geração e transmissão de energia elétrica - tcc
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Trabalho que aborda como a energia elétrica chega até as nossas casas desde sua geração em usinas hidrelétricas, termelétricas, fotovoltaicas ou eólicas, até sua chegada ao consumidor final.TRANSCRIPT
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO NORTE
CAMPUS APODI
LUCAS EDUARDO DA COSTA OLIVEIRAWESLLEY DA SILVA ALVES
ALAIDE LISANDRA MELO CARVALHOJACÓ GONZAGA BRASIL NETO
ALANA CRISTINA DE OLIVEIRA MARTINSMARCOS THIAGO MARTINS
PEDRO DE OLIVEIRA CARLOS JÚNIOR
GERAÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA: COMO A ENERGIA É PRODUZIDAE CHEGA AS NOSSAS CASAS.
APODI-RN2016
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LUCAS EDUARDO DA COSTA OLIVEIRAWESLLEY DA SILVA ALVES
ALAIDE LISANDRA MELO CARVALHOJACÓ GONZAGA BRASIL NETO
ALANA CRISTINA DE OLIVEIRA MARTINSMARCOS THIAGO MARTINS
PEDRO DE OLIVEIRA CARLOS JÚNIOR
GERAÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA: COMO A ENERGIA É PRODUZIDAE CHEGA AS NOSSAS CASAS.
Artigo apresentado à disciplina EletricidadeInstrumental, ministrada pelo professor GalbaFalcão Aragão, para a obtenção parcial de notano curso de Técnico em Informática, doInstituto Federal de Educação, Ciência eTecnologia do Rio Grande do Norte – IFRN.
APODI-RN2016
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RESUMO
A energia elétrica é um dos bens mais importantes da sociedade atual o
mundo sem eletricidade, por exemplo, é inimaginável. Esse trabalho abordará como
a energia chega até as nossas casas desde sua geração em usinas hidrelétricas,
termelétricas, fotovoltaicas ou eólicas, até sua chegada ao consumidor final.
Palavras-chave: Tensão Elétrica, Corrente Elétrica, Transmissão, Geração.
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ABSTRACT
The electrical power is one of the most importants properties of the modern
society the world without electricity is, for instance, unthinkable. This article will gloss
of how the electrical energy arrive in ours homes, from its generation on
hydroelectric, thermoelectric, photovoltaic or eolian plants, until the arrival on the
final costumer home.
Key-Words: Electrical Tension, Electrical Current, Transmission, Generation.
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SUMÁRIO
Introdução............................................................……………................................07
1. FONTE DE ENERGIA HIDRELÉTRICA………………………......…......................14
2.1 AS USINAS HIDRELÉTRICAS……………………….…....…......................10
2.2 CARACTERÍSTICAS DAS TURBINAS...……………………....……............11
2.3 ATUAÇÃO DE OUTROS COMPONENTES…….....….......…………..........12
2.4 QUESTÃO AMBIENTAL……………………............…….........................…12
3. FONTE DE ENERGIA TERMELÉTRICA………….......................….....................13
3.1 FUNCIONAMENTO.....................…………………..…………….……….....13
3.2 MODO TRADICIONAL....................……..…………………….….................13
3.3 UTILIZANDO GÁS NATURAL.…………...................…….…......................14
3.4 COGERAÇÃO........................……………………………………..………….15
3.5 TERMELÉTRICAS NO BRASIL………………….…………...………………17
3.6 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DE TERMELÉTRICAS.…..17
4. FONTE DE ENERGIA FOTOVOLTAICA………………………....….……………...19
4.1 FUNCIONAMENTO...............…………………..................…..…................19
4.2 MÓDULOS E CÉLULAS SOLARES................................………..…….….19
4.3 GERAÇÃO.……………………………..…………………………..………….21
4.4 COMEÇO DA PRODUÇÃO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA…...……….21
4.5 PRODUÇÃO ATUAL DE ENERGIA FOTOVOLTAICA……….…..…...….22
4.7 PARTICULARIDADES.........................................................…….............23
5.FONTE DE ENERGIA EÓLICA...............................………………………………...25
5.1 DEFINIÇÂO.................................................……………………..…………..25
5.2 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL..................……..……………....................25
5.3 ENERGIA EÓLICA NO NORDESTE..........…....................................….....26
5.4 GERAÇÃO............………………….............................................................26
5
6.TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELÉTRICA.....………………………………...........28
6.1 LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ALTA TENSÃO...................…….............30
6.2 TRANSFORMADORES.…………………….….....................…...................31
6.3 FUNCIONAMENTO DE TRANSFORMADORES...…….............................32
6.4TRANSFORMADORES STEP-UP E STEP-DOWN……………..................32
6.5 TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO......……….............................33
6.6 DISTRIBUIÇÃO DE BAIXA TENSÃO.....................….…............................34
Referências Bibliográficas.....................................................................................35
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1. INTRODUÇÃO
1.2 IMPORTÂNCIA DA ELETRICIDADE
A eletricidade foi uma das descobertas mais importantes da história da
humanidade e é uma parte essencial do mundo moderno, pois dependemos dela
para acender uma lâmpada, fazer ventiladores funcionarem, produzir alimentos,
roupas, papel, remédios, e aumentou o sucesso em cirurgias, melhorando
imensamente a medicina atual. Enfim, praticamente tudo na nossa vida atual
depende diretamente da energia elétrica.
