1

FACULDADE ASSIS GURGACZ

FELIPE DE FREITAS

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE CONJUNTO COLETOR

SOLAR PARABÓLICO

CASCAVEL

2015

2

FACULDADE ASSIS GURGACZ

FELIPE DE FREITAS

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE CONJUNTO COLETOR

SOLAR PARABÓLICO

Projeto de pesquisa apresentado ao Curso de

Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade

Assis Gurgacz para elaboração do Trabalho de

Conclusão de Curso – TCC I.

Orientador: Prof. Esp. Helder José Costa Carozzi.

CASCAVEL

2015

3

SUMÁRIO

1 TÍTULO ............................................................................................................. 4

1.1 TEMA ............................................................................................................. 4

1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA ............................................................................. 4

2 O PROBLEMA .................................................................................................. 5

3 JUSTIFICATIVA ............................................................................................... 6

4 OBJETIVO DA PESQUISA .............................................................................. 7

4.1 OBJETIVO GERAL ......................................................................................... 7

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................... 7

5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................................ 8

5.1 DISPONIBILIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA A BAIXO CUSTO................... 8

5.2 COMPONENTES DO SISTEMA DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA................... 10

5.2.1 Motor Stirling............................................................................................... 11

5.2.2 Funcionamento do MS..................................................................................13

5.2.3 Parabólica Solar............................................................................................15

5.2.4 Gerador Elétrico de Fluxo Axial................................................................... 17

5.2.5 Estrutura de Hardware e Periféricos........................................................... 18

6 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................... 22

7 CRONOGRAMA .............................................................................................. 24

REFERÊNCIAS ................................................................................................. 25

4

1 TÍTULO

Geração de energia elétrica através de conjunto coletor solar parabólico.

1.1 TEMA

O trabalho tem como tema a aplicação de um sistema de geração de

energia elétrica tendo como fonte de energia primária a energia térmica irradiada

do Sol, posteriormente aproveitada num sistema termoelétrico.

1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA

Validar por meio de testes práticos a utilização deste projeto para o

processo de microgeração de energia elétrica, utilizando para isto materiais e

métodos simplificados e de baixo custo, visto que a fonte primária de energia é

abundante e limpa, o que proporciona maior acessibilidade sendo a temática o

baixo custo de geração e manutenção do sistema e se possível, eficiência

energética.

5

2 O PROBLEMA

A matriz energética brasileira é alicerçada na geração de energia em

grande escala por meio de hidroelétricas, termelétricas, acompanhadas por outras

formas de geração que utilizam fontes renováveis de energia. Esta geração

geralmente ocorre de forma descentralizada, em relação aos centros de carga,

porém, são interligadas através do Sistema Interligado Nacional - SIN [1].

Atualmente, em termos de geração de energia elétrica, fala-se muito da

geração distribuída, onde pequenas centrais de geração, grandes consumidores,

e até mesmo consumidores cativos podem contribuir a geração de energia e

consequentemente com o SIN, necessitando então este operar com fluxo

bidirecional. As fontes de geração são diversificadas, sendo uma tendência

bastante forte o uso de energias renováveis para este fim, tais como PCH’s

(Pequenas Centrais Hidrelétricas), aerogeradores de pequeno porte,

biodigestores propulsores de geradores a combustão, PV (Painéis Fotovoltaicos)

entre outros [4].

O custo de implantação destas tecnologias ainda é bastante elevado de

acordo com pesquisas realizadas no mercado online, e o investimento inicial não

se paga em poucos meses, não sendo atrativo economicamente à primeira vista

em se tratando de pequenas residências ou pequenas cargas isoladas. As

perdas com energia térmica nas plantas industriais também necessitam ser

reduzidas, ou reaproveitadas, sendo que para a redução deverá ocorrer o

investimento em novas tecnologias mais eficientes, que reduzam principalmente

as perdas por efeito joule. Por outro lado, o reaproveitamento desta energia

térmica dispensada também pode ser aplicado, e nota-se que atualmente esta

filosofia nem sempre é difundida [2].

6

3 JUSTIFICATIVA

Com o intuito de reduzir custos e deixar mais acessível a microgeração

distribuída, este trabalho realiza uma pesquisa que se utiliza de um sistema de

coletor de energia térmica solar, abundante no planeta, utilizando para isto a

teoria de um sistema de coleta com eficiência presumidamente superior , um ciclo

de motor a combustão externa e então a conversão da energia térmica em

energia cinética, sendo esta última convertida em energia elétrica através de um

gerador elétrico de melhor desempenho, que apresente baixo custo de construção

e facilidade de manutenção.

É interessante também a aplicação de um método de geração alternativa

de energia, aproveitando o potencial do grande reator nuclear natural do universo,

o Sol, que abastece o planeta com energia potencialmente limpa e de custo

reduzido, principalmente na microgeração, ou seja, nas residências, que juntas

correspondem a grande parcela da demanda total da energia consumida no Brasil

[8].

