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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho
Marcondes de Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
DIEGO DE SOUZA PROFETA
DIEGO FELIPE DE SOUZA FERNANDES
GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA X EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
GARÇA
2017
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____________________________________________________________________
Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho
Marcondes de Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
DIEGO DE SOUZA PROFETA
DIEGO FELIPE DE SOUZA FERNANDES
GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA X EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Artigo Científico apresentado à Faculdade de
Tecnologia de Garça – Fatec, como requisito para a
conclusão de curso de Tecnologia em Mecatrônica
Industrial, examinado pela seguinte comissão de
professores.
Data da Aprovação: 13/ 12/ 2017
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Prof. LAERTE EDSON NUNES
FATEC Garça
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Prof. EDSON MANCUZO
FATEC Garça
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Prof. ILDEBERTO DE GENOVA BUGATTI
FATEC Garça
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GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA X EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Diego de Souza Profeta1 Diego Felipe De Souza Fernandes.
[email protected] [email protected]
Laerte Edson Nunes2
Resumo - A proposta deste trabalho é desenvolver um sistema com o objetivo de reduzir o
consumo de energia elétrica nas academias de ginástica. Observando a atividade dos usuários
nas academias verificou-se que a energia física despendida pelos usuários pode ser convertida
em energia elétrica. Energia esta, que pode ser utilizada na iluminação do local, reduzindo o
valor da fatura. A metodologia utilizada é o desenvolvimento experimental de um protótipo
para verificar a viabilidade do projeto, fundamentado teoricamente em autores consagrados na
área. O protótipo utiliza um sistema gerador de energia, acoplada aos aparelhos de ginástica,
um circuito eletrônico e um inversor cc / ac, a energia gerada é armazenada num sistema de
baterias para a posterior utilização. Utilizou-se no Projeto recursos da mecatrônica:
instalações elétricas, acionamentos industriais, eletrônica industrial. A execução do Projeto
torna – se relevante, pois ocasiona a redução do consumo de energia fornecida pela rede
convencional, contribuindo com a sustentabilidade e otimização dos recursos naturais.
Palavras chave: Gerador de energia. inversor CC/AC. Bateria. Eficiência Energética. Abstract - The purpose of this work is to develop a system with the objective of reducing the
consumption of electric energy in gymnasiums. Observing the activity of the users in the
academies it was verified that the physical energy expended by the users can be converted
into electric energy. This energy, which can be used in the lighting of the place, reducing the
value of the invoice. The methodology used is the experimental development of a prototype to
verify the feasibility of the project, theoretically based on established authors in the area. The
prototype uses a power generator system, coupled with gym equipment, an electronic circuit
and a cc / ac inverter, the energy generated is stored in a battery system for later use.
Mechatronics resources were used in the Project: electrical installations, industrial drives, and
industrial electronics. The execution of the Project becomes relevant, as it causes the
reduction of the energy consumption provided by the conventional network, contributing to
the sustainability and optimization of the natural resources.
keywords: Power generator. CC / AC inverter. Drums. Energy Efficiency.
1 Introdução
O tema é inovador e relevante por ressaltar as melhorias na economia social, no meio
ambiente com a sustentabilidade, e por contemplar a mecatrônica nas áreas de elétrica,
mecânica e eletrônica. O Projeto trata da transformação de energia mecânica em elétrica, por
1 Alunos do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial pela FATEC - Garça.
2Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC.
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meio de equipamentos devidamente projetados e preparados, por meio da movimentação da
roda de uma bicicleta ergométrica, que enquanto os usuários estiverem utilizando, um
alternador estará acoplado à roda, e realizará a geração de energia, e com isto carregará uma
bateria estacionária, que posteriormente será convertida em corrente alternada para que a
mesma possa ser utilizada no abastecimento e iluminação da academia, utilizando um inversor
cc / ac.
As questões postas justificam a escolha do tema para o Trabalho de Conclusão de
Curso (TCC), por abordar a situação do alto consumo de energia em academias, na cidade de
Garça (SP), a busca pela viabilidade da utilização dessa energia favorável à eficiência
energética. Notou-se que para atingir um maior número de clientes, as academias precisam
atender em vários turnos, com isto, o consumo com energia é muito elevado.
