
A escolha é feita em função do objetivo do aparelho. Pode-se ter o gerador de corrente alternada CA com a posterior retificação para CC antes de passar por um controlador de carga que fecha ou abre o circuito conforme o sistema de baterias for descarregando. Isto faz com que não haja sobrecarga na bateria (TESSMER, 2009).
Entretanto, pode-se gerar energia com um gerador em CC ligando as tensões individualmente produzidas em série em série de maneira a dar uma tensão elétrica maior e depois colocar um conversor CC-CA e devolver a energia para a rede elétrica.
Outra alternativa seria gerar em CA pois o gerador de CA trifásico de ímã permanente pois bem eficiente e como o motor não possui escovas tem baixo índice de interferência magnética (EMI). Atinge altas velocidades, apresenta altos torques e uma de suas notórias qualidades é o fato de ser relativamente menor e ocupar menor espaço (MENDONÇA, 2008).
As máquinas elípticas são as mais adequadas para serem adaptadas para geração de energia em academias pois tem um desenho e uma movimentação que favorece a variação de fluxo magnético no seu interior, entretanto é difícil atingir altas velocidades de giro como na bicicleta. Estudos comprovaram que um ser humano pode gerar 100 W de potência utilizando o elíptico por uma hora com um coeficiente de conversão de 0,85, (DEAN, 2008). Portanto, o mesmo gera 0,85 kWh de energia quando usado por uma hora.
O custo de instalar um aparelho elíptico para gerar energia elétrica é de 1120 reais e a vida média desses aparelhos que geram energia em geral são de 6 anos (HAJI; LAU; AGOGINO, 2010).
Sabe-se que uma pessoa pode gerar uma energia de 0,1 kWh por hora pedalando a 70 rpm, frequência de giro perfeitamente aceitável (ROUSEVELL; SHUBERT; SNITOWSKY; WONG, 2009).
Será feita uma estimativa no tempo de retorno do dinheiro gasto para a instalação de uma bicicleta e um elíptico para isso será considerado que:
x a energia gerada pelos aparelhos será economizada e portanto não será comprada da concessionária local.
x o valor da economia anual será igual ao valor total de energia gerado ao ano em kWh vezes o valor da tarifa paga pelo kWh, nesse caso 0,33 reais/kWh (EDP, 2011).
x o preço médio para instalação de uma bicicleta regeneradora de energia é de 2000 reais por bicicleta, tal qual foi o custo para a academia situada em Nova York e o custo de instalação para elípticos de 1120 reais por aparelho.
x ao se utilizar a bicicleta por uma hora gera-se 0,1 kWh e o elíptico 0,85 kWh.
x os aparelhos fiquem em uso 6 horas por dia, 5 dias por semana, 4 semanas ao mês, 12 meses por ano, portanto, horas funcionando por ano foram:
6 x 5 x 4 x 12=1440h Geração de energia na bicicleta = 1440 x 0,1 = 144 kWh
Economia anual com a bicicleta = 144 kWh x 0,33reais/kWh ~ 50 reais Tempo de retorno do investimento = 2000reais/50reais/ano = 40 anos Geração de energia no elíptico = 1440 x 0,85 = 123 kWh
Economia anual com o elíptico = 123 kWh x 0,33reais/kWh = 41 reais Tempo de retorno do investimento = 1120reais/41reais/ano = 27 anos
Ao se analisar estes dados conclui-se que investir em máquinas que geram energia elétrica em academia não é viável economicamente pois o investimento por máquina é relativamente alto, o retorno é demorado e o tempo médio de vida útil de uma máquina dessas é de 6 anos.
Entretanto, pode ser que o comprador destas máquinas consiga um desconto considerável ao comprar muitas máquinas, o que diminuiria o tempo de retorno do investimento.
começariam a frequentar a academia, teria mais geração de energia e o payback não seria tão demorado.