O sistema também pode ser em teoria reformulado para aplicação em

máquinas e equipamentos que apresentam grande perda por efeito joule,

efetuando a eficientização nos meios industriais do país, contribuindo para a

manutenção do SEP (Sistema Elétrico de Potência) brasileiro, como ocorre com

outras fontes renováveis alternativas de geração de energia elétrica [5].

7

4 OBJETIVO DA PESQUISA

4.1 OBJETIVO GERAL

Propor um sistema viável de geração de energia elétrica utilizando o

potencial energético solar, onde seja possível com a utilização do equipamento, o

acesso de pequenas residências ou centrais a eletricidade sem a necessidade de

aplicar a tecnologia de painéis fotovoltaicos, que atualmente apresenta um custo

inicial elevado. De igual forma, também verificar a possibilidade da utilização do

motor de fluxo axial, de fácil construção e manutenção, comparando a eficiência

com sistemas já consolidados.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1 - Desenvolver o estudo sobre os modelos de sistemas termoelétricos,

neste caso grupo motores, utilizados para conversão da energia térmica em

energia mecânica cinética, resultando disto um sistema que atenda a proposta

considerando o baixo custo de implantação.

2 - Desenvolver o estudo para a construção de parabólica solar, com o

intuito de concentrar o calor absorvido pelo Sol e utilizá-lo com energia térmica no

sistema termoelétrico.

3 - Desenvolver o estudo para a construção do gerador de fluxo axial que

aproveitará a demanda de energia fornecida pelo motor Stirling, convertendo esta

energia cinética em energia elétrica.

4 - Explorar o melhor período do dia, bem como o ajuste do sistema para

melhor absorver a energia fornecida pelo Sol, considerando as variações do Sol

ao longo do dia, e com isto a variação do potencial energético.

8

5 - A partir dos itens anteriores, selecionar os melhores resultados

hardware elaborando uma proposta de um modelo de geração de energia elétrica

a partir da energia térmica do sol, tendo como consequência a geração de energia

elétrica a baixo custo e de fácil acessibilidade inclusive em regiões longínquas e

isoladas.

5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

5.1 DISPONIBILIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA A BAIXO CUSTO

Atualmente, a geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis

constitui uma tendência verificável em diversos países, inclusive com a concessão

de incentivos à Geração Distribuída (GD) de pequeno porte.

A geração distribuída é definida como o uso integrado ou isolado

de recursos modulares de pequeno porte por concessionárias,

consumidores e terceiros em aplicações que beneficiam o sistema

elétrico e ou consumidores específicos. O termo tem sintonia com outras

expressões normalmente usadas como: autogeração, geração in situ,

cogeração e geração exclusiva [3].

As vantagens de se utilizar a GD estão na disponibilidade da energia

elétrica próximo à carga, o que diminui as perdas e os custos da transmissão

desta, que aumentam devido as grandes distâncias das unidades geradoras aos

centros de carga. Com a inserção da GD no sistema elétrico brasileiro, de acordo

a Resolução Normativa (RN) Nº 482 de 2012, faz-se necessário estudos e

avaliação do desempenho das novas fontes de geração alternativas inseridas na

rede, uma vez que grande parte dos sistemas de distribuição de energia elétrica

do país não foram projetados para o fluxo bidirecional de energia. Ainda de

acordo com a RN nº 482, os microgeradores são aqueles com potência instalada

menor ou igual a 100 quilowatts (kW), e os minigeradores, aqueles cujas centrais

9

geradoras possuem de 101 kW a 1 megawatt (MW). As fontes de geração

precisam ser renováveis ou com elevada eficiência energética, isto é, com base

em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada [6].

Em se tratando de geração distribuída, a tecnologia PV está em

evidência, quando a pauta é a utilização da energia solar. Há vertentes que

afirmam que a energia do futuro será a energia solar, e para isto há uma

expressiva pesquisa e investimentos na vertente da tecnologia PV, sendo esta

aperfeiçoada deste então. Neste tipo de tecnologia, a conversão direta da energia

solar em energia elétrica ocorre pelos efeitos da radiação (calor e luz) sobre

determinados materiais, particularmente os semicondutores. Entre esses,

destacam-se os efeitos termoelétrico e PV, já citado acima. O primeiro

caracteriza-se pelo surgimento de uma diferença de potencial, provocada pela

junção de dois metais, em condições específicas. No segundo, os fótons contidos

na luz solar são convertidos em energia elétrica, por meio do uso de células

solares [7].

