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Termodinâmica: usina solar para geração de energia elétrica.

Cassiano Ruthes, Daniele Twardowski, Douglas F. Americo, Éverton J. Fari,

Fernanda Lemos, Francisco Heckler, Gilberto Lourenço, Gustavo Brand,

Jorge L. Dill, Karla C. Cavalheiro, Marcio Linzmeyer, Sergio R. Morais Jr,

Victor F. Pacheco.

Departamento de Engenharia Mecânica

Universidade da Região de Joinville (Univille) – São Bento do Sul, SC – Brasil

Abstract. The sun is our largest and most potent available power source,

however its use has not been carried out with total efficiency. A simple

adaptation held in a satellite dish, using small flat mirrors, allows us to heat an

object at high temperatures. Added to this a reservoir with water and a turbine,

we created a solar power plant to generate electricity.

Resumo. O sol é nossa maior e mais potente fonte de energia disponível, porem

seu aproveitamento não tem sido realizado com total eficiência. Uma simples

adaptação realizada em uma antena parabólica, utilizando pequenos espelhos

planos, permite que possamos aquecer um objeto a temperaturas elevadas.

Soma-se a isso um reservatório com agua e uma turbina, criamos uma usina

solar para geração de energia elétrica.

1. Introdução e Fundamentação Teórica

Energia, isso é o que move o mundo! Sua busca incessante tem dado a humanidade uma

grande gama de opções para a extração de energia.

Podemos obter energia das mais variadas fontes, desde a energia oriunda dos

combustíveis fosseis, a energia nuclear, até as energias renováveis. E quando o assunto é

energia renovável, a que se destaca como a mais promissora é a Energia Solar.

Esse enorme reator explosivo que fica lá no céu, o Sol, nos bombardeia com uma

enorme quantidade de energia, algo em torno de 174 petawatts, sendo que 30% é refletido

de volta ao espaço, porem, de todo esse potencial, atualmente só conseguimos aproveitar

uma pequena quantidade de energia, devido as restrições tecnológicas da atualidade.

Existem dois tipos principais de captação de energia solar: direta e indireta. Na

captação direta, a energia solar é transformada diretamente em energia utilizável pelo

homem, como por exemplo os painéis fotovoltaicos, onde a luz solar é convertida em

energia elétrica. Na captação indireta, deve existir mais de uma transformação para que

se haja energia utilizável. Além disso, podemos classificar também como sistemas

passivos, que são geralmente diretos, e sistemas ativos, que são sistemas que precisam de

equipamentos elétricos e mecânicos para que funcionem. Sistemas ativos são na maioria

das vezes indiretos.

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Uma forma de captação bastante utilizada é transformar a energia solar em energia

térmica (transformando em um fogão solar, tema deste artigo) com o auxilio de espelhos

planos.

Um espelho plano é aquele em que a superfície de reflexão é totalmente plana. Os

espelhos geralmente são feitos de uma superfície metálica bem polida. É comum, usar-se

uma placa de vidro onde se deposita uma fina camada de prata ou alumínio em uma das

faces, tornando a outra um espelho. Representa-se um espelho plano por:

Imagem 1 – Espelho plano

As principais propriedades de um espelho plano são a simetria entre os pontos

objeto e imagem e que a maior parte da reflexão que acontece é regular.

Portanto, para a construção da usina solar, a utilização de espelhos planos é o mais

indicado, pois a luz solar será praticamente totalmente refletida para o ponto em que se

deseja, a fim de aquecer o reservatório com agua.

Ao aquecer um reservatório com agua, energia está sendo transferida para o

objeto, energia essa que é transferida para o liquido (agua) que por fim, sofre uma

alteração de seu estado físico, indo de liquido para gasoso, o que por final, move a turbina

do nosso gerador. Tudo isso só é possível graças a 1ª Lei da Termodinâmica.

Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia

aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema

gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.

Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:

Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas

armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho,

ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma

quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho e aumentar

a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando

matematicamente

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2. Método experimental / Gerador de calor (Antena)

Para a primeira parte do experimento, os seguintes materiais foram utilizados:

Antena parabólica de 1 m de raio;

Espelhos de vidro com aproximadamente 11x11 cm;

Arame 3mm;

Silicone;

Madeira;

Ferramentas diversas.