Também deve se levar em consideração o fato de haver um aumento do número de clientes em academias em função de as pessoas se entusiasmarem em saber que ao mesmo tempo em que se exercitam também estão gerando energia elétrica, inclusive este fato poderia fazer as pessoas se interessarem pela questão, e quem sabe usarem aparelhos que geram mais energia, ou deixarem de usar aqueles aparelhos que gastam muita energia.
Muitas das instalações recreativas que têm aparelhos de ginástica adaptados para aproveitar a energia gerada em academias alegam investir não para os benefícios económicos, mas para as sociais (HAJI; LAU; AGOGINO, 2010).
2.8 APROVEITAMENTO DA ENERGIA DE SUBIDA E DESCIDA DE ELEVADORES
Elevadores são instalados em edificações com a finalidade de fazer o transporte vertical de pessoas de um nível topográfico ao outro, e para isso utilizam energia elétrica para mover um motor geralmente instalado na parte superior do edifício que tem a função de tracionar o cabo que sustenta a cabina do elevador, tanto na subida quanto na descida.
Os elevadores para transporte vertical de pessoas são indispensáveis em edificações visto que sem eles o deslocamento entre andares do edifício seria uma tarefa dificil, pois atualmente as edificações estão cada vez maiores.
Os elementos básicos constituintes de um sistema de elevador são:
usada a denominação cabina para designar o lugar em que as pessoas são transportadas.
Fonte: Ihelpweb (2011) Figura 24 – cabina de elevador
x Cabos de aço: prendem a cabina ao motor elétrico e ao contrapeso.
x Contrapeso: tem a função de contrabalancear, na descida, a força no motor, e de diminuir a força feita pelo motor na subida, em outras palavras, mantem uma tensão suficiente no sistema de suspensão de modo a assegurar uma tração adequada nos cabos que passam pelo motor e polias. É feito por uma armação metálica constituida de duas longarinas e dois cabeçotes, por onde são fixados pesos. Possui 40 a 50% do peso do elevador cheio (cabina + pessoas). A cabina e o contrapeso deslizam pelas guias (trilhos de aço do tipo T), através de corrediças.
instalado na máquina de tração. Embora exista esse freio, existe outro freio de segurança para situações de emergência.
Fonte: Centralelevadores (S/D) Figura 25 – motor elétrico
Fonte: Rmelevadores (2008)
Figura 26 – quadro de comandos eletrônicos e motor elétrico
x Casa de máquinas (Figura 27): é o local, geralmente na parte superior, destinado a colocação do motor elétrico, quadro de comandos eletrônicos, baterias e outros componentes do elevador.
Fonte: Rmelevadores (2008)
Figura 27 – esboço da casa de máquinas
Fonte: Sigmaelebra (2010)
Figura 28 – esboço do funcionamento básico de elevadores
Os elevadores convencionais consomem certa quantidade de energia para subir ou descer e não a reutilizam quando possível. Pensando em aproveitar essa energia que estão sendo lançados, por diversas empresas, dentre elas Otis, Thyssenkrupp e Atlas
Schindler, os denominados “elevadores verdes” que surgiram para se adequar ao
conceito dos green buildings, construções verdes, que possuem como idéia central a menor agressão possível ao meio ambiente, levando em consideração os materiais escolhidos para sua confecção, eficiência energética e menor agressão ambiental possível.
O sistema de “elevadores verdes” trás diversos benefícios tais como eliminação
de ruído e vibrações, melhorias em segurança, viagens mais seguras e maior eficiência com economia de energia podendo chegar a 40% (ARBOLEDA, 2006).
Basicamente o que tornam esses elevadores mais eficientes são o sistema de inversor (variador) de frequências e voltagem (VVVF) e o sistema de regeneração de energia.
funcionam para acelerar ou desacelerar o motor com respectiva mudança na tensão aplicada. Em outras palavras, geram tensão e frequências ajustáveis (ARBOLEDA, 2006).