O Sol, responsável pela geração de calor e luminosidade fornece em

abundância sua energia, inclusive, proporcionando a sobrevivência de grande

parte das espécies que habitam o planeta Terra, e é responsável pela

temperatura, pela evaporação, pelo aquecimento e por muitos processos

biológicos que ocorrem em plantas e animais. Esta energia, disponível de forma

abundante e limpa, vem sendo aproveitada pelo homem, dentro outras formas,

como forma de geração de energia elétrica através de células PV, geradores a

vapor, concentradores de calor em grandes usinas de sais, entre outros sistemas,

com geração de corrente contínua em primeiro estágio, sendo esta

posteriormente convertida em corrente alternada. Este crescente aproveitamento

da energia solar tem ganhado espaço nos últimos anos, com a preocupação das

autoridades em relação à sustentabilidade energética e ambiental do planeta,

como um todo. A preocupação com a emissão de CO2 também salienta as

pesquisas com o intuito de aplicar fontes alternativas de geração de energia

elétrica, sendo estas de baixo custo, não emissoras de CO2, de fonte primária em

abundância e de fácil acesso até mesmo a comunidades remotas e

subdesenvolvidas [7].

10

No Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) afirma que

entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados

atualmente são o aquecimento de água e a geração PV de energia elétrica. O

primeiro é mais encontrado nas regiões Sul e Sudeste, devido a características

climáticas, e o segundo, nas regiões Norte e Nordeste, em comunidades isoladas

da rede de energia elétrica. A partir de 2012, em meados de Abril, a ANEEL

vigorou a RN Nº 482, já relatado no início deste capítulo, onde o consumidor

brasileiro pode gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis e

inclusive fornecer o excedente para a rede de distribuição de sua localidade.

Trata-se da micro e minigeração distribuídas de energia elétrica, inovações que

podem aliar a economia financeira, a consciência socioambiental e a auto

sustentabilidade. Atualmente, o Brasil possui 3557 agentes de geração, sendo

destes 307 agentes do regime jurídico REG-RN482 (Registo de Mini e Micro

geradores da RN 482/2012). Os demais integrantes deste montante compõem o

grupo de Autoprodução de Energia, Produção Independente de Energia, Registro

e Serviço Público [8].

Os estímulos à geração distribuída se justificam pelos potenciais

benefícios que tal modalidade pode proporcionar ao sistema elétrico. Entre eles,

está o adiamento de investimentos em expansão dos sistemas de transmissão e

distribuição, o baixo impacto ambiental, a redução no carregamento das redes, a

minimização das perdas e a diversificação da matriz energética. A RN 482 prediz

simplificar a conexão das pequenas centrais às redes das concessionárias

distribuidoras de energia elétrica e permitir que a energia excedente produzida

possa ser repassada para a rede, gerando um “crédito de energia” que será

posteriormente utilizado para abater o consumo da micro e minigeração. Um

exemplo é o da microgeração por fonte solar PV: de dia, a “sobra” da energia

gerada pela central é passada para a rede; à noite, a rede devolve a energia para

a unidade consumidora e supre necessidades adicionais. Portanto, a rede

funciona como uma bateria, armazenando o excedente até o momento em que a

unidade consumidora necessite de energia proveniente da distribuidora. O saldo

positivo desse crédito de energia não pode ser revertido em dinheiro, mas pode

ser utilizado para abater o consumo em outro posto tarifário (ponta/fora ponta),

11

quando aplicável, em outra unidade consumidora (desde que as duas unidades

estejam na mesma área de concessão e sejam do mesmo titular) ou na fatura do

mês subsequente. Os créditos de energia gerados continuam válidos por 36

meses [9].

Condicionalmente, para a adesão, compete ao consumidor a iniciativa de

instalação de micro ou minigeração distribuída – a ANEEL não estabelece o custo

dos geradores e tampouco eventuais condições de financiamento. Portanto, o

consumidor deve analisar a relação custo/benefício para instalação dos

geradores, com base em diversas variáveis: tipo da fonte de energia (painéis

solares, turbinas eólicas, geradores a biomassa, etc), tecnologia dos

equipamentos, porte da unidade consumidora e da central geradora, localização

(rural ou urbana), valor da tarifa à qual a unidade consumidora está submetida,

condições de pagamento/financiamento do projeto e existência de outras

unidades consumidoras que possam usufruir dos créditos do sistema de

compensação de energia elétrica. Desta forma, observa-se a importância de se

pesquisar métodos alternativos de microgeração de energia elétrica em

aproveitamento a energia solar, visto que o consumidor terá de arcar com o

investimento total do sistema de geração, não tendo respaldo de financiamento ou

maiores incentivos fiscais. A acessibilidade da fonte solar testifica o estudo

baseado neste tipo de geração [12].

Por fim, é importante ressaltar que, para unidades consumidoras

brasileiras conectadas em baixa tensão (grupo B), ainda que a energia injetada na

rede seja superior ao consumo, será devido o pagamento referente ao custo de

disponibilidade – valor em reais equivalente a 30 kWh (monofásico), 50 kWh

(bifásico) ou 100 kWh (trifásico). Em situação análoga, para os consumidores

brasileiros conectados em alta tensão (grupo A), a parcela de energia da fatura

será zerada, sendo que a parcela da fatura correspondente à demanda

contratada será faturada normalmente [11].

