Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico
Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de
Engenharia Mecânica
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RELATÓRIO DE ESTÁGIO – 1/3
Período: de 01/mar/09 a 01/jun/09
GRANTE – Grupo de Análise e Projeto Mecânico
Nome do aluno: Françoá J. Horn Nome do supervisor: Lauro Cesar Nicolazzi
Nome do orientador: Edison da Rosa
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Sumário
1. O GRANTE ... 3
1.1. Exemplo de trabalho realizado recentemente ... 3
2. Cronograma ... 6
3. Introdução ... 7
4. Concepção do sistema ... 8
4.1. Como funciona o KERS... 9
5. Fontes de energia ... 11
5.1. Dispositivos de armazenamento ... 11
5.1.1. Baterias ... 11
5.1.2. Capacitores... 17
5.1.3. Flywheel ... 19
5.2. Opção por Flywheel ... 21
6. Conclusão ... 22
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1. O GRANTE
Grupo de Análise e Projeto Mecânico do Departamento de Engenharia Mecânica atua no ensino, pesquisa e extensão e é composto por uma equipe dedicada ao desenvolvimento e utilização de ferramentas de simulação mecânica, necessárias nas etapas de projeto e verificação de projeto de sistemas mecânicos.
A área de atuação da equipe se insere no contexto da Mecânica dos Sólidos Computacional: Modelamento Mecânico, Métodos Numéricos - Elementos Finitos e de Contorno, Técnicas de Otimização de Projeto, Dano e Fadiga, Mecânica da Fratura, Materiais Compostos, Confiabilidade, dentre outros. O foco do trabalho está dirigido a atender os seguintes aspectos:
Desenvolvimento das ferramentas de simulação, seus fundamentos teóricos e numéricos para aprimorar a análise e resolução de problemas complexos.
Aplicação de técnicas de simulação dominadas em situações de projeto e verificação de projeto de problemas reais / industriais / multidisciplinares.
Experimentação através da determinação de propriedades mecânicas de materiais (elásticas, viscoelásticas, plásticas, fadiga); análise experimental de tensões por extensometria e desenvolvimento de transdutores.
1.1. Exemplo de trabalho realizado recentemente
Análise de formações em calhas de PVC
Objetivo: Determinação do campo de tensões e deformações em um segmento de protótipo de calha de água de chuva de PVC, por métodos experimentais (extensometria) e numéricos, por exemplo,
4 elementos finitos, A análise considera deslocamentos, contato e a não linearidade do material do anel de borracha de vedação.
Descrição: Um sistema versátil tem sido desenvolvido pela Tigre, que consiste numa calha de PVC com componentes encaixados e ajustados manualmente durante a instalação. Dois segmentos de calha são conectados através de conexões com a forma ilustrada na figura. A vedação calha - conexão é feita por um anel vedante, feito de borracha macia.
O comportamento mecânico do conjunto é definido pelo fenômeno de fluência do material da calha, em presença das temperaturas de trabalho. No momento da montagem, o anel e a braçadeira impõem um estado de tensões iniciais à extremidade da calha. Com o tempo, o nível de temperatura eleva os deslocamentos, que devem ser limitados para manter a boa vedação do conjunto.
Figura 1 Conexão com anel de vedação e abraçadeira e malha de elementos finitos do conjunto calha-base-anel
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AUTORES:
Eduardo A. Fancello, D.Sc. Paulo de Tarso Mendonça, Ph.D.
Edison da Rosa, D. Eng.
CLIENTE:
Tigre S.A. – Tubos e Conexões, Joinville, SC.
Figura 2 - Detalhe dos extensômetros montados no interior da calha
Figura 3 - Sistema de aquisição de dados formado pelo módulo Spider 8-30 e PC
Figura 4 - Tensão na direção do perfil transversal da calha. Vista interna
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2. Cronograma
Tabela 1- Atividades propostas
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3. Introdução
Questões ambientais e econômicas traçam as regras do desenvolvimento limpo, eficiente e sustentável de veículos urbanos de transporte. Os automóveis possuem grande importância no nosso dia-a-dia, ainda que as emissões dos escapamentos de motores a combustão interna convencionais sejam expressiva fonte de poluição contribuindo para o efeito estufa e conseqüente aquecimento global.