A velocidade do um motor é calculada pela seguinte expressão:
N = (60 x F) / p (1) sendo que: N = velocidade do motor [RPM]
F = frequência da rede [Hz]
P = número de pares de pólos do motor
Com a simples análise da equação anterior nota-se que se variar a frequência da rede a velocidade do motor também mudará.
Os inversores podem ser escalares ou vetoriais. Os inversores escalares devem manter a relação V/F (Tensão/Frequência) constante, entretanto tem baixa resposta dinâmica não sendo adequados para uso em que é necessário controle do torque aplicado, são comumente encontrados no controle de bombas e ventiladores quando necessitasse de partidas e paradas controladas.
Os inversores vetoriais possuem uma programação de controle mais complexa que o escalar podendo ser empregados em situações que se exige controle instantâneo do torque produzido. Eles variam a relação V/F de modo a otimizar o torque para qualquer condição de rotação, sendo o mais utilizado em elevadores verdes (SEDRA; SMITH, 2000).
Um determinado motor convencional é projetado para trabalhar numa determinada frequência (F) com uma velocidade nominal (N) e com um torque nominal (T). Entretanto antes de atingir o torque nominal o motor do elevador necessita-se de um alto torque de partida, Figura 29. Os inversores trabalham na região delimitada pelas retais verticais azuis.
Fonte: adaptado de Weg (S/D)
Figura 29 – campo de atuação de inversores.
Os sistemas VVVF podem variar a frequência e a tensão de modo a obter o torque requerido pelo motor em função da carga e por isso otimizam o uso de energia, gastando até 40% menos de energia elétrica que os sistemas convencionais de elevadores de 2 velocidades (ARBOLEDA, 2006), Figura XX.
Em razão do torque de partida ser menor “aceleram” de maneira gradual
propiciando partidas e paradas mais suaves, além disso não produzem aquecimento excessivo do motor CA .
Fonte: ThyssenKrupp (S/D)
Figura 30 – comparação entre sistema VVVF e convencional
Fonte: adaptado de Castro (2008) ; WEG (S/D)
Figura 31 – Sistema inversor de frequência e tensão (VVVF)
O outro sistema é o de regeneração de energia que faz com que parte da energia cinética seja convertida em energia elétrica.
Ocorre quando a frequência do sinal fornecido ao motor é diminuída controladamente pelo inversor, neste momento a frequência do estator (parte fixa do motor) se torna menor que a do rotor (parte móvel do motor). Quando isto ocorre, o motor síncrono (rotor gira em sincronia com o campo magnético do estator) passa a funcionar como um gerador assíncrono, pois o campo girante do estator gira em uma velocidade diferente da do rotor que continua, por inércia, a girar com a mesma frequência, nesse caso há consequente conversão de energia cinética em elétrica e o gerador atua como um freio. Essa é a denominada frenagem regenerativa e gera energia toda vez que o elevador desacelera para parar em algum andar (GARCIA, 2003).
supervisório local corta o fluxo de corrente ao motor e o mesmo trabalha como um gerador (BALTAR, 2006).
Esse sistema regenerador de energia possibilita a economia de 30 a 40% no consumo de energia elétrica em qualquer edifício onde o taxa de consumo for acima de 26 kW. A energia regenerada pode ser devolvida para a rede elétrica por um conversor bidirecional de fluxo de corrente ou distribuída para outro elevador que estiver precisando (THYSSENKRUPP, 2011).
Deve-se ressaltar o fato de que VVVF e drivers regeneradores de energia passaram a ser usados juntamente com o motor CA síncrono de ímãs permanentes (máquina Gearless), pois nos elevadores convencionais o motor usava engrenagens (máquina Geared) para reduzir velocidades e transmitir torque e como mencionado o elevador ficava limitado a apenas 2 velocidades e ocupava muito espaço devido ao sistema de engrenamento (GARCIA, 2003).