Além de fornecer elementos fundamentais na nossa vida, a energia elétrica
trouxe um conforto a vida humana como nunca antes visto na nossa história. Essa
descoberta foi tão revolucionária que cabe a nós entender todos os avanços
gerados pela eletricidade.
1.3 DESCOBRIMENTO DA ELETRICIDADE
A eletricidade é conhecida desde a antiguidade, em 600 a.C. filósofos gregos
já sabiam da eletrização de objetos, como no caso do âmbar que quando esfregado
em lã ou pele de animais adquiria a capacidade de atrair objetos leves como
pedaços de palha ou pequenos fragmentos de madeira.
A evolução no conhecimento do funcionamento da eletricidade, porém, deu-se
de maneira lenta e gradual, essa evolução teve influência de cientistas como
Stephen Gray (materiais condutores e isolantes), William Gilbert (capacidade de
eletrização de outros materiais além do âmbar), Charles Du Faye (existência de dois
tipos de cargas elétricas), Benjamin Franklin (conservação de carga), Charles
Auguste Coulomb (Equação da força elétrica), Alessandro Volta (pilha voltaica) e
muitos outros.
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1.4 CHEGADA DA ELETRICIDADE AO BRASIL
No brasil, a primeira usina hidrelétrica de grande porte, foi inaugurada em
1889, na cidade de Juiz de fora, Minas Gerais. Logo outras usinas foram
construídas no Brasil. Mas foi em 1954 que o então presidente Getúlio Vargas criou
uma empresa estatal para planejar a construção das usinas produtoras de energia.
1.5 FUNCIONAMENTO DA ELETRICIDADE
Todos os objetos existentes são formados por pequenas partículas chamadas
átomos, esses por sua vez são formados, essencialmente, por três partículas que
são: os prótons que têm cargas elétricas positivas, os elétrons que possuem cargas
elétricas negativa e os nêutrons que não possuem cargas elétricas.
O elétron é a parte mais fácil de ser removida de um átomo, estes podem ser
liberados a partir fatores como: o calor, a fricção, campos magnéticos ou uma
reação química. A remoção de um elétron deixa um espaço vazio que pode ser
preenchido por, somente, outro elétron, esse movimento de elétrons é a base da
eletricidade.
A movimentação de elétrons gera um efeito chamado corrente elétrica que é,
como o nome indica, a corrente de elétrons que passa por um determinado local em
um determinado período de tempo. A corrente elétrica é medida em coulomb
(unidade de carga elétrica) por segundo (s) e um coulomb (C) é equivalente a um
ampère (A)
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1.6 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
A energia elétrica é gerada por fontes de energia que podem ser divididas em
renováveis que são geradas sem possibilidade de a fonte geradora acabar,
exemplos dessas fontes são: a energia eólica, a energia hidroelétrica e a energia
fotovoltaica, e as não renováveis que são geradas com a possibilidade da fonte
geradora acabar algum dia, exemplos dessas fontes são: as termelétricas, a energia
nuclear e as obtidas a partir de combustíveis fósseis.
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2. FONTE DE ENERGIA HIDRELÉTRICA
2.1 AS USINAS HIDRELÉTRICAS
A Usina Hidrelétrica é uma estrutura feita de forma grandiosa, formada
quando se interrompe a passagem do rio, liberando a formação de reservatórios.
Produz a energia de acordo com o potencial hidráulico existente em rios. Alguns
exemplos de hidrelétricas no Brasil: a usina hidrelétrica de Itaipu, a de Belo Monte, a
de São Luíz do Trabajós, a de Tucurui, a de Santo Antônio, a de Ilha Solteira, a de
Jirau, a de Xingó, a de Paulo Afonso IV e a de Jatobá.
É no processo de produção da energia hidráulica que é convertida,
primeiramente, em energia mecânica, para, no final, ser convertida em energia
elétrica. Serão feitas algumas análises nos diferentes tipos de turbina, em relação
aos transformadores, às linhas de transmissão de alta tensão e aos distribuição de
baixa tensão.
Pode-se dividir esse processo em algumas etapas até a chegada na casa dos
cidadãos. Inicialmente, a água é levada por meio de canais, túneis e/ou condutos
metálicos, até chegar à turbina hidráulica que está localizada na casa de força,
podendo ser alguma das três citadas e são escolhidas de acordo com a altura de
sua queda e características que o local necessita para o seu funcionamento
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2.2 CARACTERÍSTICAS DAS TURBINAS
As turbinas presentes nas usinas hidrelétricas são “ligadas a um eixo, que é
conectado a um gerador”, podendo ser dos seguintes tipos: Kaplan, Francis e
Pelton. Contudo, possuem particularidades expostas para a sua utilização, essas
dependem do tamanho da altura de queda d’água, nas hidrelétricas.