5.2 COMPONENTES DO SISTEMA DE GERAÇÃO DE PESQUISA

12

Para a implementação do projeto de pesquisa, é necessário a utilização

de componentes tais como o a Parabólica Solar, que concentra o calor absorvido

pelo Sol e direciona-o para o cilindro de aquecimento do grupo motor gerador

termoelétrico, também componente deste sistema alternativo de conversão de

energias. O gerador Elétrico de Fluxo Axial é utilizado posteriormente na etapa de

conversão eletromecânica, interligado ao sistema termoelétrico por meio

acoplamento mecânico, onde apresenta como resposta no sistema um potencial

elétrico.

5.2.1 Motor Stirling

O motor Stirling é uma máquina térmica que compreende quatro

processos básicos, sendo compressão, aquecimento, expansão e resfriamento.

O fluído que realiza o trabalho não ultrapassa os limites do sistema e o seu

funcionamento baseia-se na compressão e expansão deste fluído, através do

aquecimento e arrefecimento deste, respectivamente [10].

Teoricamente, o motor Stirling é uma máquina térmica o mais eficiente

possível, tendo alguns protótipos alcançando índices de 45%, superando os

motores a combustão a gasolina, diesel, e também outras máquinas a vapor, que

apresentam eficiência entre 20 e 30%. Devido ao grande número de acidentes

graves ocorridos com explosões desastrosas no inicio do desenvolvimento das

máquinas a vapor, o pastor escocês Robert Stirling, em 1816, auxiliado pelo seu

irmão engenheiro, procuram desenvolver um mecanismo mais seguro. Este

mecanismo funcionava com pressões relativamente mais baixas, devido ao uso

interno de ar ou outros gases, proporcionando maior segurança àqueles que

trabalhavam com as máquinas. O primeiro motor foi construído em 1818 para

bombear água em uma pedreira e, ao longo dos anos, foi aperfeiçoado, sendo em

1843 utilizado para mover máquinas numa fundição [15].

O funcionamento desse motor foi explicado em 1850, e um século depois,

Rolf Meijer, batizou esse motor como Motor de Stirling (MS), generalizando todos

13

os engenhos regenerativos de circuito e com aquecimento externo. Além das

vantagens com a questão da segurança que esta tecnologia proporcionou, é

também importante abordar a questão da eficiência do MS, que apresenta

eficiência superior ao dos motores a gasolina, diesel e das máquinas a vapor,

economizando também energia, pelo motivo deste engenho apresentar um

regenerador ou economizador [13].

5.2.2 Funcionamento do MS

De funcionamento simplificado, o MS é constituído por duas câmaras de

diferentes temperaturas, que aquecem e resfriam um gás de forma alternada,

provocando expansão e contração cíclicas, o que faz com que os dois êmbolos

ligados a um eixo comum se movimentem. As fases que compõem o ciclo

termodinâmico deste motor, executados em dois tempos do pistão e baseado no

ciclo de Carnot são: Compressão Isotérmica, Aquecimento Isotérmico, Expansão

Isotérmica e Resfriamento Isotérmico [15].

O ciclo de Carnot, demonstrado pelo engenheiro francês Nicolas Carnot

(1796-1832), propunha uma máquina térmica teórica que se comportava com uma

máquina de rendimento total, estabelecendo um ciclo de rendimento máximo,

desacreditando a possibilidade de construção de uma máquina térmica ideal, que

seria capaz de transformar toda a energia fornecida em trabalho, obtendo então

um rendimento absoluto, teoria acreditada até meados do século XIX [16]. Com já

visto acima, na máquina de Carnot, os quatro ciclos que compõem o processo,

independente da substância são exemplificados na figura 5.1 a seguir.

14

Figura 5.1. Gráfico dos processos executados na máquina de Carnot [17].

A expansão isotérmica reversível, onde o sistema recebe uma quantidade

de calor da fonte de aquecimento externa, estão representados na Figura 01

pelas letras (L-M). Em seguida, representados pelas letras (M-N), a expansão

adiabática reversível, onde o sistema não troca calor com as fontes térmicas. O

terceiro processo apresentado na Figura 01 é a compressão isotérmica reversível,

onde o sistema cede calor para a fonte de resfriamento (N-O) e por fim a o

processo onde ocorre uma compressão adiabática reversível, não trocando o

sistema calor com as fontes térmicas (O-L) [17].

