UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DO GAMA
FONTES DE ENERGIA E TECNOLOGIA DE CONVERSÃO
ESTUDO DIRIGIDO # 6
Brasília, 27 de maio de 2009.
Grupo:
Daniela Aguiar de Carvalho (10/44249) Fernanda Almeida Leite (10/45482)
Glayson Quintiliano (10/45091) Jéssica Santoro (10/46195)
Marcela Maia (10/47256)
Marina Gasparini (10/46799)
fontes_de_energia@googlegroups.com
1) Descreva os princípios físicos de funcionamento de: i) Coletores solares;
ii) Células fotovoltaicas; iii) Turbinas eólicas; iv) Turbinas hidráulicas.
Obs.: Faça considerações de como as diferentes energias (radiação solar, cinética e potencial gravitacional) são convertidas em energia térmica ou elétrica,
respectivamente.
Coletores solares e células fotovoltaicas:
Quando a luz atinge determinados metais elétrons são emitidos com certa quantidade de energia cinética. A energia de cada partícula de luz é chamada de fóton. Um elétron em um átomo de metal é capaz de “capturar” um fóton e obter a energia necessária para escapar. O escape ocorre se a energia do fóton exceder a energia de adesão do elétron ao metal. Para que essa energia exceda, a freqüência da luz deve ser muito grande ou o comprimento de onda muito pequeno, já que o comprimento de onda é inversamente proporcional a freqüência.
Grande parte das células solares é feita a partir da junção de duas placas de silício, que por meio do processo chamado “dopagem” (adição de impurezas), torna-se um melhor condutor. Dependendo da substância adicionada ao silício, passarão a existir elétrons extras no cristal produzindo um semicondutor do tipo n (negativo), ou existirão menos elétrons que no silício, surgindo assim “buracos” vazios no cristal produzindo um semicondutor do tipo p (positivo). Quando os dois tipos de condutores são colocados juntos, forma-se uma “junção p-n”. A reorganização dos elétrons e buracos na junção cria uma barreira para o fluxo de energia elétrica.
Quando a luz atinge a célula solar, elétrons e buracos são criados pelo efeito fotoelétrico. Há realização de trabalho útil quando os lados tipo p e tipo n da célula solar estiverem conectados por um circuito externo onde os elétrons irão fluir para fora do eletrodo localizado no lado tipo n e para dentro do lado tipo p onde se reorganizarão com os buracos.
A eficiência do sistema fotovoltaico é afetada por vários fatores: parte da luz não é energéticamente suficiente para separar os elétrons de seus vínculos atômicos no cristal, algumas são energéticas demais e a energia extra do par elétron-buraco transforma-se em calor, o reflexo da superfície da célula e a recombinação elétron-buraco.
Figura 1. Células Fotovoltaicas. Turbina eólica:
Os principais componentes de uma turbina eólica são: o gerador, o rotor, a torre, os controles, o regulador de voltagem, o banco de baterias e o inversor. Elas são classificadas quanto a orientação do eixo rotor: eixo horizontal e eixo vertical.
O princípio de funcionamento de uma turbina eólica é basicamente a conversão de energia cinética em energia elétrica. Isto se dá pela rotação do rotor composto por pás devido ao fluxo de vento. O rotor está conectado a uma haste que está por sua vez conectada a várias engrenagens de um gerador elétrico. .
Todo sistema eólico começa a funcionar a partir de certa velocidade devido a perda de energia em outros mecanismos e seu rendimento é influenciado pelo fluxo de vento existente, por isso é necessário fazer análises antes de implementar-se o projeto, como estudo dos ventos da região, estudo aerodinâmico das palhetas para melhor aproveitamento do fluxo dos ventos, estabelecer a altura ideal da torre entre outros.
Figura 2. Perfil de uma turbina eólica. Turbinas hidráulicas:
Existem quatro tipos principais de turbinas hidráulicas: Pelton, Francis, Kaplan e Bulbo, que se diferenciam pelas diferentes faixas de altura de queda e vazão de água, porém o princípio de funcionamento é o mesmo. A água entra pela tomada de água (que está num nível mais elevado) e é levada através de um conduto forçado até a turbina. A água passa por um sistema de palhetas que controlam a sua vazão e após passar por elas ela chega ao rotor da turbina. Parte da energia potencial adquirida é transferida para o rotor em forma de torque e velocidade de rotação. Um tubo de sucção conduz a água após sua passagem pelo rotor até a parte de jusante do rio.
