Objetivo: apresentar o fenômeno da indução magnética e discorrer sobre o funcionamento dos principais tipos de usina que dele se utilizam; explicar o funcionamento das usinas solares centralizadas e descentralizadas.
Sequência de atividades: • Aula expositiva
Conteúdos:
• Indução magnética, lei de Lenz, lei de Faraday, usinas hidrelétricas, usinas termoelétricas, usinas nucleares, usinas eólicas, usinas fotovoltaicas, usinas termosolares.
2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
Disciplina de Bases Conceituais da Energia AULA 07 – Usinas de potência
Indução magnética
O princípio básico por trás da conversão de energia mecânica em elétrica é o fenômeno conhecido como indução magnética.
Se o fluxo magnético através de uma espira ou bobina varia, surge nela uma força eletromotriz (e consequentemente uma corrente) induzida.
A Lei de Lenz permite determinar o sentido da corrente induzida na espira ou bobina.
Já a Lei de Faraday permite conhecer a intensidade da força eletromotriz induzida na espira ou bobina.
De acordo com a Lei de Lenz, o sentido da corrente induzida é tal que o campo magnético induzido deve se opor à variação do fluxo externo.
Note que o sentido do campo induzido nem sempre se opõe ao sentido do campo magnético externo.
Movendo-se a fonte de campo magnético (ou a espira) em um movimento alternado, consegue-se uma corrente alternada.
Também seria possível manter o ímã parado e mover a espira, que o efeito seria o mesmo. O mais importante é variar o fluxo magnético que atravessa o plano da espira.
De acordo com a Lei de Faraday, a intensidade da força eletromotriz induzida (ou tensão induzida) em uma espira ou bobina é diretamente proporcional à taxa de variação do fluxo magnético no tempo:
onde:
é a f.e.m. ou tensão induzida na espira é o fluxo magnético através da espira.
(Lei de Faraday)
A expressão acima mostra que o que importa não é o fluxo magnético em si, mas a taxa de sua variação temporal. Um ímã potente parado em relação a uma espira também parada não induz nenhuma corrente.
Para uma única espira, o fluxo magnético
é função da intensidade do campo magnético (B), da área da espira (A) e do ângulo entre a direção do campo magnético e o vetor normal ao plano da espira.Portanto, pode-se conseguir uma tensão induzida variando-se um ou mais desses três parâmetros. Por exemplo, fazendo a espira girar em relação ao campo magnético (variando apenas ), aproveitando-se da energia de rotação absorvida a partir de uma turbina ou motor a combustão.
Se em vez de uma única espira utilizarmos N espiras, a tensão e a corrente induzidas ficarão multiplicadas por N, amplificando o efeito.
Se a espira girar com frequência constante f, teremos uma tensão induzida senoidal pura dada por:
https://www.youtube.com/watch?v=lr4CJHXXhQU
A seguir, uma animação sobre o funcionamento de um motor de corrente alternada monofásico.
Como a potência dissipada é proporcional ao quadrado da corrente elétrica que percorre os condutores, é melhor transmitir a energia elétrica gerada em altas tensões e baixas correntes.
O elemento capaz de aumentar ou reduzir a tensão é o transformador.
A relação de transformação desejada é atingida variando-se a proporção entre o número de espiras de cada enrolamento.
Usinas hidrelétricas
https://www.youtube.com/watch?v=S3MQJSDoTuw
PCH Anhanguera – Volkswagen – Capacidade 23 MW Pequenas centrais hidrelétricas
É possível aproveitar o potencial hidráulico de forma descentralizada, como no caso das PCHs.
Veja os tipos de turbinas hidráulicas mais adequadas para cada vazão e desnível
USINA HENRY BORDEN
USINAS ELEVATÓRIAS
Traição 5 m
Pedreira 25 m
USINA TERMOELÉTRICA PIRATININGA
Capacidade Instalada • 2 UNIDADES X 100 MW (1954) • 2 UNIDADES X 136 MW (1960) • TOTAL = 472 MW Caldeiras • 2 x 386t/h vapor x 500ºC x 64 kgf/cm2 • 2 x 454/th vapor x 538ºC x 144 kgf/cm2 Eficiência Térmica• Unidades 1 e 2 : 30,8% (projeto) e 28,0% (real)
• Unidades 3 e 4 : 34,6% (projeto) e 32,0% (real) Combustível
• Óleo tipo B1 - Petrobrás (enxofre máximo = 0,99%)
As termelétricas convencionais são grandes máquinas térmicas acopladas a geradores elétricos de corrente alternada. O combustível pode ser carvão, gás natural, óleo, bagaço, madeira, palha, etc.