A ideia central no experimento é refletir o máximo de luz solar para um ponto

único, a fim de conseguir a maior quantidade de energia térmica possível.

Pensamos que utilizar espelhos de vidro seria a melhor opção, já que o espelho

iria refletir praticamente 100% da luz incidente. Portanto, conseguimos pequenos pedaços

de retalhos de espelho para efetuar a montagem.

Ora, para fazer a reflexão a um único ponto tivemos que optar entre duas opções:

montar uma estrutura circular plana, onde colocaríamos vários pequenos espelhos com

ângulos maiores conforme fossem se afastando do centro (parecido com uma usina solar),

ou utilizar uma superfície côncava e espelha-la, a fim de focalizar em um único ponto.

Após algumas considerações, observamos que uma antena parabólica faz

exatamente o que precisávamos, mas ao invés da luz solar, a antena parabólica reflete

ondas eletromagnéticas a um ponto especifico. Portanto, precisamos apenas colar os

pequenos pedaços de espelhos e cuidar para manter o ângulo nativo da antena, e com isso

a angulação estava pronta. [Em anexo, pode-se conferir o desenho técnico elaborado do

projeto]

Usamos o arame 3mm para reforçar a estrutura de alumínio da antena, afim de

que as grades não cedam ao peso que os espelhos irão oferecer.

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Imagem 2 – Estrutura de arame 3mm

Em seguida, com o auxilio do silicone, começamos a colar os pequenos pedaços

de espelho, do centro até as bordas, fazendo raios de espelhos.

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Imagem 3 – Raios de espelhos

Por fim, bastava apenas completar os espaços vazios com mais pedaços de

espelhos, com tamanhos variados, para isso os cortando se for necessário.

Imagem 4 – Projeto pronto

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3. Método experimental / Reservatório e gerador elétrico

Para a montagem do gerador elétrico, os seguintes materiais foram utilizados

Alumínio;

Hélice;

Motor elétrico;

Brocas;

Macho;

E torno mecânico.

Primeiramente, o alumínio foi usinado. Deixando um encaixe perfeito para o

motor e para a hélice

Imagem 5 – usinagem do material

Foi feito também uma bucha de nylon para acoplar a hélice ao eixo do motor.

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Imagem 6 – montagem da bucha de nylon

Por último feito um furo na lateral, no qual foi cortado rosca M6 com um parafuso

sem cabeça furado com 1mm para estreitar a passagem de vapor de agua.

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Imagem 7– furo lateral para passagem do vapor

E por fim, montado tudo no seu devido lugar.

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Imagem 8 – turbina montada

Para a montagem do reservatório, os seguintes materiais foram utilizados:

Parafusos;

Cola de junta de alta temperatura;

Chapa de aço de 1,5 e 3mm.

O reservatório é relativamente simples, pois trata-se de um recipiente lacrado com

um furo, por onde a agua aquecida sairá em forma de vapor, indo para a turbina.

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Imagem 9 – projeto do reservatório

Terminado cada etapa, bastou apenas acoplar os dois itens com um tubo

metálico – um cano de diâmetro bem pequeno, com rosca em ambos os lados.

4. Resultados e Considerações finais

Após a montagem da antena ter sido concluída, alguns testes foram realizados. Em um

deles, um pedaço de madeira com aproximadamente 30x10x10 cm foi posicionado no

ponto de convergência da antena e em menos de 10 segundos, a madeira começou a soltar

fumaça, sinal de que já havia começado a se incendiar.

Com isso, provamos a eficácia desse experimento, ficando claro que o

aproveitamento da energia solar para essa finalidade é comprovadamente eficiente. É

claro que para tal, precisa-se de uma boa incidência solar, já que são os raios solares, que

ao serem refletidos pelos espelhos para um único ponto, o aquecem ao ponto de incendiar

qualquer material ali colocado. Ao trocar por um reservatório com agua, que ao aquecer,

gerar vapor de agua, que por sua vez gira uma turbina, fica evidente que temos então uma

usina termoelétrica solar e funcional, provando a eficácia do tema proposto.

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5. Referências

[1] https://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_solar

[2] http://www.sofisica.com.br/conteudos/Otica/Reflexaodaluz/espelhoplano.php

[3] http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Termodinamica/1leidatermodinamica.php