A turbinas Francis normalmente são utilizadas com quedas de tamanho
superior a 20m. O distribuidor dele permite controlar a entrada da água nesta turbina
e regular a potência, mantendo a velocidade constante. Na maior usina hidrelétrica
do planeta (a usina de Itaipu), é utilizada a turbina tipo Francis, com quedas d’água
de mais de 100m.
Já as turbinas Kaplan são utilizadas em pequenas quedas, com,
normalmente, menos de 30m. Ela consta, essencialmente, de uma câmara de
entrada, de um distribuidor, de uma roda de quatro ou cinco pás (ambas em formato
de hélice). A usina hidrelétrica das três marias tem a turbina do tipo Kaplan.
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As turbinas Pelton provocam um movimento de rotação. Elas se constituem,
basicamente, por um disco circular, a roda, que leva montados na periferia alguns
copos ou conchas, sobre as quais incide, tangencialmente, um jato de água, dirigido
por um ou mais injetores distribuídos uniformemente na periferia da roda. Esse tipo
de turbina é considerado apenas para quedas superiores a 150 m.
2.3 ATUAÇÃO DE OUTROS COMPONENTES
As turbinas, ao girar, transformam a energia cinética em energia elétrica, isso
graças aos geradores, pois são eles que produzem a eletricidade. Esse gerador é
formado de um imã, que fica em um movimento giratório no interior de uma bobina,
fazendo com que haja o surgimento da corrente elétrica.
Quando a água do rio se estabelece no local, é criado o chamado reservatório,
onde o componente vertedouro permite o controle dessa água nos períodos de
cheia. Na casa de força, encontra-se os chamados turbo-geradores e os auxiliares,
contribuintes para a conversão dos tipos de energia. Existe, também, um canal onde
a água foge após o movimento de rotação das turbinas.
Em todo o processo, é percebido que há uma subestação, esse é o fenômeno
que transforma em alta tensão, a energia elétrica gerada na usina, para que seja
viável a transportação pelas linhas de transmissões. Chegando, desse modo, na
residência dos consumidores, que nesse século já não conseguem viver sem a
eletricidade no seu dia-a-dia.
2.4 QUESTÃO AMBIENTAL
Apesar de a forma de produção de energia nas hidrelétricas seja uma das mais
limpas e sustentáveis possível, na área do grande lago que serve de reservatório
para a hidrelétrica, a natureza se transforma: o clima muda, várias espécies de
peixes desaparecem, animais fogem para locais secos, árvores viram madeira
podre debaixo da inundação. Além disso, a água depois de passar pelos processos
feitos, ela não volta com a mesma “fertilidade” de antes.
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3. FONTE DE ENERGIA TERMELÉTRICA
3.1FUNCIONAMENTO
Uma usina termelétrica ou termoelétrica tem por objetivo gerar energia
térmica e a partir dela gerar energia mecânica, para finalmente converter esta em
energia elétrica. A partir da queima de um material combustível, gera-se vapor em
alta temperatura que é capaz de girar as pás de uma turbina movida a gás ou a
vapor, e essa turbina conectada a um gerador produz a eletricidade.
3.2 MODO TRADICIONAL
Para a produção dessa eletricidade, o processo é praticamente igual para todas
as usinas que utilizam de material combustível em estado sólido ou líquido, e isso
inclui grande parte dos derivados de petróleo.
O sistema convencional das termelétricas (também chamado de ciclo
Rankine) utiliza basicamente de uma caldeira com água, uma turbina a vapor, um
condensador e um sistema de bombas. O calor liberado na combustão esquenta a
água da caldeira, transformando-a em vapor de alta pressão. Quanto maior a
temperatura do vapor, maior será a eficiência das turbinas.
Depois de mover as turbinas, o vapor irá para o condensador, onde voltará
para o estado líquido, e então passará a circular dentro de serpentinas conectadas
ao equipamento (passando a ser chamada de fluido de resfriamento), e se direciona
de volta para a caldeira através do sistema de bombas, repetindo assim o sistema
termoelétrico necessário para girar as turbinas novamente.
13
Perfil esquemático do processo de produção de energia elétrica a partir do petróleo. Fonte: Aneel,
2008.
3.3 UTILIZANDO GÁS NATURAL
O sistema da termelétrica que utiliza do gás natural como combustível é
diferente das demais usinas. No início do processo, é feita a mistura do gás com ar
comprimido para gerar a combustão. Após isso, são emitidos gases em alta
temperatura que giram as pás das turbinas conectadas aos geradores, produzindo
assim a eletricidade.