A quantidade de calor que é fornecida pela fonte de aquecimento e a

quantidade cedida à fonte de resfriamento são proporcionais às suas

temperaturas absolutas, portanto conforme a equação 2.1, tem-se:

|𝑄1|

|𝑄2|=

𝑇2

𝑇1 (5.1)

O rendimento da máquina de Carnot é dado pela equação 5.2 a seguir,

ɳ = (1 −𝑄2

𝑄1) × 100% (5.2)

e sabendo que a equação 5.1é igual a equação 5.2 temos o rendimento conforme

a equação 5.3 a seguir:

15

ɳ = (1 −𝑇2

𝑇1) × 100% (5.3)

Onde:

T1 = Temperatura da fonte de resfriamento (em Kelvin);

T2 = Temperatura da fonte de aquecimento (em Kelvin);

Q1 = Quantidade de calor fornecida pela fonte de resfriamento (energia

útil em Joule);

Q2 = Quantidade de calor fornecida pela fonte de aquecimento (energia

dissipada em Joule);

Adotando as equações descritas acima, que para que haja total

rendimento, todo o calor vindo da fonte de aquecimento deverá ser transformado

em trabalho, pois a temperatura absoluta da fonte de resfriamento deverá ser

ótima. Logo, o zero absoluto não é possível para um sistema físico (Sófisica). O

ciclo do MS é apresentado pelo diagrama Pressão-Volume (pV) [18] apresentado

na Figura 02 a seguir.

Figura 5.2. Diagrama do Ciclo do MS nos eixos pV [20].

O funcionamento do MS é baseado no ciclo de Carnot, como já visto

válido também para gases perfeitos, utiliza em seus modelos mais simples o ar. O

hélio ou hidrogênio pressurizado, até 15Mpa, são empregados nas versões de

16

alta potência e rendimento por serem gases com condutividade térmica

superiores, ou seja, transportam energia térmica mais rapidamente e têm menor

resistência ao escoamento, o que implica menos perdas por atrito. Ao contrário

dos motores de combustão interna, o fluido de trabalho nunca deixa o interior do

motor, conferindo uma máquina de ciclo fechado [17].

No caso do MS escolhido nesta pesquisa, sendo o modelo Beta,

projetado por Robert Stirling, sendo constituído por um pistão dividido em duas

zonas, uma quente e outra fria, que, com ajuda de dois pistões dentro deste

mesmo cilindro, permitem movimentar o ar quente para a zona de ar frio e vice-

versa. Para o correto funcionamento deste motor, um dos pistões encontra-se a

90°. Do ponto de vista termodinâmico é o motor mais eficiente, mas sua

construção está complicada porque o pistão deve ter duas varas permitir a

passagem da haste que move a alavanca [19].

Figura 5.3. Esquema do ciclo do MS Beta [21].

17

Figura 5.4. Vista em corte de MS Beta [22].

As vantagens da utilização do MS de combustão externa Stirling são a

baixa poluição, ao contrário dos motores de combustão interna, que não gastam

de maneira completa e eficiente o combustível que estiver a utilizar. É alimentado

por diversos combustíveis, desde gasolina, etanol, metanol, gás natural, diesel,

biogás, energia solar e até mesmo o calor geotérmico, entre outros. Possui um

funcionamento silencioso, por não possuir válvulas nem muitos elementos

móveis, apresentando um nível de vibração baixíssimo e consequentemente nível

de ruído baixo. O desgaste interno e consumo de lubrificante também são

reduzidos, tanto pelas baixas temperaturas, onde se pode utilizar água no lugar

de óleos, tanto pela não contaminação lubrificante, pois não há contato direto

entre as partes móveis e os produtos de combustão. Por fim, permitem uma boa

adaptação, podendo a planta apresentar uma maior variedade de designer,

possibilitando uma maior adaptação a diferentes espaços físicos [22].

Como desvantagem, o MS apresenta dificuldade na sua partida,

necessitando outrora de uma força externa para sair da inércia. Outra

desvantagem é a irregularidade na velocidade do motor. O custo deste motor

ainda é elevado, se comparado com um motor a Diesel de mesma potência,

devido ao material utilizado nos seus elementos serem específicos. A perfeita

vedação das câmaras onde o gás de trabalho é contido para evitar a

contaminação do lubrificante também é um ponto negativo, pois o rendimento do

18

motor é normalmente maior com altas pressões, conforme o gás utilizado, porém

quanto maior a pressão de trabalho, maior é a dificuldade de vedação do motor

[23].

5.2.2 Parabólica Solar

O mecanismo que absorve a energia térmica do Sol e a disponibiliza de

maneira constante e centralizada é chamada nesta pesquisa de Parabólica Solar

(PS), sendo este produto oferecido no mercado com a finalidade de Solar

Coocking, ou seja, de cozinhar através do aproveitamento da temperatura do sol.

A figura 05 a seguir apresenta uma PS utilizada na preparação de alimentos [24].

Figura 5.5. Foto ilustra usina termoelétrica Arizona-USA com parabólica e motor Stirling [25].

Para a pesquisa deste trabalho, vislumbra-se uma PS côncava, de

material reflexivo, onde através de calculo de reflexão, determinar-se-á o ponto

específico onde ficará posicionado a câmara de aquecimento do sistema

termoelétrico.

19

Quando a luz chega a um objeto, diferentes fenômenos ocorrem. A luz

pode ser absorvida, pode ser refletida ou pode ser transmitida através do objeto.

Em geral, ocorre uma combinação destas coisas. Na absorção, quando luz chega

a superfície, toda ou parte desta luz pode ser absorvida. Se a superfície é negra,

caso de maior absorção, a luz absorvida se transforma em calor. Em se tratando

deste projeto de pesquisa, a absorção não será um método eficiente, tendo em

vista que a PS não necessita absorver calor [26].