Figura 3. Representação de uma Hidroelétrica.
O princípio de conversão de energia nas turbinas hidráulicas é dado pela transformação da energia potencial gravitacional devido a diferença de altura da posição inicial da água e da posição da turbina, e da energia cinética adquirida pela água, que faz com que a turbina gire e transforme a energia mecânica de rotação em energia elétrica.
2)Diferencie sistemas de aquecimento solares passivos e ativos, dê exemplos comentando sobre suas diferentes características.
A maneira mais prática de se utilizar a energia solar é através da sua conversão direta em calor de baixa temperatura. Para que haja a coleta deste calor e finalmente sua conversão, são utilizados dois sistemas, o ativo e o passivo. Nos sistemas ditos ativos o calor é transportado através de um fluido (água ou ar) que ao ser aquecido é circulado por um ventilador ou bomba. Podemos citar como exemplo de sistema de aquecimento ativo os aquecedores residenciais de água. Já nos sistemas ditos passivos não há nenhum elemento especial dedicado ao processo, o fluxo de energia térmica ocorre por
ainda um processo caro e pouco eficiente ao ser comparado com sistemas convencionais geradores de energia elétrica. Para que haja a difusão da geração fotovoltaica é necessário que se leve em consideração a concentração demográfica e a rede de eletricidade existente na região. Em regiões densamente povoadas há a possibilidade de integração do sistema fotovoltaico à rede elétrica existente, assim eletricidade gerada é consumida localmente e não são necessários investimentos em sistemas de transmissão de energia, bem como é possível eliminar o uso de sistemas de armazenagem de eletricidade em baterias.
4)Calcule a área de um coletor solar para fornecer uma potência térmica de 200W, supondo-se uma taxa de insolação solar direta de 400W/m2 e um rendimento 20%:'
A potência térmica necessária (200W) é igual à taxa de insolação solar direta vezes a eficiência, vezes a área interceptada.
Como o rendimento do forno solar é de 20% e a taxa de insolação solar direta é de 400W/m2:
400 x 0,20 x área= 200W Desta forma:
Área= 200/ (400 x 0,2)
Logo, a área será igual à 2,5 m2.
5) Suponha que se queira elevar 1m3 de água a uma altura de 2m em um tempo de
2h. Considerando uma eficiência da bomba de 50%, qual é a demanda de energia elétrica da bomba? E que sistema alternativo de geração de energia elétrica podem ser sugerido para suprir esta demanda? Justifique.
Trabalho = m x g x h = 1.000 kg x 9,8 m/s2 x 2m = 19.600 J
Potência = Trabalho / tempo = 19600 J / 7200 s = 2,72 Watts Sendo a eficiência da bomba de 50%, tem-se que:
Eficiência = (potência utilizada / potência total de entrada) x 100
50 = (2,72 W / X) x 100 50 / 100 = 2,72 W / X 0,5 X = 2,72 W
X = 5,44 W
Sendo a potência total igual a 5,44 W e o tempo igual a 2h, a energia usada pode ser encontrada pela expressão:
Energia usada = potência x tempo = 5,44 W x 7.200 s = 39.168 J Assim, a demanda de energia elétrica desta bomba é de 39.168 J. E …
6) Ao analisar uma fazenda de células solares para a conversão de radiação solar em energia elétrica, se as células solares utilizadas tiverem uma eficiência de 10%, qual será a área de terreno necessária para se produzir 1.000MW? Presupor que a insolação solar média é de 500W/m2.
Se a insolação solar média é de 500 W/m2 as células solares serão capazes de absorver
apenas 10% deste valor, ou seja, 50 W/m2.
Então a área necessária para produção de 1000 MW pode ser obtida da seguinte forma: 109 W =2*107m2
50 W/m2
7) Qual será a produção máxima esperada de uma turbina eólica com diâmetro de lâminas de 60m exposta a ventos de 10m/s?
Ec=mv² 2 =
ρπr²v² 2
Sabendo que a densidade do ar é 1,2215 kg/ m³
Ec=
1,2215 kg / m³
3,14
30
²
10 m/ s²
2 =172597,95 J
BIBLIOGRAFIA
http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_combust%C3%ADvel
horário de acesso: 11:08 30 de maio de 2009
Hinrichs, R.A., Kleinbach, M., Cengage. Energia e Meio Ambiente. Editora Learning. Sonntag, R.E., Van Wylen, G.J.. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. Editora Edgard Blucher.