A dependência do petróleo como fonte única de energia para veículos de passageiros tem implicações políticas e econômicas, além de que a crise se confirmará inevitavelmente à medida que as jazidas mundiais forem diminuindo. O número de automóveis em nosso planeta dobrou para cerca de um bilhão ou mais nos últimos 10 anos. O crescimento no número de automóveis que são introduzidos nas estradas anualmente agrava ainda mais o problema da poluição.
Há também o fator econômico inerente aos baixos níveis de eficiência dos motores de combustão. Embora o número de veículos elétricos não seja alto, a eficiência que é definida em base de conversão da energia específica do petróleo cru para a produção de torque nas rodas faz a diferença. Nesse contexto insere-se o conceito de um veículo urbano, híbrido, do tipo triciclo invertido, de baixo peso e com capacidade para duas pessoas.
Com a meta de aumento da eficiência o veículo será adaptado com um dispositivo KERS (Kinetic Energy Recovering System) o que permite a recuperação da energia dissipada na frenagem para posterior uso na retomada de velocidade. Entretanto, o princípio de funcionamento do KERS é baseado na rotação de um volante e associado a ele está a presença do efeito giroscópico que dificulta a manobrabilidade do veículo. Isso será revisto adiante.
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4. Concepção do sistema
KERS não é um nome - é a sigla de Kinetic Energy Recovering System (sistema de recuperação de energia cinética). Embora seja chamado de sistema, o KERS é na verdade um conceito. Diferentes sistemas podem ser usados para cumprir o objetivo do KERS, que é acumular energia gerada nas frenagens - que seria desperdiçada - para ser usada quando o carro precisa acelerar.
O KERS foi incluído no regulamento da Fórmula-1 para 2009, inicialmente como opcional. As regras permitem que as equipes desenvolvam seu próprio sistema ou comprem de terceiros, sem obrigá-las a usar o equipamento.
Figura 5 - Câmara fechada e volante do sistema da Williams F1.
A potência fornecida pelo KERS representa cerca de 10% da potência máxima de um motor de F-1 e deverá ser particularmente útil em ultrapassagens. Pelo regulamento, a cada volta o KERS poderá liberar no máximo 400 kJ, e nunca mais de 60 kW num determinado instante, o que na prática significa que o piloto terá por 6,7 segundos toda a potência adicional (são cerca de 80 cv).
Os pilotos precisam o tempo todo ter controle sobre o KERS - não pode haver sistemas automáticos para ligá-lo nem desligá-lo. O mais provável é que o piloto use um botão no painel do carro.
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4.1. Como funciona o KERS
Um dos fabricantes de KERS é a Flybrid, que desenvolveu um sistema baseado num volante acoplado por embreagem a um câmbio CVT esquema da Fig. 7, ligado ao câmbio do carro. O volante, feito de aço e fibra de carbono, gira a mais de 60.000 rpm no vácuo, graças a uma câmara selada, para diminuir o atrito. O equipamento completo pesa 24 kg e é capaz de gerar até 60 kW (pouco mais de 81,5 cv).
É o controle da relação das polias do câmbio CVT que define quando o sistema armazena ou libera energia. Na desaceleração, o movimento é dirigido ao volante, que acumula energia cinética (energia de movimento).
A tecnologia da Flybrid não é exatamente nova. A própria empresa explica que alguns veículos híbridos, como ônibus, e até protótipos de carros, já empregaram algo semelhante. A Flybrid conseguiu, no entanto melhorar o sistema, graças ao uso de um volante muito leve, que compensa a falta de momento de inércia rotacional com a altíssima rotação. Segundo a Flybrid, foi possível também uma redução significativa do efeito giroscópico.
Figura 6 – Esquema de CVT
O sistema desenvolvido pela Williams também usa um volante, mas ele é acionado eletricamente, e não há um câmbio CVT. No KERS da Williams o volante, também mantido em compartimento com vácuo, é produzido em fibra de carbono, com rolamentos de cerâmica e eixo de aço, e ultrapassa 100.000 rpm (Fig. 8).