O sistema de regeneração de energia pode variar em função da carga do elevador, deslocamento no percurso e velocidade da cabina, que pode variar de 0,75 a 17 m/s nos elevadores comerciais encontrados no mercado.
Há de se mencionar que alguns elevadores verdes existentes no mercado não possuem casa de máquinas. Em razão de o motor ser menor, é instalado dentro do fosso do elevador, na parte superior, possibilitando o uso do espaço que antes seria para a casa de máquinas para outro fim. Ainda no contexto de sistemas de elevadores com melhor uso da energia outra melhoria que algumas empresas estão lançando é o sistema de gerenciamento de chamadas, para prédios que tem vários elevadores por
andar. Quando uma determinada pessoa “chama” um elevador o sistema de
gerenciamento de chamadas a encaminha para um elevador que já está naquele determinado trajeto (SACHS, 2005).
Sabe-se que a quantidade de energia gasta com elevadores é cerca de 5% do consumo total de energia do prédio (ANIBAL, 2010).
O consumo per capita anual de energia em 2010 era de 13.417 kWh (MELO, 2010).
Consumo anual de energia do prédio = 30 x 4 x 4 x 13.417. Consumo anual de energia do prédio = 6.440.160 kWh
Consumo anual de energia com o elevador convencional = 0,05 x 6.440.160 kWh.
Consumo anual de energia com o elevador convencional = 322.008 kWh Tarifa paga pelo kWh é de 0,33 reais, no caso de edifícios (EDP, 2011).
Economia anual de energia com elevadores “verdes” = 0,7 x 322.008 kWh
Economia anual com elevadores = 0,33 x 0,7 x 322.008 ~75.000 reais
Percebe-se que o retorno financeiro, para esse caso da instalação de 1 “elevador verde”, é alto em um relativo curto espaço de tempo. Embora o investimento na
instalação possa ser alto, o payback é curto, quando comparado com outras tecnologias
estudadas anteriormente. Mesmo que um “elevador verde” possa custar em torno de 300.000 reais, o retorno se daria em 4 anos.
2.9 APROVEITAMENTO DA ENERGIA DE VIBRAÇÃO
Fonte:adaptado de Galhardi; Guilherme; Lopes Junior (2008) Figura 32 – Comportamento de materiais piezoelétricos
Fonte: Adaptado de Maria (2010)
Figura 33 – Aplicações do efeito piezoelétrico
A piezoeletricidade foi descoberta em 1880 por Jacques Curie e Pierre Curie durante um estudo de geração de corrente elétrica aplicando certa pressão em materiais como o quartzo (zirconia e turmalina), é uma propriedade de um pequeno grupo de materiais.
Os piezoelétricos mais utilizados no aproveitamento de energia de vibração são as cerâmicas a base de titanato zirconato de chumbo (PZT) nas suas mais variadas formas microestruturais, sendo que o mais utilizado é o PZT-5H (WU, 2009).
Para o aproveitamento de vibração a idéia é instalar esses chips de PZTs em locais onde exista um bom potencial vibracional para posterior conversão em energia elétrica para se carregar baterias.
Como é o exemplo de uma estação de metrô de Tokio que instalou um piso constituido de PZT abaixo de 5 portões de bilhetes (catracas), Figura 34. O investimento experimental gerou cerca de 36 MWh por dia de energia elétrica (GALHARDI; GUILHERME; LOPES JUNIOR, 2008).
Fonte: adaptado de (GALHARDI; GUILHERME; LOPES JUNIOR, 2008).
As aplicações para se recolher a energia de vibração são muitas, como aplicação em músculos humanos com o objetivo de se disponibilizar energia para alimentar marcapassos, instalação em pontes e viadutos para aproveitar a energia de vibração disponibilizada pela passagem de carros, sob o asfalto de rodovias, ou mesmo no chão de danceterias e casas noturnas, como é o caso de um bar em Londres chamado Suria que gera 60% das necessidades energéticas do local, Figura 35.