A reflexão, outro fenômeno, ocorre quando a luz chega a uma

determinada superfície e reflete em parte ou totalmente esse objeto, pode ser

definida também como o fenômeno que consiste no fato de a luz voltar a se

propagar no meio de origem, após incidir sobre um objeto ou superfície. A luz

pode ser então refletida de maneira especular ou difusa. Na reflexão especular

(direta), que ocorre em uma superfície lisa, por exemplo, um espelho, a luz reflete

no mesmo ângulo no qual incide na superfície, ou seja, incidência e reflexão são

coplanares. Na reflexão difusa ocorre uma luz mais suave, gerando menos

contraste na cena, sombras mais claras e uma transição mais suave entre luzes e

sombras, pelo motivo de que a reflexão ocorre em diversas direções, obedecendo

a 1ª e 2ª lei da reflexão, onde a ultima diz que o raio de reflexão é sempre igual ao

ângulo de incidência [27].

Para a construção da PS pretende se realizar sua superfície de reflexão

com material de baixo custo, apresentando, porém grande reflexão. Para os

cálculos de dimensionamento, primeiro será considerado o diâmetro teórico da

PS, sendo este de não superior a 2 metros, com profundidade não superior a 0,5

metros, afim de apresentar um modelo compacto. Poderá ser utilizado o software

Parábola Calculator 2.0. Os cálculos utilizados para a definição do ponto focal

pode ser visualizado na equação 5.4 a seguir.

𝐷𝐹 = 𝐷 × (𝐷

16×𝐷) (5.4)

Onde:

DF = Distancia Focal (em centímetros);

D = Diâmetro da antena (em centímetros);

20

16 = Constante pela qual se divide a profundidade da antena;

O diagrama da PS é apresentado na figura 5.6 abaixo:

Figura 5.6. Esboço apresentando partes de uma OS [29].

Figura 07. Representação da PS disposta a projetar o calor irradiado pelo Sol [30].

5.2.3 Gerador de Fluxo Axial

21

A máquina idealizada para converter a energia cinética gerada pelo

sistema termoelétrico trata se de um gerador de fluxo axial, onde este se encontra

conectado a um possível motor de combustão externa através do seu próprio eixo

[31].

A elevada fiabilidade e baixa manutibilidade em se tratando de geradores

elétricos são usuais em aplicações de geração eólica de baixa potência, que

utilizam de geradores síncronos de imãs permanentes nomeadamente na

configuração de fluxo axial. Este tipo de máquina apresenta, em relação a

máquina radial vastamente utilizada, vantagens tais como o fato de serem mais

compactas, quando se pretende um elevado número de pares de pólos para

aplicações de baixa velocidade. Ainda, os geradores de fluxo axial podem utilizar

imãs permanentes com melhor propriedade magnética (dopados de terras raras),

que apresentam menor manutenção e menor volume ocupado, sendo estes ainda

podendo ser utilizados de maneira associada [32].

O gerador síncrono é composto por estator, que comportam as os

enrolamentos de bobinas que podem apresentar configuração monofásica ou

trifásica, que receberão a indução da tensão pelo movimento do rotor. No estator

será induzida uma tensão alternada, a qual produzirá uma corrente alternada,

estando o gerador sobre carga. O rotor é construído a partir de imãs

permanentes, que gerarão um campo magnético principal na máquina. No rotor

reside a principal diferença, se comparado o gerador de fluxo axial com o gerador

radial. Como no gerador de fluxo axial os imãs produzem fluxo naturalmente, sem

a necessidade de excitação externa, o fluxo produzido pelos imãs não pode ser

controlado, como no caso do fluxo produzido pelas bobinas, o que caracteriza

algumas desvantagens desta maquina em relação a sua oponente, sendo: não

permitem controle de fluxo de excitação; não permitem o controle da potência

reativa. Por outro lado, a máquinas de fluxo axial apresentam vantagens como,

por exemplo, a ausência de sistemas de excitação e comutação, menos perdas

por efeito Joule, pois não existem intensidades de corrente nem condutores no

rotor, menor necessidade de manutenção e também melhor relação

potência/volume, sendo então mais compactas e robustas em relação à máquina

síncrona de rotor bobinado [32].

22

6 MATERIAIS E MÉTODOS

A iniciação deste trabalho se dará com a escolha de um projeto mecânico

do sistema termoelétrico, dando preferência para sua construção com materiais

que apresentem baixo custo. A definição das dimensões e grandezas potenciais

deste sistema servirá para o posterior dimensionamento do gerador de fluxo axial

que poderá ser acoplado ao eixo volante da máquina motriz do sistema

termoelétrico.