O projeto apresentado tem como objetivo reduzir significativamente o consumo e o
gasto com energia, contribuindo para o meio ambiente e para a economia social.
A Mecatrônica configura-se, assim, numa área que utiliza as tecnologias de
mecânica, eletrônica e a tecnologia da informação para fornecer produtos
sistemas e processos melhorados. Constituindo-se numa das áreas mais
novas da engenharia, bem como no nível técnico-profissionalizante, em todo
o mundo. O domínio integrado dessas diversas tecnologias é o que se pode
chamar de Sistemas Mecatrônicos. (ROSÁRIO, 2005).
1.1 Problemas de Pesquisa
O problema constatado é o grande consumo de energia elétrica nas academias. A
questão é como converter energia mecânica de bicicleta ergométrica em energia elétrica e usá-
la para alimentar a iluminação da academia?
1.2 Objetivos
1.2.1 Geral
Desenvolver um sistema que possa ser utilizado na própria academia, por meio de
uma bicicleta ergométrica que enquanto o usuário estiver fazendo o exercício, o equipamento
devidamente projetado, estará gerando energia, e acumulando essa energia em uma bateria.
Posteriormente, essa energia acumulada será utilizada para alimentar parte da instalação
elétrica da edificação da academia, propiciando a eficiência energética do local e reduzindo o
consumo de energia elétrica em busca da otimização financeira local.
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1.3 Específicos
Construir um protótipo que demonstre a possibilidade de geração de energia elétrica
em uma academia de ginástica, aproveitando a energia potencial do local e estimulando o
aproveitamento dessa energia elétrica para a redução da conta de luz, e menor agressão ao
meio ambiente.
Oportunizar aos proprietários de academia, economia de energia tanto no uso dos
componentes como para o local.
1.4 Relevância
O tema em questão contribui para a sustentabilidade ambiental, com a economia de
energia em academias, por meio de investimentos em instalações e acionamentos elétricos,
com técnicas e métodos empregados nos acionamentos de máquinas e equipamentos. Com a
utilização de bicicletas ergométricas viabilizou-se a transformação da energia mecânica em
elétrica para alimentar a iluminação no local. O acúmulo de energia elétrica em baterias só é
possível em pequena quantidade, o que mostra que é necessário utilizar lâmpadas eficientes
de baixa potência e com isso aumenta o tempo de carregamento da bateria.
1.5 Metodologia
O protótipo será realizado para comprovar e demonstrar que a ideia de criar um
projeto que transforma a energia mecânica em elétrica, em uma bicicleta ergométrica por
meio do exercício físico, utilizada para manter o próprio equipamento funcionando, ou seja, o
equipamento será mantido ligado e gerando energia sempre que alguém estiver utilizando.
Posteriormente serão realizadas melhorias no projeto que permitirá o controle de cargas na
bateria.
A energia elétrica será gerada por meio de um equipamento que possui movimento
mecânico, e a energia pode ser encontrada em uma Bicicleta Ergonômica.
Para alcançar o objetivo maior do projeto, que consiste na redução do consumo de
energia, será utilizado um alternador, para auxiliar na carga da bateria, para que a mesma
possa ser utilizada na iluminação do local.
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2. Desenvolvimento
O desenvolvimento do protótipo trouxe a possibilidade de pesquisas e aplicação dos
conhecimentos em sala de aulas durante o curso de mecatrônica Industrial da Fatec Garça. Os
conhecimentos utilizados e propostos neste protótipo foram válidos na composição da
bicicleta ergométrica, onde foi instalado um alternador de carro, que com o giro da roda
movimenta o alternador e com isso possibilita a geração de energia elétrica, que a partir daí é
acumulada em uma bateria, e na saída da bateria é instalado um inversor cc / ac para adequar
a energia elétrica da bateria em níveis de tensão apropriados para a alimentação de parte da
iluminação da academia no horário noturno, onde a mesma funciona até as 22 horas.