10 No volante do sistema da Williams partículas magnéticas são incorporadas ao material do volante, e a passagem de corrente (gerada nas frenagens, graças à ligação dos semi-eixos com um gerador o leva a acelerar. Um inversor permite o fluxo no sentido contrário - quando o piloto aperta o botão de acionamento do KERS, o volante funciona como um gerador, enviando corrente ao motor elétrico auxiliar.
Figura 7- Esquema em corte.
No caso da Ferrari não é utilizado flywheel para armazenar energia e sim baterias de alta performance. Um motor/gerador é acoplado diretamente ao diferencial do veículo absorvendo energia e armazenando-a em baterias. Quando necessário a energia é devolvida ao motor/gerador que transmite o torque às rodas através do comando do piloto. A outra solução de engenharia para este caso é o acoplamento do motor/gerador diretamente no eixo do virabrequim do motor de combustão.
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5. Fontes de energia
5.1. Dispositivos de armazenamento
O grande gargalo para a produção em massa de veículos com o sistema KERS é o dispositivo de armazenamento da energia que deve aliar altos níveis de energia específica – energia por unidade de massa do equipamento – assim como potência específica, portabilidade e tempo de vida que é definido como sendo o número de vezes em que o dispositivo é capaz de receber carga e descarga. Para tanto há disponível no mercado três tipos de dispositivos: as baterias, os capacitores e os Flywheels.
5.1.1. Baterias
As baterias são feitas de células unitárias contendo energia química que é convertida em energia elétrica. Uma ou mais destas células eletrolíticas são conectadas em série para formar uma bateria. As células agrupadas são então interligadas em série ou paralelo para entregar as tensões e as potências desejadas.
A energia armazenada na bateria é a diferença, em energia livre entre os componentes químicos, nos estados carregados e descarregados. Essa energia química disponível numa célula é convertida para energia elétrica somente na existência de demanda, usando os componentes básicos de uma célula unitária, os quais são os eletrodos positivo e negativo, os separadores e a solução eletrolítica.
Os processos químicos de oxidação e redução ocorrem nos dois eletrodos, por causa disso, elétrons se aderem e são liberados, respectivamente. Os eletrodos devem ser condutores elétricos e estarem posicionados em diferentes lados de um separador como mostrado na figura 8. Durante a operação da bateria, reações químicas em cada um dos eletrodos causam fluxo de elétrons de um para o outro, entretanto, o fluxo de elétrons nas células é sustentável somente se os elétrons gerados na reação química são capazes de fluir através de um circuito elétrico externo conectado aos dois eletrodos. Os pontos de conexão entre os eletrodos e o circuito externo são chamados de pólos da bateria. O circuito externo comanda o fluxo de energia da bateria devido a sua demanda.
12 Deve ser mencionado que somente em casos ideais a descarga da bateria ocorre na presença de circuito externo ligado aos dois pólos, porém, na realidade a bateria sofre uma lenta descarga devido a efeitos de difusão. Motivo pelo qual, elas não são relativamente boas para o armazenamento de energia por longos períodos. Este fator pode ser utilizado como indicativo da qualidade da bateria.
Figura 9 – Célula de bateria.
Há hoje no mercado uma vasta gama de baterias tais como: chumbo ácido, níquel metal hidreto, níquel cádmio, zinco ar, lítio polímero, sódio enxofre, íons de lítio, alumínio ar, etc.
Chumbo/ácido (Pb-acido): Essa bateria é a mais popular escolha para veículos elétricos em geral, podem ser projetadas para alta potência e são baratas, seguras e confiáveis. Sua estrutura é a mais conveniente para a reciclagem, entretanto possui baixa energia específica, baixo desempenho em baixas temperaturas e curto ciclo de vida.
A reação química para o eletrodo positivo pode ser representada como:
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Equação 1
Construção: o processo de fabricação típico dessas baterias consiste em intercalar os eletrodos positivos e negativos para formar a célula. A partição da conexão da bateria é mostrada na figura 10.
A placa positiva é feita de uma pasta rígida do material ativo.