Após a definição do sistema termoelétrico, o próximo passo é definir o

coletor parabólico que realizará a coleta da energia solar e então a disponibilizará

para o sistema termodinâmico, aproveitado no motor a combustão externa, em

questão. O objetivo será a construção deste coletor, podendo este ser revestido

por material reflexivo que atenda aos critérios mínimos do estudo.

Na construção do protótipo deste trabalho, será necessário que os

suportes mecânicos que sustentaram o coletor e o conjunto motor-gerador sejam

dimensionados para que atendam aos esforços que estes componentes

exercerão, bem como o posicionamento e angulação correta destes suportes para

que providenciem um melhor aproveitamento do potencial da energia solar. A

projeção do suporte do conjunto motor-gerador terá como parâmetro o cálculo

apresentado no tópico que trata da PS, onde uma altura mínima deverá ser

considerada para que haja a concentração do calor em um ponto central.

Conforme mencionado acima, o dimensionamento do gerador de fluxo axial

estará atrelado ao dimensionamento do sistema termoelétrico.

Para a construção do sistema termoelétrico poderá ser elaborado o

desenho mecânico das partes que o compõem, a fim de facilitar a sua montagem.

Após a construção das partes mencionadas, o próximo passo será a realização

de testes no hardware, a fim de validar as ações descritas nesta metodologia. Os

testes comportam ainda a viabilidade deste processo quanto a sua eficiência,

acessibilidade econômica, facilidade de construção e também objetiva a

determinação da(s) hora(s) de melhor incidência solar para obter então o melhor

índice de geração de energia elétrica, e, a partir destes dados comparar esta com

23

outras formas de geração de energia elétrica, que utilizem como energia primária

a energia irradiada pelo Sol.

Para exemplificar a metodologia empregada neste trabalho, abaixo é

apresentado um fluxograma das etapas a serem seguidas.

Fluxograma 6.1 – Sequência das ações a serem executadas

24

7 CRONOGRAMA

ATIVIDADES Mar. 2015

Abr. 2015

Mai. 2015

Jun. 2015

Jul. 2015

Ago. 2015

Set. 2015

Out. 2015

Nov. 2015

Dez. 2015

Leitura das Referências

11h 9h 6h 5h

Definição do Tema

4h 2h

Formulação do Problema

1h 2h

Justificativa 1h 1h 1h

Elaboração dos Objetivos

2h 5h

Fundamentação Teórica

3h 5h 2h 8h

Fundamento dos Componentes do Hardware Eletromecânico

2h

Definição de Hardware

2h 1h 3h 15h

Redação Final TCC I

10h 12h

Apresentação TCC I

1h

Modelagem e montagem da estrutura mecânica

30h 60h 20h 10h 5h

Testes e ensaios Práticos com o Projeto Instalado

40h 31h 28h 20h

Revisão Metodológica

10h 5h 2h 8h

Redação Final TCC II

15h 15h 10h 20h 20h

Entrega do Trabalho Final

10h

Defesa em Banca 2h

Total de Horas 22h 19h 25h 46h 31h 125h 71h 50h 53h 42h

Total Geral 484h

25

REFERÊNCIAS

[1] TOLMASQUIM, MAURÍCIO T.; GUERREIRO, AMILCAR; GORINI, RICARDO.

Matriz energética brasileira: uma prospectiva. Disponível em:

<http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0101-

33002007000300003&script=sci_arttext>. Acesso em: 12 abr. 2015.

[2] PORTAL, Setor Elétrico. Melhor aproveitamento da energia elétrica na

indústria. Disponível em: < http://www.osetoreletrico.com.br/web/a-

empresa/1501-melhor-aproveitamento-da-energia-eletrica-na-industria.html>.

Acesso em: 12 abr. 2015.

[3] FILHO, Wilson Pereira Barbosa. Geração Distribuída: Vantagens e

Desvantagens. Disponível em: <

http://www.feam.br/images/stories/arquivos/mudnacaclimatica/2014/artigo_gd.pdf>

. II Simpósio de Estudos e Pesquisas em Ciências Ambientais. Acesso em: 15

abr. 2015.

[4] MARINHO, ANDERSON; IGREJA DA, CARLLOS; FREITAS, FELIPE DE.

Qualidade da Energia Elétrica em Sistemas Distribuídos Interligados em

caso de Ilhamento Intencional. ARTIGO – Faculdade Assiz Gurgacz (Disc. Efic.

e Gestão Energética), Eficiência Energética, 2015. Cascavel – PR, 2015.

[5] CERPCH. Fontes Renováveis. Disponível em: <

http://www.cerpch.unifei.edu.br/biomassa.php>. Acesso em: 12 abr. 2015.

[6] PRODIST. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema

Elétrico Nacional. Disponível em:

<http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/Módulo8_Revisão_6_Retificação_1.pdf>.

Acesso em: 15 abr. 2015.

[7] ANEEL. Distribuição de Energia Elétrica. Geração Distribuída. Disponível em:

<http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=757>. Acesso em: 20 mai. 2015.

[8] ANEEL. Geração Distribuída. Banco de Informações de Geração – BIG.