Foi analisada também a necessidade de um trabalho com eficiência energética no
local, sendo proposta a substituição das lâmpadas existentes por lâmpadas Led´s, o circuito
dessa iluminação foi construído independente do circuito alimentado pela concessionária
local, não permitindo possíveis acidentes.
2.1. Referencial Teórico
O Projeto está fundamentado teoricamente nas leituras em fontes qualitativas e
atuais, as quais ancoram as discussões sobre o objeto de estudo, o problema levantado e
respostas coerentes.
2.1.1 Alternadores Braga (2014) afirma que para realizar o Projeto se faz necessário o uso de um
alternador, um dispositivo eletromecânico, para a obtenção de energia elétrica a partir de
energia mecânica. O alternador é o componente que transforma a energia mecânica em
elétrica, podendo assim alimentar uma bateria.
A estrutura do alternador é constituída de: 1- bobinas móveis, 2- conjunto de diodos,
4-bobina fixa, 5- comutadores, 6-regulador de tensão, representados na figura 1
Figura 1- Disposição dos diodos
Fonte: Braga (2014).
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A disposição dos diodos mostra a produção de energia de forma mais constante,
empregados em três conjuntos de bobinas, e três conjuntos de diodos isso na maioria dos
circuitos.
• Características do alternador
O alternador funciona com a Indução eletromagnética, a corrente elétrica através
do rotor criando um campo magnético que induz a movimentação dos elétrons nas bobinas
do estator, através desse processo é gerada uma energia em corrente alternada.
Na figura 2, uma vista explodida de um alternador típico mostrando suas diversas
partes, onde vemos que a parte 1 é a placa com os diodos, a parte 2 é o regulador e a parte 3 as
escovas.
Figura 2 - Vista explodida de um alternador
Fonte: Braga (2014).
Braga chama a atenção que internamente tem dois conjuntos de enrolamentos: os
enrolamentos de campo que geram o campo magnético que as espiras do outro enrolamento
devem cortar e o enrolamento estator que gera a energia. Internamente temos uma placa em
que seis diodos de potência são instalados para retificar a corrente alternada gerada. Estes
diodos são fixados numa peça única de metal que também serve de dissipador de calor. Um
regulador de tensão eletromecânico encontrado nos modelos de carro mais antigos.
Normalmente a tradicional configuração do regulador série em que um transistor de
potência funciona como resistor variável dosando a corrente de excitação do enrolamento de
excitação de modo a controlar a intensidade do campo magnético cujas espiras do
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enrolamento móvel vão cortar. O transistor usado deve ser de tipo de alta corrente (20 A ou
mais) já que esta é a ordem de grandeza da corrente gerada (BRAGA, 2014).
No circuito abaixo apresentado, explica a ligação com a lâmpada indicadora que apaga
quando a tensão gerada pelo alternador é aplicada ao circuito.
Na figura 3, uma configuração em que temos um regulador controlado por um SCR.
Fonte: Braga (2014)
Neste circuito o autor chama atenção que na (figura 3) o ponto de disparo do SCR
após a comutação é determinado pela tensão gerada, funcionando o mesmo como um controle
de fase. É importante observar que o uso de equipamentos eletrônicos principalmente os
circuitos de micro controladores não admitem variações grandes da tensão de alimentação,
podendo sofrer danos com facilidade, daí a necessidade de circuitos reguladores precisos e
eficientes.
A presença de um circuito eletrônico que normalmente é embutido na instalação e
raramente protegido por meios que impedem o acesso aos seus componentes é uma
dificuldade na hora de se fazer o teste de funcionamento e eventualmente uma reparação.
Assim, constatando-se que o problema é do regulador de tensão ou ainda de um dos conjuntos
de diodos do alternador o procedimento mais comum é a troca do conjunto completo.
Segundo Braga (2014) existem reguladores que possuem um ponto de ajuste que é
um resistor variável; (trimpot) que pode ser acessado por uma chave de fendas e que permite
levar o circuito a fornecer as tensões de saída de acordo com as correntes.