Como desvantagens, tem-se a poluição atmosférica e a poluição térmica.
https://www.youtube.com/watch?v=je7I_dassXU
As termelétricas convencionais são grandes máquinas térmicas acopladas a geradores elétricos de corrente alternada.
Usinas termelétricas de ciclo combinado
Nesse tipo de usina, parte do calor residual decorrente da operação de uma turbina a gás é reaproveitado para alimentar uma segunda máquina térmica a vapor, o que aumenta a eficiência global do processo.
https://www.youtube.com/watch?v=qG7SlVfAuPA
Materiais físseis
Na fissão nuclear, ocorre a “quebra” de um átomo maior em outros menores, devido à incidência de nêutrons, com liberação de enorme quantidade de energia.
A reação típica do Urânio 235, material físsil mais utilizado, é:
A reação é exotérmica e libera 25 milhões de vezes mais energia que na combustão do gás metano!
O isótopo mais comum do urânio, o 238U, também pode sofrer fissão, porém
exige a captura de um nêutron com energia superior a 1MeV, mas ainda assim a probabilidade de ocorrer a fissão é 2000 vezes menor que a do 235U
com nêutrons de baixa energia.
Por isso, o “combustível” nuclear mais empregado é o 235U, obtido a partir do
enriquecimento do urânio comum.
A absorção de um nêutron de energia 0,025 eV é suficiente para que um isótopo de 235U passe a 236U e depois se divida em dois isótopos de massas
diferentes liberando energia. Porém esse isótopo representa apenas 0,7% do urânio disponível na natureza.
Na reação em cadeia, nêutrons resultantes de uma reação de fissão são capturados por núcleos de átomos vizinhos e assim sucessivamente, liberando energia a uma taxa crescente em progressão geométrica!
Em uma bomba atômica, é desejável que a reação em cadeia ocorra de forma descontrolada, liberando a maior quantidade de energia no menor tempo possível. A concentração de 235U na massa crítica pode chegar a 90%.
Já em um reator nuclear, isso não pode ocorrer, de forma que é necessário inibir a reação em cadeia, utilizando-se materiais de controle, como o cádmio e o boro. Além disso, concentração de 235U nas varetas de material físsil é de
Central Nuclear Angra dos Reis: 2 GW Usinas nucleares
Fonte: Hinrichs, Kleinbach e Reis (2014)
Essencialmente, uma usina nuclear é uma termoelétrica que não queima combustível. O calor proveniente das reações de fissão é que alimenta a máquina térmica.
O reator BWR é mais econômico, mas menos seguro (vide Fukushima)
https://www.youtube.com/watch?v=4bvCDheLm5A
Fonte: Hinrichs, Kleinbach e Reis (2014)
O reator PWR é mais caro, mas muito mais seguro. Os reatores de Angra são do tipo PWR.
https://www.youtube.com/watch?v=Qthg5xE196w
Usina fotovoltaica da USP – Capacidade de 0,5 MWp Centrais fotovoltaicas
Nesse tipo de usina a geração não ocorre por indução magnética, mas por efeito fotovoltaico. A corrente contínua produzida é convertida em corrente alternada pelo inversor.
Geração distribuída com fonte solar fotovoltaica
Na geração distribuída, a energia elétrica não precisa ser transmitida nem distribuída, pois é produzida e consumida no próprio local. O medidor bidirecional contabiliza os fluxos de energia elétrica da rede para a unidade consumidora e vice-versa.
Ver animação clicando na foto ou em https://www.youtube.com/watch?v=JbJ7AVHBQfs
Centrais termosolares – torre central
A energia solar é absorvida na forma de calor, no alto da torre, por sal fundido. Esse calor é posteriormente transferido à agua, em um trocador de calor, para produzir vapor e assim movimentar um conjunto turbina/gerador.
. Centrais termosolares – sistema de pratos
A energia solar é direcionada para o foco do prato espelhado, onde há um motor de ciclo Stirling acoplado a um gerador elétrico. Cada módulo tem cerca de 25 kW.
Parque eólico de Água Doce – SC – 110 MW Usinas eólicas
https://www.youtube.com/watch?v=DILJJwsFl3w
As pás das turbinas eólicas absorvem a energia mecânica do vento. Por meio de engrenagens, essa energia é transferida a um gerador elétrico, que a converte em energia elétrica.