Fonte: Environmenttimes (2011)
Figura 35 – Bar Suria, exemplo de aproveitamento de energia vibracional
Com o piezoelétrico, a cada passo uma pessoa de 60 kg produz cerca de 0,1 W de potência, e 1 km de pista rodoviária revestida com material piezoelétrico pode gerar 200 kW quando submetida ao movimento intenso (SILVEIRA, 2010).
Fonte: adaptado de (GALHARDI; GUILHERME; LOPES JUNIOR, 2008).
Figura 36 – esboço da instalação de piezoelétricos em superfícies
A vibração do PZT faz gerar uma corrente alternada de frequência igual a frequência de excitação. Após ser gerada essa corrente alternada uma parte da energia é perdida devido à resistência (impedância) do próprio material piezoelétrico, depois o sinal deve passar por um sistema retificador (normalmente composto por diodos e capacitores) para ser retificado para corrente contínua (CC), pois as baterias necessitam de um sinal em corrente contínua para o seu carregamento, Figura 37. Na retificação do sinal perde-se, em média, 0,5 V da tensão máxima, esse valor perdido é inerente da tecnologia atual de retificadores(SEDRA; SMITH, 2000).
Fonte: adaptado de (GONÇALVES, 2011)
Após o sinal ser retificado deve-se tentar deixar a impedância da bateria o mais próximo da impedância interna do PZT (casamento de impedâncias – feitos normalmente por circuitos eletrônicos de chaveamento) para que ocorra a máxima transferência de potencia entre o PZT e a bateria (carga) (SEDRA; SMITH, 2000), como se observa na Figura 38.
Figura 38 – esboço de um circuito gerador
Em média, a densidade energética do PZT-5H é de 35,4 mJ/cm³ = 2,8x10-10 kWh/cm3 e essa energia é gerada segundo a regra de que quanto maior for a deformação e frequência de oscilação sofrida por um transdutor PZT maior será seu potencial energético (EGGBORN, 2003).O preço de uma pastilha de PZT é em torno de R$ 4,5/cm3 (SODANO; INMAN; PARK, 2004).
Será feita uma estimativa da energia gerada durante um dia de uma pessoa não sedentária, para isso será suposto que o solado de um tênis qualquer é composto por materiais piezoelétricos. Para tanto, admite-se que:
x Com o piezoelétrico, a cada passo uma pessoa de 60 kg produz cerca de 0,1 W de potência (SILVEIRA, 2010);
x a pessoa que caminha tem 60 kg, para coincidir com a informação acima;
x Uma pessoa não sedentária dá, em média, 10.000 passos por dia (VEJAONLINE, 2008);
No caminhar de um ser humano, quando um pé levanta do solo, imediatamente depois o outro toca o solo, portanto podemos concluir que se ele der 10.000 passos sem parar, vai gerar energia durante o tempo todo.
Tempo gerando energia no dia = 10.000 passos x 0,5s/passo = 5.000s ~ 1,4h
Energia gerada durante o dia = potência x tempo = 0,1 x 1,4 = 0,14 Wh = 0,00014kWh Para esse caso do tênis a energia acumulada seria extremamente baixa, mesmo considerando 1 mês, 1 ano ou considerando atletas que dêem muitos passos por dia.
Essa estimativa confirma o fato de a geração de energia ser pequena quando a frequência que o piezoelétrico é excitado e a deformação sofrida por ele é pequena. Entretanto em exemplos como o de rodovias submetidas a alto fluxo de veículos a energia gerada é alta, as mesmas podem gerar 200 kW (SILVEIRA, 2010). Essa energia é gerada em uma única faixa (cerca de 3,6m de largura), com a condição de se passar por um mesmo ponto 20 carros/min (CONSONI; MANENTI, 2010). Portanto em uma hora de tráfego a pista geraria 200 kWh de energia, ou seja, 66 reais a cada hora. Cidades como São Paulo possuem horários em que o trânsito permanece nessas condições, no mínimo 5 horas por dia, há locais em que existem 5 pistas, que gera uma economia de energia de 1.650 reais por dia.