2.1.2 Baterias estacionárias Bateria estacionaria é um componente que dentro dele é armazenado energia química
e transforma em de energia elétrica de corrente continua.
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Segundo Dmesg soluções em TI (2012-2016), são baterias projetadas para ciclos de
descarga profundos, com materiais internos nobres, e placas de chumbo mais espessas, feitas
para durarem mais tempo.
Dmesg soluções em TI (2012-2016), chama atenção que as aplicações típicas de
baterias estacionárias incluem sistemas UPS (no - breaks), centrais telefônicas, alarmes,
sistemas de som, energia solar e eólica, iluminação de emergência ou qualquer outra aplicação
que demande uma corrente moderada por mais tempo, ao invés de uma grande quantidade de
corrente por alguns segundos.
Possuem filtro que impedem emissão de vapor da solução acida, deixando passar
apenas hidrogênio que não é nocivo a saúde, portanto podem ficar no mesmo ambiente de
trabalho com pessoas, apesar de ser recomendável uma ventilação mínima também (DMESG
SOLUÇÔES EM TI, 2012-2016).
Podem sofrer até 80% de descarga sem prejudicar sua vida útil, e suportam
quantidade maior de ciclos de carga e descarga (DMESG SOLUÇÔES EM TI, 2012-2016).
Segundo Dmesg soluções em TI (2012-2016), duram em torno de 5 anos,
dependendo dos ciclos de carga, temperatura ambiente e outros fatores que impactam na sua
vida útil.
A maioria dos fabricantes de baterias estacionárias estipulam 25 graus Celsius como
temperatura padrão de funcionamento, por isso é interessante que as baterias estejam em
ambientes com ar-condicionado, e que o ar-condicionado também esteja ligado em no –
breaks. A vida útil de baterias estacionárias cai pela metade para cada 10 graus acima da
temperatura padrão, e dobra para cada 10 graus abaixo (DMESG SOLUÇÔES EM TI, 2012-
2016).
Dimensionamento para uma Bateria de 240 A /h
Para ter uma noção teórica de quanto a bateria com a carga total suportar, foi
dimensionada uma bateria de 240 A/h
Uma bateria estacionaria de 240 A /h, de 12 v, será utilizada para alimentar uma
carga de 30 lâmpadas de led, de 12 watts (360 w), o inversor terá a potência de 500 VA.
Utilizando um inversor alimentado por 12 volts de corrente continua, converterá em
127 volts em corrente alternada.
Bateria 240 A/h,
Carga de iluminação 360 watts,
Iluminação de 12 volts – de 30 A,
P= V*I I= P / V I= 360(W) / 12(V)= 30 A.
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T= IB/ A T= 240(A/H) / 30(A)= 8 horas.
Portanto estando a bateria com carga total, suportará esta iluminação por um período
de: 8 horas (OS AUTORES).
Dimensionamento da Bateria de 7 A /h do Protótipo
Um inversor que usa a alimentação de 12 volts de corrente continua converte em 127
volts em corrente alternada que irá alimentar uma carga de 1luminaria de led, de 18 watts.
Bateria 7 A/h,
Carga de iluminação: 18 watts,
Iluminação de 12 volts – de 1.5 A,
P=V*I I= P / V I=18(W) / 12(V)= 1.5(A).
T= IB/A T=7(A/H) / 1.5(A)= 4,7 horas
Foi dimensionada uma bateria de 7 A/h para ter uma noção teórica de quanto a
bateria com a carga total suportara um período de 4 horas e 7 minutos (OS AUTORES).
Em testes práticos foi medido a carga inicial da bateria que estava em 11,30V, após
3,2 minutos pedalando e gerando energia, a carga foi para 12,13V, com média de
carregamento de 13,40V. Esta carga manteve a iluminação de uma lâmpada de 18W por 15
minutos até voltar a carga inicial do teste.
2.1.3 Inversores CC/ AC
Um inversor cc / ac é o componente que será utilizado para transformar a energia de
correntes continua em energia de corrente alternada.