A grade, feita de uma liga de chumbo adequada, é a estrutura da bateria portátil. As placas positivas podem ser configuradas de forma plana colada ou na forma tubular. As placas negativas são sempre fabricadas como placas coladas.
Níquel/cádmio (NiCd): este é um exemplo típico de bateria alcalina, onde a energia elétrica é derivada de uma reação química de um metal com oxigênio em um meio eletrolítico alcalino. A energia específica das baterias alcalinas é diminuída devido a adição de peso do metal transportador. A bateria de NiCd emprega óxido de níquel como eletrodo positivo e cádmio metálico como eletrodo negativo. A reação que ocorre numa solução eletrolítica de potassa KOH, ou seja, hidróxido de potássio é dada por:
Equação 2
A energia específica das baterias de NiCd fica em torno de 30 a 50Wh/kg, o que é similar as baterias de chumbo/ácido. As vantagens
14 desse tipo de bateria é o superior desempenho em baixas temperaturas se comparado as de chumbo/ácido, tensão de descarga constante, vida longa e excelente confiabilidade. As exigências de manutenção também são baixas. Os maiores inconvenientes das baterias NiCd são o alto custo e grande nível de toxidez devido a presença de cádmio.
Interesses ambientais podem influenciar na melhora do processo de reciclagem deste material, mas a insuficiente descarga de energia das baterias NiCd é outra importante razão para não considerá-las nas aplicações em veículos elétricos ou híbridos. Esses inconvenientes levaram ao rápido desenvolvimento das baterias de Níquel Metal Hidreto, mais adequadas para veículos.
Níquel Metal Hidreto(NiMH): Esta bateria é a sucessora das baterias de níquel hidrogênio e já é usada em veículos elétricos híbridos. Nas baterias de NiMH, o eletrodo positivo é o óxido de níquel similar à bateria de NiCd, enquanto que o eletrodo negativo é o metal hidreto onde o hidrogênio é armazenado. O conceito das baterias NiMH é baseado no fato de que pequenas partículas de certas ligas metálicas quando expostas ao hidrogênio a uma dada pressão e temperatura, absorvem grandes quantidades de gás na forma de hidreto metálico. Além disso, os hidretos metálicos são capazes de absorver e liberar hidrogênio muitas vezes sem deterioração. As reações químicas nos dois eletrodos da bateria de NiMH são:
. No eletrodo positivo:
Equação 3
. No eletrodo negativo:
15 A tensão de operação das NiMH é quase a mesma que a das baterias NiCd, porém a descarga ocorre a tensão constante. A capacidade das baterias NiMH é significantemente maior que as NiCd, possui energia específica em torno de 60 a 80Wh/kg. O potência específica fica na casa de 250 W/kg.
Íons de Lítio (Li-ion): O lítio metálico tem alto potencial de redução eletroquímica e baixa massa atômica, o que o faz promissor para baterias de 3V quando combinado com um eletrodo positivo adequado. A maioria das baterias de íons de lítio usa eletrodos positivos de óxido de cobalto, o qual é caro, mas se mostra bastante satisfatório nos demais quesitos.
Uma alternativa para o eletrodo positivo está baseada no óxido de níquel LiNiO2, o qual possui uma estrutura mais complexa, entretanto é mais barato. O desempenho é similar aos eletrodos de óxido de cobalto. Eletrodos positivos de óxido de magnésio (LiMn2O4 ou LiMnO2) estão também sob pesquisa por se mostrarem mais baratos, com grande disponibilidade e menos tóxicos. Para o eletrodo positivo a equação da reação é:
Equação 5
Durante a operação de recarga, os íons de lítio se movem na direção oposta do eletrodo positivo para o negativo. A tensão nominal da célula para uma bateria de íons de lítio é de 3,6V a qual é equivalente a três células de NiMH ou NiCd.
Baterias de íons de lítio possuem alto valor de energia específica assim como potência específica elevada e alta eficiência energética. Apresenta também bom desempenho a altas
16 temperaturas e baixa taxa de auto-descarga. Os componentes das baterias de íons de lítio também são recicláveis. Todas essas características fazem das baterias de íons de lítio altamente adequadas para o uso em veículos elétricos ou híbridos e para outras aplicações que necessitem de baterias recarregáveis.