O desafio principal encontrado no aproveitamento de energia está na quantidade de energia que os dispositivos piezoelétricos podem gerar em situações quotidianas que o mesmo poderia ser empregado em relação à demanda de energia dos equipamentos eletrônicos.
3 FORMAS DE MOBILIDADE UTILIZANDO TECNOLOGIA
RENOVÁVEL
principalmente da combustão de fontes fósseis, resultando em um aumento na temperatura global com consequências imensuráveis para o planeta. Na figura 39 ilustra-se uma das consequências do derretimento das calotas polares.
Fonte: Carlos (2009)
Figura 39 – derretimento de blocos de gelo, decorrente do efeito estufa
Do ponto de vista social, as pessoas que respiram esse ar dotado de gases tóxicos vêm tendo cada vez mais problemas respiratórios. Como exemplo, o monóxido de carbono (CO) que se liga a hemoglobina das pessoas e assim persiste, fazendo com que o indivíduo fique, com o passar do tempo, com insuficiência respiratória, stress, deficiência na capacidade psicomotora, dor de cabeça, alucinação, depressão, angina, sincope, asfixia. A poluição automotiva pode causar em longo prazo, inúmeras doenças respiratórias, dentre as quais se destacam a fibrose pulmonar e o câncer do trato respiratório, tudo isso em conseqüência de inúmeros gases de escape de motores de combustão interna (LISBOA, 2007). Isto tem feito até mesmo com que a propaganda para venda de veículos sinalize para tais questões, como se vê na Figura 40, relativamente à venda de veículos na Espanha. Sendo assim, é imperativo que veículos com tecnologias renováveis sejam analisados.
Fonte: arquivo pessoal Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Figura 40 – ilustração do anúncio de venda de veículo em Barcelona, Outubro de 2012.
3.1 VEÍCULOS MOVIDOS A ENERGIA SOLAR
Veículos que utilizam sistemas fotovoltaicos obtém energia elétrica a partir de tais sistemas para posteriormente ser utilizada por um motor elétrico. A energia elétrica a ser usada por esse motor também é armazenada em baterias .Esse sistema tem a vantagem de ser simples se comparado com outros métodos de obtenção de energia, não possui partes mecânicas móveis, é uma fonte silenciosa, renovável e não poluente (SCHMIDT, 2008).
As desvantagens estão nas baterias, que para aplicações fotovoltaicas em automóveis não são as ideais. Elas são submetidas a diferentes situações operacionais em função do nível de radiação solar e de consumo e, com isso, podem ocorrer cargas e descargas irregulares, descargas profundas ou sobredescargas, sobrecargas, além das variações de temperatura no local. Em dias nublados a autonomia do veículo também fica comprometida (CÁNOVAS, 1996).
Franceses e italianos se esforçaram para dar origem ao Bluecar, um carro com motor elétrico carregado graças a painéis fotovoltaicos localizados em cima do carro, travagem regenerativa quando este esta freando e por meio de tomada como os carros elétricos comuns (CAJÃO, 2009). Espera-se que este veículo chegue as ruas em 2010 (Figura 41).
Fonte: Bitaites (2009)
3.2 VEÍCULO ELÉTRICO
Nos veículos elétricos, a eletricidade é fornecida por baterias alimentadas externamente; em veículos dotados de painéis fotovoltaicos, a eletricidade é obtida diretamente do sol para carregar suas baterias para posteriormente ser usada no motor elétrico.