O ciclo da termelétrica pode ser aberto (simples) ou fechado (combinado),
dependendo do que for feito com o gás natural após o processo. No ciclo aberto,
que é o mais utilizado, os gases são resfriados e depois liberados para a atmosfera
através de uma chaminé. Já no ciclo fechado, os gases antes de resfriarem são
transformados em vapor, que vem a movimentar novamente as turbinas. Ou seja, as
turbinas foram operadas conjuntamente pelo gás e pelo vapor, o que caracteriza as
termelétricas a ciclo combinado.
14
Perfil esquemático do processo de produção de energia elétrica a partir do gás natural. Fonte: Aneel,
2008.
A tecnologia necessária para o ciclo fechado data da década de 80 e vem se
expandindo no Brasil e no mundo. Embora seja necessário um investimento maior
que nas usinas de ciclo aberto, a eficiência do processo de geração é maior, isso é,
com a mesma quantidade de gás natural obtêm-se mais energia elétrica, visto que
no ciclo simples há um grau de eficiência de 38,7% (de acordo com uma análise
sobre o gás natural do Plano Nacional de Energia 2030) enquanto que no ciclo
combinado esse grau é de aproximadamente 50%.
3.4 COGERAÇÃO
Por mais que um gerador termelétrico seja eficiente, grande parte da energia
contida no combustível é perdida para o meio ambiente, devido a uma limitação
física que não diferencia os tipos de combustíveis ou de motores. Por isso, no
máximo 40% dessa energia se transforma em energia elétrica. Foi daí que surgiu a
tecnologia da cogeração, na qual o calor produzido na geração elétrica é usada na
forma de calor para a produção de eletricidade.
15
Demonstração do uso de ciclo simples. Fonte:
INEE
Demonstração do uso da cogeração. Fonte:
INEE.
16
A cogeração pode utilizar todos os combustíveis comuns de usinas
termelétricas, como óleos, biomassa, carvão e gás natural. A escolha de um
desses depende exclusivamente do suprimento disponível e das características
de quem consumirá essa energia elétrica.
Dentre os argumentos favoráveis à cogeração, temos a possibilidade de
utilizar a energia que se perde no processo de gerar eletricidade nas usinas
termelétricas e a redução de gases lançados na atmosfera, que acaba se
tornando um fator competitivo no contexto atual, visto a demanda crescente por
meios que causem menos impacto ao ambiente.
3.5TERMELÉTRICAS NO BRASIL
Atualmente, o Brasil tem um vasto número de usinas termoelétricas,
sendo aproximadamente 2000 usinas espalhadas pelo país. Elas são
responsáveis por quase um quarto da geração de energia do país. Entre essas
várias, há algumas que se destacam, como a usina de Juiz de Fora (Minas
Gerais), que se destaca por ser a primeira termoelétrica do mundo a funcionar
a base de etanol. O parque gerador dessa usina já chegou a produzir 4761
megawatts por dia.
Outro destaque é o complexo Jorge Lacerda, do município de Capivari
do Baixo (Santa Catarina). Esse é o maior complexo movido a carvão da
América Latina e tem uma capacidade instalada de 857 megawatts.
No nordeste, umas das usinas que mais se destaca é a Usina do Vale
do Açu Jesus Soares Pereira (mais conhecida como Termoaçu), localizada no
estado do Rio Grande do Norte no Alto Rodrigues. Essa usina se destaca por
ser um grande exemplo de cogeração e usa de gás natural como combustível.
3.6 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DE TERMELÉTRICAS
Assim como as outras fontes de energia elétrica, as usinas termelétricas
possuem vantagens e desvantagens. Dentre essas vantagens, temos que
17
essas usinas podem ser construídas mais próximas aos pontos de consumo,
diminuindo assim o custo do transporte de energia elétrica. E em relação às
usinas hidrelétricas, elas são construídas com rapidez, o que permite que a
carência de energia de um determinado local possa ser suprida mais
rapidamente, e não dependem de cursos de água ou da quantidade de
precipitação.
Já as desvantagens são que futuramente a eletricidade dessas usinas irá
acabar por falta de material combustível e o custo alto desses materiais faz
com que os próprios consumidores dessa eletricidade tenham que pagar mais
caro por ela do que pagariam pela energia gerada por uma hidrelétrica. Além
disso, depois que a água é utilizada e tem sua temperatura elevada, ela é
jogada em rios e ribeiras, podendo assim devastar ecossistemas, e a queima
dos materiais combustíveis libera na atmosfera uma grande quantidade de
poluentes que são responsáveis pelo aquecimento global.
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4. FONTE DE ENERGIA FOTOVOLTAICA
4.1 FUNCIONAMENTO
O funcionamento da energia fotovoltaica se baseia em um efeito notado
pela primeira vez em 1989, pelo físico, francês, Edmond Bequerel, que
descobriu que determinados materiais produziam uma pequena quantidade de
corrente elétrica quando expostos a uma luz qualquer por muito tempo.