Braga explica que baterias e pilhas fornecem baixas tensões contínuas não servindo
para alimentar aparelhos ligados na rede de energia, os inversores ou conversores DC/AC são
aparelhos que podem converter estas baixas tensões continua em uma tensão alternada
(geralmente 110 V ou 220 V).
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• Como funciona um Inversor
Um inversor CC/ AC tem alguns componentes internos que serão explicados abaixo:
Na figura 4, um diagrama de blocos de um inversor típico para uso geral.
Figura 4 - Diagrama de blocos de um inversor.
Fonte: Braga (2014)
Braga diz que para que uma tensão possa ser aplicada a um transformador, a tensão
contínua pura tem que ser convertida em tensão contínua pulsante, para isto é utilizado um
circuito oscilador de potência. Pois os transformadores só podem operar com correntes que
variam, e uma corrente contínua pura não passaria por esse componente. Assim é formado um
inversor.
Em seguida Braga cita as principais especificações de tais aparelhos que deve estar
atento:
a) Potência de saída
O inversor cc / ac pode fornecer a potência que o aparelho a ser alimentado exige,
dando certa margem de segurança para que os componentes não trabalhem no limite. Por
exemplo, se vai ser alimentada uma lâmpada fluorescente de 40 W o inversor deve ser capaz
de fornecer pelo menos 50 W de potência.
b) Forma de onda
Muitos inversores cc / ac fornecem correntes de saída com formas de onda que não
são senoidais. Lâmpadas fluorescentes e incandescentes não são sensíveis às formas de onda,
mas existem aparelhos que não podem ser usados com conversores que não tenham uma saída
senoidal de 60 Hz.
c) Desempenho
Deve-se optar pelo inversor que tenha o maior rendimento possível. Normalmente
acima de 70%.
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d) Isolação
A alta tensão da saída de inversores cc / ac pode causar choques perigosos. Verifique
a qualidade do isolamento do sistema que alimenta o aparelho externo.
e) Colocação da bateria
Ao instalar um inversor cc / ac com uma bateria não selada cuide para que ela fique
em local ventilado, pois os gases que ela produz são tóxicos.
f) Conexões
As conexões do inversor cc / ac à bateria devem ser feitas com fios grossos, pois a
corrente normalmente é intensa. O cabo da bateria ao inversor deve ser o mais curto possível.
Na figura 5 o modo típico de instalação de um inversor.
Figura 5 - Método de instalação do inversor
Fonte: Braga (2014)
O autor Braga explica que com a troca do capacitor C1 na temporização do 555, por
um de 10 µF o mesmo circuito gerará pulsos luminosos servindo para um sistema de
sinalização, como o circuito usa um transformador comum e seu rendimento não é muito
elevado, lâmpadas de 20 a 40 W acenderão com menor brilho do que aquele que apresentam
quando ligadas na rede de energia.
Também é importante observar que o sinal de saída não é senoidal, tem picos
maiores do que 110 V ou 220 V, mesmo usando um transformador para essa tensão e que a
frequência de saída não é de 60 Hz (BRAGA).
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3. Metodologia do protótipo
A metodologia utilizada é o desenvolvimento experimental de um protótipo,
utilizando os recursos da Mecatrônica Industrial para desenvolver um equipamento que
transformará energia mecânica em energia elétrica através de um alternador que carregará
uma bateria estacionaria em corrente continua posteriormente utilizando a carga da bateria,
novamente transformada em corrente alternada através do inversor cc / ac, que alimentará a
iluminação do local.
Na figura 6: a bicicleta utilizada pelo usuário no treino.
Figura 6: Bicicleta Ergométrica
Fonte: Os Autores
Na figura 7, o alternador acoplado a roda da bicicleta será o responsável de converter
a energia mecânica em elétrica, esta será enviada para a bateria, também foi colocado uma
borracha no eixo do alternador.
Figura 7: Alternador de Carro
Fonte: Os Autores
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Na figura 8 bateria será utilizada para armazenar a energia gerada pelo alternador.