Esse veículo, em comparação com os automóveis movidos a combustão interna, possui maior eficiência energética e é relativamente simples, além de não produzir gases de combustão. Um grande diferencial dos veículos elétricos é a capacidade de regeneração da energia cinética; é possível carregar baterias e até capacitores com ajuda de um regenerador de energia. Nesse caso, quando o veículo precisa acelerar, o motor age como um motor propriamente dito, no caso em que o veículo precisa desacelerar ou frear, o motor age como um gerador para carregar as baterias e capacitores. Esse processo de transformação da energia cinética em energia armazenada nas baterias se chama regeneração da energia de travagem e é muito relevante pois 60% da energia utilizada em um veículo urbano é utilizada para vencer a inércia (GERMANO; ANTUNES, 2003).
A maior desvantagem dos automóveis elétricos é a capacidade das baterias, pois estas se descarregam rapidamente, além do que são pesadas e existe o problema ambiental quando as mesmas precisam ser descartadas .
Fonte: Kenneth (S.D.)
Figura 42 - ilustração do EV1
Na atualidade, inúmeros veículos elétricos vêm sendo lançados, em resumo, não atingem altas velocidades, possuem autonomia de no máximo 200 km, mas “andam”
quase de graça, é como se andasse 60 km com um litro de gasolina. Os problemas das baterias é uma constante. O modelo da Volkswagen lançado recentemente foi o E-up (Figura 43).
Fonte: Carplace.virgula.uol (2009)
3.3VEÍCULO HÍBRIDO ELÉTRICO/MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI).
Nessa categoria de veículos os mais utilizados possuem um motor de combustão interna de baixa cilindrada em conjunto com outro motor elétrico, cada um com potencia de cerca de 70 cilindradas. Na partida e em uma velocidade de até 30 km/h, ou seja, em baixas rotações, somente o motor elétrico é acionado, o outro permanece desligado. Se o veículo trafegar até 30 km/h o motorista estará dirigindo um veículo
“totalmente” elétrico e sem emissões de gases (GOLDENSTEIN; SIAS, 2006).
Em condições normais, os dois motores fornecem potência de propulsão ao veículo. A força é dividida entre eles para aumentar a eficiência porém eles podem trabalhar de forma independente. Caso ocorra um excesso de potência vinda dos motoress, esta é utilizada para carregar a bateria através de um gerador. Durante a aceleração, o motor elétrico tem a função de auxiliar o motor de combustão a obter um maior impulso, como no caso de uma ultrapassagem. Durante a desaceleração, o motor elétrico pode atuar como um regenerador da energia cinética e trabalhar como um gerador, carregando a bateria. Este veículo polui cerca de 80% a menos que um veículo convencional e gasta em torno de 50% a menos de combustível.
Essa tecnologia viabiliza um carro de muito maior eficiência energética, com um consumo médio de cerca de 25 km/litro de gasolina. E apesar de custar, em média, 30% a mais do que um veículo com motor de combustão interna, já foram comercializadas em torno de 500 mil unidades do Toyota Prius, sobretudo nos EUA e Japão (TAKEHIRO, 2008).
Fonte: Fslonik (2010)
Figura 44 - ilustração do Toyota Prius
3.4 VEÍCULO COM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) USANDO BLOQUEIO DE PISTÃO
Para entender um pouco sobre esses novos motores uma rápida abordagem acerca dos sistemas de aberturas (admissão) e fechamento de válvulas que controlam a entrada e saída dos gases dos cilindros de automóveis será feita.
o pistão sobe empurrando-os para fora do cilindro(exaustão). Depois o processo reinicia-se.
Nos automóveis convencionais é comum encontrar motores com 4 cilindros, cada cilindro estando ligado a uma peça chamada virabrequim por uma biela conectada ao pistão. O virabrequim, por sua vez, está conectado através de uma correia dentada a uma peça chamada arvore de comandos, e é essa peça (arvore de comandos), que é responsável por controlar a abertura e fechamento das válvulas de admissão e exaustão. Na Figura 45 encontra-se uma ilustração de um motor de combustão interna, com a identificação de suas partes principais.
Figura 45 - Motor de Combustão Interna