Lítio polímero (Li-Poli): Para o desenvolvimento deste tipo de bateria fez-se necessário o desenvolvimento prévio de eletrólitos no estado sólido capaz de conduzir íons. Essas baterias são consideradas baterias de estado sólido por causa de seus eletrólitos. O polímero eletrolítico mais comum é o óxido de polietileno composto por sais eletrolíticos adequados.O mais promissor material para eletrodo positivo em baterias Li – poli é o óxido de vanádio V6O13. Este óxido é capaz de absorver oito átomos de lítio por molécula com a seguinte reação no eletrodo positivo:
Equação 6
As baterias de Li-po tem um grande potencial no que se refere a energia específica e potência específica. Os polímeros sólidos substituem os fluidos eletrolíticos mais inflamáveis dos outros tipos de baterias e podem conduzir íons em temperaturas abaixo de 60°C. O uso de polímeros sólidos também tem grande vantagem quanto à segurança no caso de acidentes com veículos elétricos e híbridos. Devido ao lítio estar intercalado em eletrodos de carbono, este está na forma iônica e está menos reativo que o lítio metálico puro. A célula da bateria Li-po são mais finas, facilitando a portabilidade dentro dos veículos.
A principal desvantagem da bateria Li-po é a necessidade de a célula operar na faixa de temperatura de 80°C a 120°C. Outra característica chave das baterias Li-po é possuírem boa ciclagem e longa vida.
17 Zinco Ar (Zn-ar): Este tipo de bateria possui eletrodo positivo gasoso de oxigênio e eletrodo negativo de sacrifício, neste caso o zinco metálico. Na prática as baterias de Zn-ar são recarregáveis mecanicamente somente pela substituição dos eletrodos de zinco. Este tipo de bateria é análogo a uma célula de combustível, com o combustível sendo o zinco metálico. Um módulo de baterias Zn-ar testado na Mercedes Benz mostrou energia específica de 200Wh/kg, mas modestos 100W/kg de potência específica. Com a atual tecnologia a escala de autonomia das baterias Zn-ar fica em torno de 300 a 600km. Outros sistemas metal-ar estão sendo pesquisados, mas o trabalho tem sido descontinuado devido a diversos inconvenientes tecnológicos. Essas baterias incluem as de ferro-ar, alumínio-ar, por exemplo. Na prática as baterias do tipo metal-ar têm dois atrativos principais: o eletrodo positivo pode ser otimizado para as características de descarga e o tempo de recarga pode ser muito pequeno desde que se possua a infraestrutura adequada.
5.1.2. Capacitores
Capacitores são dispositivos que armazenam energia pela separação equivalente das cargas positivas e negativas. Sua estrutura básica é composta por dois condutores planos separados por um meio dielétrico, ou seja, um isolante.
A densidade de potência dos capacitores convencionais é extremamente elevada (~1012 W/m3), mas a densidade de energia é
muito baixa (~50 Wh/m3). Os capacitores convencionais são
comumente conhecidos como capacitores eletrolíticos. Eles são amplamente usados em circuitos elétricos como elementos de armazenamento de energia por tempos com ordem de grandeza muito menor daquele domínio necessário para o uso em veículos elétricos. Os capacitores são descritos em termos da capacitância, a qual é diretamente proporcional à constante dielétrica do material de isolamento e inversamente proporcional ao espaço entre as duas placas condutoras. A capacitância é medida pela magnitude da taxa de carga e descarga.
Supercapacitores e ultracapacitores são derivações dos capacitores convencionais, onde a densidade de energia tem crescido ao custo da densidade de potência fazendo com que esses equipamentos passem a funcionar mais como baterias. A densidade
18 de potência dos supercapacitores e ultracapacitores estão na ordem de 106W/m3 e 104 Wh/m3, respectivamente.
Entretanto, a densidade de energia é muito menor se comparada com as das baterias (~5 a 25×104 Wh/m3), mas os tempos de descarga são mais curtos (110s se comparados com 5x103s das baterias) e ciclos de vida muito maiores (105 se
comparado com 102 ou 103 das baterias). Supercapacitores contém
um eletrólito que possibilita armazenar cargas eletrostáticas na forma de íons, além de armazenar energia através de cargas eletrostáticas convencionais como em um capacitor eletrolítico.