A energia Fotovoltaica ocorre na conversão da luz solar em eletricidade,
essa transformação ocorre baseada no efeito notado por Bequerel. Nos painéis
solares quando é concentrada a quantidade suficiente de fótons a camada
negativa da célula fotovoltaica libera elétrons. Esses elétrons livres migram
para a camada positiva da célula criando, dessa maneira, uma diferença de
potencial semelhante a de uma bateria, essa tensão elétrica gera uma corrente
elétrica que produz a eletricidade.
4.2 MÓDULOS E CÉLULAS SOLARES
A luz solar atinge as placas fotovoltaicas e os fótons podem ser refletidos,
mesmo que essas placas possuam anti reflexivos, podem atravessar as células
solares ou podem chegar às células solares e somente assim essa luz produz
eletricidade.
A composição das células das placas fotovoltaicas ocorre como explicado
por Michael Boxwell (2015, p.4, tradução livre) “Duas camadas de materiais
semicondutores são combinados para criar-se esse efeito. E uma dessas
camadas deve ter um déficit de elétrons”. O material semicondutor utilizado,
geralmente, é o silício (usado por causa de sua abundância na Terra) cortado
em pequeníssimas camadas que formam as células que compõem as placas
fotovoltaicas.
As células funcionam em uma espécie de campo elétrico, onde tem-se um
lado positivo e um lado negativo, quando os fótons atingem essas células,
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forçam a saída dos elétrons dos átomos formando um circuíto elétrico e
possibilitando a captura de elétrons para a produção de eletricidade.
As células fotovoltaicas são colocadas uma ao lado da outra
cuidadosamente e são formadas duas camadas como essa uma camada com
átomos com excesso ou número normal de elétrons e uma camada com falta
de elétrons. Todas as células dessas camadas são conectadas a um condutor
que forma um circuito elétrico.
Figura 1: Fonte: Damia Solar (Tradução Livre)
Posteriormente as células são envoltas por um encapsulante anti reflexivo
e cobertas por um vidro temperado e emoldurado com alumínio ou ferro. Já na
parte de trás do módulo estão a caixa de junção que, prioritariamente, para a
junção dos fios condutores da corrente elétrica e os diodos de Bypass e
Bloqueio.
Todas essas estruturas estão conectadas por fios que levam a
eletricidade a um inversor de tensão que transforma a tensão de 12, 24 ou 48
volts em uma tensão de 110, 220 ou 230 volts. E a partir disso fornece energia
para uma localidade como uma casa.
20
Figura 2: Disposição de equipamentos eletrônicos. Fonte: Dongguan Suncon PV Technology
4.3 GERAÇÃO
A energia solar é uma excelente alternativa para a produção renovável de
pequenas quantidades de energia. Essa energia é produzida principalmente a
partir da iluminação direta do Sol, porém os painéis solares podem produzir
energia em dias nublados, porém em menor quantidade, e alguns sistemas
produzem, ainda, energia em pequeníssimas quantidades durante a noite.
Um painel voltaico é desenvolvido para produzir uma quantidade
determinada de energia e mesmo de dependendo de um elemento que varia de
acordo com as condições atmosféricas como ocorre nos sistemas mais comuns
de 12, 24 ou 48 volts.
4.4 COMEÇO DA PRODUÇÃO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA
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A primeira célula de silício feita para a produção de energia solar foi criada
nos Laboratórios Bell, essa célula tinha uma eficiência de cerca de 6% e foi
feita para o uso espacial.
Os painéis solares no início da sua história eram usados, especialmente,
no espaço, fato que foi gerado pela sua baixa eficiência. Porém com o aumento
da eficiência e com o aumento do mercado consumidor interessado esses
módulos passaram a ser vendidos comercialmente.
4.5 PRODUÇÃO ATUAL DE ENERGIA FOTOVOLTAICA
Os custos para a produção de painéis fotovoltaicos vem baixando
drasticamente nos últimos como foi notado na pesquisa realizada pela Solar
Energy Industry Association (SEIA) que disse que o preço de instalação de
módulos fotovoltaicos caiu mais de 73% desde 2006. Essa diminuição se deve
ao aumento no interesse dos governos de países e interesse da população, em
geral, o que fez as empresas investirem para incrementarem a tenologia dos
painéis solares e diminuírem os preços.
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Figura 3 Fonte: Solar Energy Industries Association (Tradução livre)
Além da diminuição nos preços ocorreu, em 1973, a crise do petróleo,
com a possibilidade real do esgotamento das reservas petrolíferas a energia
solar passou a atrair o interesse de diversos governos que viram nesse tipo de
energia uma alternativa para a energia produzida a partir de combustíveis
fósseis.
Graças a esses fatores vem ocorrendo um aumento considerável no uso
da energia fotovoltaica e os países líderes na produção desse tipo de energia,
atualmente, é a Alemanha, o Japão, a China e os Estados Unidos da América.