A ligação feita entre a bateria e o alternador foi da seguinte maneira: O negativo do
alternador, ou seja, toda carcaça do mesmo é ligado diretamente no negativo da bateria, já o
positivo da bateria recebe as ligações do positivo do alternador e da lâmpada, esta utilizada
para excitar o alternador a começar a gerar energia, o negativo da lâmpada é interrompido por
outro polo do alternador, enquanto a lâmpada receber carga da bateria, a mesma se manterá
acesa, já quando a lâmpada receber carga do alternador, esta apagará, isto significa que a
bateria estará sendo carregada.
Figura 8: Bateria de nobreak
Fonte: Os Autores
Na figura 9, o inversor cc / ac é ligado na bateria e o responsável de converter a
tensão continua (12vcd) em corrente alternada (127vca), assim a energia estará adequada para
seu uso, então na saída do inversor será ligado lâmpadas da iluminação do local.
Figura 9: Inversor de frequência
Fonte: Os Autores
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4. Componentes utilizados e custos para a realização do protótipo
Tabelas 1 – Componentes
Componentes Utilizados Custos (R$)
Bicicleta Ergométrica (01 unidades) A partir de R$ 300
Alternador (01 unidades) A partir de R$ 300
Bateria (nobreak) 7 A / h (01 unidades) A partir de R$ 60
Inversor cc / ac (01 unidades) R$ 70 + R$ 20 (frete)
Total + - R$ 750
Fonte: Os Autores
4.1 Resultados No quadro 1, simulação de testes:
Quadro 1 – Resultado de testes
Defeitos encontrados Como foi simulado Soluções obtidas
Como aumentar atrito
entre o alternador e a
roda da bicicleta.
Foi feito um suporte
para o alternador e
acoplado na roda.
Através de uma borracha
que foi acoplado na roda
da bicicleta aumentou-se
o atrito.
Fonte: Os Autores
5. Discussão
A dificuldade encontrada foi em como aumentar o atrito entre o alternador e a roda
da bicicleta, foram feitos vários testes, com vários tipos de borracha, mas sem sucesso,
quando a cola suportava a pressão da borracha, a borracha se desgastava rapidamente, ou
vice-versa. Até que foi encontrada uma solução, uma borracha sólida e esponjosa.
A vantagem que foi encontrada através do projeto foi ajudar a reduzir o consumo de
energia elétrica, e também a sustentabilidade e meio ambiente.
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Considerações Finais
O objetivo do projeto foi alcaçado, pois foi possivel transformar energia mecânica
em elétrica, aproveitando a energia despendida nas bicicletas, e posteriormente utilizar a
energia gerada para alimentar parte da iluminação da academia no horário noturno, assim
reduzindo o consumo de energia, a economia social e a melhoria do meio ambiente. Conclui-
se que o protótipo é viável, que tem um resultado positivo para as academias e para quem
estuda ou trabalha na área da Mecatrônica Industrial. O Projeto proporcionou aos
pesquisadores maiores conhecimentos na área e a possibilidade de continuidade da pesquisa
para ampliar e aprofundar o tema.
A execução do protótipo foi de encontro com a teoria, provando que a ideia é
realmente eficaz, pois atende todas as espectativas, e sua construção é relativamente simples,
tornando-o viavel e comercial.
O trabalho está concluído, mas aberto para outros pesquisadores continuarem.
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REFERÊNCIAS BRAGA, Newton C. INSTITUTO NCB: Como funciona o alternador (ATR094). (2014)
Disponível em: <http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/artigos/51-automotivos/709-como-
funciona-os-alternadores-art094.html>. Acesso em: 23-24 set. 2017.
BRAGA, Newton C. INSTITUTO NCB: Como funcionam os inversores (ATR553). (2014)
Disponível em: <http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/3913-art533>
Acesso em: 09 set. 2017.
DMESEG – SOLUÇÕES EM TI: Baterias automotivas vs. estacionárias em nobreaks.
(2012-2016). Disponível em: <http://www.dmesg.com.br/uso-de-baterias-automotivas-vs-
estacionarias-em-no-breaks/ >. Acesso em: 09 set. 2017.
ROSÁRIO, J. M. Princípios de mecatrônica. São Paulo: Pearson, 2005.