As funções internas em um supercapacitor não envolvem reações eletroquímicas. Os eletrodos nos supercapacitores são feitos de carbono poroso com grande área superficial interna para ajudar a absorver os íons e fornecer uma maior densidade de carga que aquela possível num capacitor convencional. Os íons se movem de forma muito mais lenta que os elétrons fazendo com que o tempo de carga e descarga seja muito maior que em capacitores eletrolíticos. Ultracapacitores são versões de capacitores eletrolíticos que usam sistemas eletroquímicos para armazenar energia em uma camada de líquido polarizada na interface entre o eletrólito ionicamente condutor e o eletrodo eletricamente condutor. A capacidade de armazenar energia aumenta pelo aumento da área superficial da interface, similar aquela num supercapacitor. Reações eletroquímicas em ultracapacitores estão confinadas às camadas superficiais e então, são completamente reversíveis proporcionando um longo ciclo de vida. Pesquisas e desenvolvimentos recentes tendem a criar ultracapacitores com capacidades em torno de 4000W/kg e 15Wh/kg. A possibilidade de usar supercapacitores e ultracapacitores como fontes primárias de energia é bem vista, embora isso tenha que ser melhorado para fornecer armazenamento de energia suficiente para veículos elétricos e híbridos. Por outro lado, os supercapacitores e ultracapacitores com alta potência são adequados como dispositivo intermediário de transferência de energia em conjunto com as baterias ou células de combustível em veículos elétricos e híbridos para fornecer demanda de energia suficiente em regimes transientes, como no caso de aceleração e subidas íngremes. Esses equipamentos também podem ser usados com boa eficiência para capturar energia proveniente de freios regenerativos.
19 5.1.3. Flywheel
O flywheel é um tipo de armazenador de energia na forma mecânica. Esse dispositivo armazena energia cinética com a rotação de um disco ou rotor normalmente feito de material composto. Flywheels têm uma longa historia de uso em automóveis, sendo utilizados rotineiramente nos dias de hoje em motores de combustão interna para armazenar energia e suavizar a potência liberada pelos pulsos abruptos do motor.
Entretanto, a quantia de energia armazenada in flywheels em motores de combustão é pequena e limitada devido à necessidade do veículo acelerar rapidamente. Os flywheels estão sendo estudados atualmente para diversas aplicações, podem ser usados em veículos elétricos híbridos associados com um motor de combustão como dispositivo assistente de potência. Alternativamente, podem ser usados como substitutos de baterias químicas em veículos elétricos híbridos como fontes secundarias de energia ou então atuar em conjunto com baterias.
Porém, avanços tecnológicos no aumento da energia específica são necessários antes que eles possam ser considerados como única fonte de energia para veículos. Os flywheels de hoje são bastante complexos, grandes e pesados. Segurança é sempre um fator de grande interesse, nesse assunto em especial. O objetivo dos projetos nessa área é maximizar a densidade de energia armazenada, a energia armazenada U é dada por:
Equação 7
Onde J é o momento polar de inércia e ω é a velocidade angular. A energia armazenada é aumentada com o aumento da velocidade angular sem acréscimo na inércia, o que é diretamente proporcional a massa. Com o aumento da velocidade angular tem-se maiores tensões centrífugas, as quais não devem ultrapassar a tensão de falha associada com um fator de segurança. A energia armazenada por unidade de massa pode ser expressa da seguinte maneira:
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Equação 8
Onde k é a constante dependente da geometria, σ é a tensão de tração e ρ é a densidade do material. Assim, o material a ser usado em flywheels deve ser leve e com alto valor de tensão de escoamento, condições essas que são satisfeitas por materiais compostos.
Os flywheels têm diversas vantagens como fonte de energia, a mais importante é a elevada potência específica. Teoricamente, ela tem se mostrado na casa dos 5 a 10 kW/kg, sendo que 2kW/kg seriam facilmente gerados sem ocasionar valores de tensões estruturais muito elevados.