4.7 PARTICULARIDADES
A energia fotovoltaica não queima nenhum combustível fóssil e em seu
sistema de produção não existe qualquer tipo de equipamento que mova-se,
não produzindo, dessa maneira, eletricidade a partir de energia mecânica. O
que torna esse tipo de energia, virtualmente, limpa, silenciosa e totalmente livre
de manutenção.
A energia fotovoltaica dispensa linhas de transmissão o que diminui a
perda de energia pelo efeito Joule e outros, diminui o tamanho da área de
produção de eletricidade se comparado, por exemplo, à energia hidráulica e
torna o usuário desse tipo de energia, praticamente, independente na produção
de eletricidade.
A luz solar é responsável direta, também, é o principal gerador da
dinâmica dos ventos, pois graças à má distribuição do calor solar tem-se os
ventos. Diante disso, percebe-se que o Sol não somente proporciona a energia
fotovoltaica, mas como também proporciona a energia eólica.
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5. FONTE DE ENERGIA EÓLICA
5.1 DEFINIÇÂO
Denomina-se energia eólica a energia cinética contida nas massas de ar
em movimento (vento), ou seja, a energia eólica é uma forma indireta de
obtenção de energia do sol, uma vez que os ventos são gerados pelo
aquecimento desigual da superfície da Terra pelos raios solares.
A energia eólica é utilizada há milhares de anos com muitas finalidades, a
saber: bombeamento de água, moagem de grãos e outras aplicações que
envolvem energia mecânica. Para a geração de eletricidade, as primeiras
tentativas surgiram no final do século XIX, mas somente um século depois,
com a crise internacional do petróleo (década de 1970), é que houve interesse
e investimentos suficientes para viabilizar o desenvolvimento e aplicação de
equipamentos em escala comercial. A primeira turbina eólica comercial ligada à
rede elétrica pública foi instalada em 1976, na Dinamarca. Atualmente, existem
mais de 30 mil turbinas eólicas em operação no mundo.
5.2 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL
O Brasil, apesar de ter um território vasto com ótimo potencial de geração de
energia elétrica utilizando o vento, ainda produz pouca energia a partir desta
fonte, embora a exploração desta fonte energética renovável tenha crescido
nos últimos anos. Atualmente, o Brasil produz cerca de 12,1 mil GWh,
correspondendo a apenas 2% de participação na matriz elétrica nacional.
Mais no ano de 2015 entraram em operação mais de 100 usinas eólicas
no Brasil, com cerca de R$ 20 bilhões em investimentos. Esta expansão está
atraindo grandes empresas internacionais que apostam no crescimento deste
tipo de energia no Brasil. O Brasil já é o quarto país do mundo em que a
energia eólica mais cresce. A capacidade instalada de geração eólica cresceu
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cerca de 57% no ano de 2015. Foi a que mais cresceu neste ano em
comparação a outras fontes geradoras de energia elétrica.
A geração de energia elétrica através desta fonte é de extrema
importância para o Brasil, pois se trata de uma fonte renovável e limpa. Com a
energia eólica, nosso país está dando um grande passo na direção do
desenvolvimento sustentável.
5.3 ENERGIA EÓLICA NO NORDESTE
Esse desenvolvimento faz do Nordeste o polo da energia eólica no
Brasil: a região responde por 75% da capacidade de produção nacional (o
restante se concentra no Sul do país) e 85% da energia gerada de fato no país
por essa fonte. Dos cinco maiores Estados produtores, quatro são da região:
Rio Grande do Norte, Ceará, Bahia e Piauí – o Rio Grande do Sul completa a
lista.
O que torna o nordeste atraente a essa atividade é os ventos contínuos
que predomina nessa região. “Os ventos brasileiros estão predominantemente
localizados na parte setentrional do Nordeste, com potencial identificado de
300 gigawatts. Esse potencial tem se revelado cada vez mais eficiente, levando
a um investimento significativo nessa região”, diz Eduardo Braga, o ministro de
Minas e Energia, a uma entrevista na BBC Brasil. Esses ventos, além de terem
uma grande velocidade, são unidirecionais e estáveis, sem rajadas. Isso
significa que a energia é produzida o tempo todo.
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5.4 GERAÇÃO
Para gerar energia através do ar, existe a turbina eólica, onde as pás da
turbina são projetadas para capturar a energia cinética contida no vento.
Quando as pás da turbina capturam a energia do vento e começam a se
mover, elas giram o eixo que une o cubo do rotor ao gerador. A turbina de
energia eólica mais simples consiste em três partes fundamentais: as pás do
rotor, o eixo e o gerador. As pás são basicamente as velas do sistema, em sua
forma mais simples, atuam como barreiras para o vento. Quando o vento força
as pás a se mover, transfere parte da sua energia para o rotor. O eixo da
turbina eólica é conectado ao cubo do rotor, quando o rotor gira, o eixo gira
também, desse modo, o rotor transfere sua energia mecânica rotacional para o
eixo que está conectado a um gerador elétrico na outra extremidade. E assim,
o gerador transforma essa energia rotacional em eletricidade.