Disponível em:

26

<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/AgenteGeracao/agentegeracao.cfm>. Acesso

em: 20 mai. 2015.

[9] ANEEL. Geração Distribuída: Crédito de Energia. Disponível em: <

http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=757>. Acesso em: 20 mai. 2015.

[10] SOLAR. Motor Stirling. História do Motor Stirling. Disponível em:

<http://stirlingsolar.blogspot.com.br/p/motor-stirling.html>. Acesso em: 21 mai.

2015.

[11] ANEEL. Geração Distribuída: Condições para Adesão. Disponível em: <

http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=757>. Acesso em: 20 mai. 2015.

[12] ANEEL. Caderno Temático: Micro e Mini Geração Distribuída. Disponível

em: <http://www.aneel.gov.br/biblioteca/downloads/livros/caderno-tematico-

microeminigeracao.pdf>. Acesso em: 20 mai. 2015.

[13] UNICAMP, Relatório Final. Projeto Motor Stirling. Disponível em:<

http://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem

1_2008/RenatoP-Llagostera_RF2.pdf>. Acesso em: 21 mai. 2015.

[14] STIRLING, MOTOR. Fundamentação Teórica. Disponível em

<https://motorstirling.wordpress.com/fundamentacao-teorica-2/>. Acesso em: 21

mai. 2015.

[15] UFRJ. Site Institucional. Motor Stirling: Histórico. Disponível em: <

http://www.dee.ufrj.br/lanteg/Stirling/historico.htm>. Acesso em: 22 mai. 2015.

[16] TRIPLER, Paul. Física para Cientistas e Engenheiros. Gravitação, Ondas e

Termodinâmica. Volume II, 3ª Edição. Rio de Janeiro, 1995.

27

[17] SÓFISICA. Imagem: Ciclo de Carnot. Disponível em:

<http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/ciclodecarnot.p

hp>. Acesso em: 15 mai. 2015.

[18] OLIVEIRA, Mário José. TERMODINÂMICA. Editora Livraria da Física. São

Paulo, 2005.

[19] UFRGS. Teoria: Ciclo de Stirling. Disponível em: <

http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclo_stirling.htm>. Acesso em: 01 jun. 2015.

[20] UFRGS. Ciclo de Stirling: Imagem Gráfico. Disponível em: <

http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclo_stirling.htm>. Acesso em: 01 jun. 2015.

[21] STIRLING, MOTOR. Imagem Motor Stirling Beta. Disponível em

<https://motorstirling.wordpress.com/fundamentacao-teorica-2/>. Acesso em: 02

jun. 2015.

[22] UNICAMP. Ciclo de Stirling: Vantagens. Disponível em: <

http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/stirling/stirling.htm>. Acesso em: 02

jun. 2015.

[23] UNICAMP. Ciclo de Stirling: Desvantagens. Disponível em: <

http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/stirling/stirling.htm>. Acesso em: 02

jun. 2015.

[24] SCI. SOLARCOOKERS: Parabólica Solar no Mundo. Disponível em: <

http://www.solarcookers.org>. Acesso em: 02 jun. 2015.

[25] ECHOARMONIA. Imagem: Usina Arizona-USA Solar Stirling. Disponível

em: < http://www.ecoharmonia.com/2010/09/inaugurada-usina-solar-stirling-

de.html>. Acesso em: 19 mai. 2015.

28

[26] INPE. Manuais: Tutorial de Geoprocessamento. Disponível em :

<http://www.dpi.inpe.br/spring/portugues/tutorial/introducao_sen.html>. Acesso

em: 03 jun. 2015.

[27] HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; KRANE, Kenneth S. FISICA 4. Editora:

LTC, 4ª Edição. Rio de Janeiro, 1996.

[28] UFJF. CURSO: OPTICA GEOMÉTRICA. Disponível em: <

http://www.ufjf.br/cursinho/files/2012/05/APOSTILA-RENAN-2012.109.146.pdf1.>.

Acesso em: 02 jun. 2015.

[29] GPS. Pesquisa: Antenas Parabólicas. Disponível em: <

http://gps.pezquiza.com>. Acesso em: 05 mai. 2015.

[30] SOLAR WEB. Imagem: Parabólica solar utilizada na Culinária. Disponível

em:< http://www.gastronomiasolar.es/p/cocina-solar.html>. Acesso em: 10 jun.

2015.

[31] PPGEE. Dissertação: Projeto e Construção de um Gerador a Ímãs

Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eólica de Pequena Potência.

Disponível em: < http://www.ppgee.ufmg.br/defesas/187M.PDF>. Acesso em: 13

abr. 2015.

[32] UBITHESIS. Gerador Síncrono de Imanes Permanentes para

Microgeração Eólica Dimensionamento, Construção e Ensaio. Disponível em:

< https://ubithesis.ubi.pt/bitstream/10400.6/2468/1/Tese_Jorge%20Gaspar.pdf>.

Acesso em: 13 abr. 2015.