Outras características de desempenho que fazem dos flywheels uma boa opção são atribuídas a sua natureza mecânica. Eles não são afetados por extremos de temperatura. Não são fabricados e nem eliminados através de processos químicos tóxicos, armazenam energia de forma confiável num processo que possui excelente controlabilidade e repetitividade em suas características. Isso tudo faz dos flywheels mais amigáveis ambientalmente do que as baterias químicas. O estado de carga dos flywheels é perfeitamente conhecido a qualquer tempo através da medição da velocidade angular. O processo de conversão de energia se aproxima de 98% de rendimento, comparado com 75 a 80% das baterias. A vida do flywheel é muitas vezes maior que a da bateria, além de pouca exigência de manutenção. A capacidade de absorver ou liberar grande quantidade de potência em um curto espaço de tempo é essencial para processos em freios regenerativos.
Apesar das diversas vantagens, há ainda um número significativo de inconvenientes acerca deste dispositivo. A maior dificuldade de implementação do sistema está no equipamento extra, necessário para operar o conjunto. Isso implica diretamente em peso extra que para o caso de veículos elétricos ou híbridos tem influência direta na eficiência. A fim de reduzir as perdas de atrito aerodinâmico o flywheel deve ser inserido em uma câmara de vácuo. Sob essas condições o uso de rolamentos fica restrito, uma vez que a maioria dos lubrificantes líquidos não sobrevive no vácuo. Uma alternativa seria o uso de mancais magnéticos os quais estão em fase de desenvolvimento.
21 A principal contribuição de peso nos flywheels é a necessidade de um invólucro extremamente resistente devido a questões de segurança. O rotor gira em alta velocidade e o desprendimento de qualquer componente, mesmo de pequeno tamanho, seria similar a um projétil sendo disparado. O eixo do rotor está acoplado a um motor/gerador (MG) o qual, durante o processo de carga, o MG gera torque no rotor aumentando sua velocidade angular e na descarga o MG atua como gerador freando o rotor para gerar energia elétrica.
Uma interface eletrônica se faz necessária para condicionar a entrada e saída de potência além de monitorar e controlar o flywheel. Modernos flywheels são feitos de materiais compostos como a fibra de carbono ao invés de aço, para aumentar a densidade de energia, a qual pode alcançar 200Wh/kg. Os materiais compostos têm a vantagem de no caso de desintegração da estrutura não formarem projéteis assim como aqueles feitos em aço.
5.2. Opção por Flywheel
Após a análise das três opções, visto seus pontos positivos e negativos relacionados acima e somados com o custo de produção e o domínio de tecnologia fez-se a opção por adotar o flywheel como dispositivo de armazenamento de energia para o referido sistema KERS aqui estudado. O gráfico abaixo mostra a comparação entre energia e potência específica.
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6. Conclusão
Até o presente momento apenas algumas características geométricas foram definidas, porém nada em caráter definitivo. O processo de criação do dispositivo KERS é complexo e requer uma série de iterações para uma convergência viável. O apontamento de pontos críticos desse sistema pode ser considerado como o esqueleto do projeto.
Faz-se necessário, além do projeto dos componentes restantes, a análise de tensões e definição dos materiais de cada componente. Isso será feito a seguir e exposto nos próximos relatórios.
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7. Referências
[1] TONI, Graciliano. O que é o sistema KERS da F-1? Site
Howstuffworks. Disponível em:
<http://carros.hsw.uol.com.br/kers.htm>. Acesso em: 9 mar. 2009.
[2] WIKIPEDIA. Regenerative Brake. Site Wikipedia. Disponível em: <http://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative_brake>. Acesso em: 10 mar. 2009.
[3] COLLANTINE, Keith. KERS technology revealed. Site F1
Fanatic. Disponível em:
< http://www.f1fanatic.co.uk/2007/09/26/kers-technology-revealed/>. Acesso em: 3 jul. 2009.
[4] NORTON, Robert L. Projeto de Máquinas: Uma abordagem Integrada. 2ª Edição. Porto Alegre: Bookman, 2004.
[5] DUFFY, J. E., Modern Automotive Technology. The Goodheart-Willcox Company, Inc., 2004. p. 1353-1377.