Quando se trata de turbinas eólicas modernas, há dois tipos de turbinas
principais: As de eixo horizontal, e as de eixo vertical. Todas as turbinas de
escala de geração pública produzidas comercialmente são turbinas eólicas de
eixo horizontal, o TEEH. As TEEHs usam um apoio para elevar os
componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento, e
ocupam muito pouco espaço no solo, já que todos os componentes estão até
80 metros de altura. Dois fatores contribuem para o melhor rendimento da
turbina, a aerodinâmica e o tamanho. As duas forças aerodinâmicas principais
que atuam sobre os rotores da turbina eólica são o empuxo, que atua
perpendicularmente ao fluxo do vento, e ao arrasto, que atua paralelamente ao
fluxo do vento. Quanto maiores às pás da turbina mais energia ela pode
capturar do vento e maior a capacidade de geração de energia elétrica.
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Parque eólico Morro dos Ventos II, João Câmara RN.
Em uma escala global, as turbinas eólicas geram atualmente tanta
eletricidade quanto oito grandes usinas nucleares. Uma grande turbina eólica
típica pode gerar até 1,8MW de eletricidade ou 5,2 milhões kWh anualmente
sob condições ideais, o suficiente para energizar quase 600 residências. As
duas maiores vantagens de usar o vento para gerar eletricidade são mais
obvias, a energia do vento é limpa e renovável, e não há riscos de uma
escassez de ventos. Mais há inconvenientes também, as turbinas eólicas nem
sempre funcionam com 100% da potência como muitas outras fontes
energéticas, já que a velocidade do vento é variável, outro ponto importante, é
que quando se trata de turbinas eólicas, a localização é tudo, saber quanto
vento existe em uma área, qual sua velocidade e duração, são fatores
decisivos para construção das chamadas fazendas eólicas eficientes. O uso da
energia eólica cresce cada vez mais, principalmente nos países desenvolvidos.
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6.TRANSMISSÃO DA ENERGIA ELÉTRICA
A eletricidade é gerada pelas fontes de energia (eólica, fotovoltaica,
hidrelétrica, termelétrica e outras) e é transmitida, posteriormente, em uma
tensão elétrica de 13,8 kV até 15kV e, geralmente, ao passar por
transformadores de alta tensão do tipo step-up que eleva as tensões elétricas
recebidas para valores próximos a 345kV ou 380kV, dependendo do local de
produção também tem-se outros valores, no Brasil, porém os valores mais
comuns e tidos como padrões são os citados anteriormente.
mme.gov.br - transmissão de energia em 345kv
Ao passar por esses transformadores a energia elétrica é transmitida por
linhas, ou cabos, de transmissão de alta tensão compostos no Brasil,
geralmente, de ACRS (Aluminum Conductor Steel-reiforced, Condutor de
Alumínio e Ferro-Reforçado, tradução livre) ou CAA (Cabos de Alumínio com
Alma de Aço) Extra-Fortes que são compostos como explicado por um folder
explicativo da Companhia Brasileira de Alumínio (Janeiro 2002).
CAA Extra-Fortes: são compostos por encordoamento
com alta resistência mecânica. São frequentemente
28
usados como cabos para raio em linha aérea de
transmissão, em travessias de rios e outros locais onde a
resistência mecânica do condutor é mais importante que
sua capacidade de condução de corrente.
Passando em cabos como esses a corrente elétrica é levada até uma
subestação terminal que diminui a tensão elétrica recebida para cerca de 13,8
kV e começa a ser transmitida por linhas de subtransmissão até uma
subestação abaixadora que é um conjunto de equipamentos que visam
controle do fluxo de corrente elétrica, modificando tensões recebidas, dessa
maneira, garantindo a proteção do sistema elétrico.
Passando pela subestação abaixadora que fica em um local distante de
qualquer área urbana para evitar, quaisquer, tipos de acidentes envolvendo a
alta quantidade de eletricidade e as altas tensões presentes nesses locais, a
energia começará a ser distribuída para os consumidores. Diante disso, para a
preservação da segurança a tensão elétrica é transmitida em uma tensão
elétrica mais baixa, de aproximadamente de 13.8kV.
A energia elétrica em uma tensão de 13.8 kV é distribuída primeiramente
para consumidores primários como grandes indústrias. Porém para ser
distribuída para os consumidores comuns, ou secundários em residências
como equipamentos eletrônicos comuns, a corrente elétrica precisa passar por
um último transformador esse encontra-se em um local mais próximo da rede
de distribuição local de uma cidade.
29
Fonte: Departamento de Energia dos EUA - Tradução livre
Fonte: livro Electric Distribution Systems de Abdelhay Sallam e Om Malik
6.2 LINHAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ALTA TENSÃO
Linhas de distribuição de alta tensão são usados para transmitir corrente
elétrica por longas distâncias, geralmente vinda de estações de geração de
energia. Essas linhas ou cabos de distribuição de alta tensão são feitos para
funcionarem com diferenças de potencial extremamente altas (entre 120kV e
796kV)
As linhas de distribuição de alta tensão são feitas de cobre ou alumínio,
porém, é mais comum a presença dessas linhas de transmissão com o material
de composição principal do fio sendo o alumínio.
Uma das principais preocupações da engenharia elétrica atualmente é a
perda de energia (potência dissipada) no transporte e na geração de energia,
30
porém mesmo com as vantagens de ter-se um fio com uma bitola maior tem-se
um grande problema nesta situação, o altíssimo custo dos materiais bons
condutores de energia elétrica como o cobre, por esse motivo as linhas de
distribuição de alta tensão têm um fio que em, alguns casos, mistura diferente
elementos ou usam de fios finos que acabam por dissipar uma enorme
quantidade de energia.
Por fim, com as linhas de distribuição de alta tensão a corrente elétrica
sobre altas tensões podem ser distribuídas com mais eficiência através de
redes de transmissão até as subestações abaixadoras para terem sua tensão
diminuída.
Linhas de distribuição de alta tensão - Fonte: Universidade de São Paulo
6.3 TRANSFORMADORES
Transformadores são equipamentos que transferem energia de um
circuito para outro. Os transformadores são usados na rede elétrica,
basicamente para a transformação da diferença de potencial e
consequentemente controle da corrente elétrica. Dessa maneira, os
31
transformadores podem ser divididos rudimentarmente em dois tipos: os de
step-down e os de step-up.
6.4 FUNCIONAMENTO DE TRANSFORMADORES
Os transformadores são baseados no seguinte fato: quando uma corrente
elétrica passa por um fio, é gerado um campo magnético ao seu redor. A força
do campo magnético é diretamente proporcional à corrente elétrica, então
quanto maior a corrente, mais forte o campo gerado.
Quanto um campo elétrico como esse é gerado em um cabo, é gerada
uma corrente elétrica então ao colocarmos outro fio próximo a ele uma corrente
será enviada para o outro fio. A corrente gerada no primeiro fio é chamada de
corrente primária e corrente do segundo fio é chamada de corrente secundária
e o processo realizado é chamado de indução eletromagnética.
6.5TRANSFORMADORES STEP-UP E STEP-DOWN
Essa divisão de tipos de transformadores refere-se, basicamente, à
maneira que estes modificam a tensão elétrica.
Os transformadores de step-down são usados para a diminuição de uma
tensão elétrica muito alta, esses transformadores são, comumente, usados em
postes perto de redes residenciais para transformar uma tensão muito alta para
uma tensão de valores seguros para os seres humanos, exemplos desse tipo
de transformador são os transformadores de distribuição local e os
carregadores de celulares que diminuem a tensão gerada para valores de
tensão suportados por esse tipo de equipamento.
Os transformadores step-up são usados quando se é necessário o
aumento de uma tensão, esse aumento é necessário em alguns casos, para
ocorrer assim a diminuição na perda de energia elétrica, por essa razão esse
tipo de transformador é usado antes de redes de distribuição de grande
extensão territorial.
32
Transformadores Step-up e Step-down - Fonte: Indiamart
6.6 TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO
Os transformadores locais, distribuição ou de serviço são transformadores
que provêm a tensão elétrica final, para o consumidor, abaixando a tensão
vinda das linhas de transmissão para valores seguros para serem usados por
consumidores comuns.
Esses transformadores são essencialmente transformadores de step
down, ou transformadores rebaixadores que têm como principal função diminuir
as diferenças de potencial fornecidas a ele. Transformadores de distribuição
funcionam 24 horas por dia transformando tensões de 2400 volts, 4160 volts,
ou 13800 volts pra tensões de 110 volts, 220 volts ou 227 volts.
33
Transformador de Distribuição - fonte: Jotacol
6.7 DISTRIBUIÇÃO DE BAIXA TENSÃO
A tensão transformada pelo transformador local de distribuição é essencial
para a distribuição da tensão até as casas de consumidores secundários de
áreas residenciais com o mínimo de segurança possível. Dessa maneira,
diminuindo o número de acidentes fatais causados por choques elétricos
nessas áreas que possuem um número maior de circulação de pessoas.
Com uma tensão de 220V, 110V ou 227V tem-se uma diminuição na
corrente elétrica que passa pelos fios condutores por isso áreas residenciais
que têm mais chances de sofrerem com acidentes usa-se a distribuição de
baixa tensão, pois em caso de acidente este tem menos corrente e gerando
menos danos ao corpo humano, portanto acarretando um número menor de
acidentes fatais
34
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