ENERGIA Conceitos de energia e trabalho – Para a Mecânica, Mecânica trabalho rabalho é a medida das transformações de energia causadas por uma força sobre um sistema. Outra definição – A energia é “capacidade que um objecto tem em realizar trabalho. Outra definição – A energia manifesta-se se quando “quando é aplicada uma força a um objecto este desloca ou deforma-se”. deforma
Exemplo de energia mecânica – A deslocação de um ponto de uma polia de um motor.
Exemplo de energia mecânica – A Energia Potencial Gravítica de um objecto é uma manifestação de energia mecânica.
Exemplo de energia mecânica – A Energia CinÊtica de um objecto Ê uma manifestação de energia mecânica.
FĂ“RMULA
FĂ“RMULA
2
GRANDEZAS - SIMBOLOS
UNIDADES
Epot – Energia Potencial
J - Joules
G – Peso do Corpo ou Objecto
N - Newtons
h – Altura a que se encontra o corpo
m - metros
GRANDEZAS - SIMBOLOS
UNIDADES
Ecin – Energia CinÊtica
J - Joules
m – Massa
kg - kilogramas
v – Velocidade
m/s – metros por segundo
ENERGIA ELÉCTRICA – Da mesma forma a energia eléctrica está relacionada com o potencial das cargas eléctricas (partículas) e o movimento das mesmas. O movimento das cargas eléctricas, isto é, a criação de corrente eléctrica depende, de um meio que contenha uma DIFERENÇA DE POTENCIAL (D.D.P.), ou seja capaz de gerar uma FORÇA ELECTROMOTRIZ (F.E.M.).
PRINCÍPIO DE CONSERÇÃO DE ENERGIA – Nada se ganha nada se perde tudo se transforma. O que nós vamos estudar são processos de transformação de energia. Sabendo que a energia eléctrica é a mais utilizada analisemos este diagrama:
TÉRMICA
QUÍMICA
MECÂNICA
NUCLEAR
LUMINOSA
ENERGIA ELÉCTRICA
LUMINOSA
MECÂNICA
TÉRMICA
PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA – Centrais Hidroeléctricas, Centrais Termoeléctricas Convencionais, Centrais Termoeléctricas Nucleares, Centrais Eléctricas Geotérmicas, Centrais Hidroeléctricas das Marés, Parques Eléctricos Eólicas, Centrais Eléctricas Solares (Termodinâmicas e Fotovoltaicas).
Centrais Hidroeléctricas
Centrais Termoeléctricas Convencionais (Carvão, Petróleo e Biomassa)
Centrais Termoeléctricas Nucleares
Centrais Eléctricas Geotérmicas
Centrais Eléctricas Maremotrizes
Centrais Eléctricas Ondas
Parques Eléctricos Eólicos
Central Termoeléctrica Biomassa
Centrais Electricas Solares (Térmicas)
Centrais Eléctricas Solares (Fotovoltaicas)
FONTES DE ENERGIA PRIMÁRIA
SOLAR
HÍDRICA
SOLAR
HELIOSTATO SOLAR
QUEDA FIO DE ÁGUA
CÉLULA FOTOVOLTAICA
GERADOR VAPOR
TURBINA
GERADOR ELÉCTRICO
COMBUSTÍVEL
MARÉS & ONDAS
AEROGERADOR
QUÍMICA
MARÉS
EÓLICA
NUCLEAR REACTOR NUCLEAR
FONTES DE ENERGIA PRIMÁRIA
ENERGIA ELÉCTRICA
ORIGEM DA ENERGIA ELÉCTRICA – Para que haja corrente de electrões, isto é, energia eléctrica em movimento, é necessário criar DIFERENÇAS DE POTENCIAL entre dois pontos sob a forma electroquímica (PILHAS ou BATERIAS/ACUMULADORES) ou ainda através da conversão de energia mecânica em energia eléctrica, isto é, através FORÇAS ELECTROMOTRIZES (F.E.M.), criadas por MÁQUINAS GIRANTES.
PILHAS E BATERIAS
ENERGIA QUÍMICA
ENERGIA MECÂNICA
TRANSFORMAÇÃO
TRANSFORMAÇÃO
ENERGIA ELÉCTRICA
ENERGIA ELÉCTRICA
MÁQUINAS GIRANTES
SÓ PRODUZ EM PEQUENA ESCALA Pouca Quantidade €€€ MUITO CARA
CAPACIDADE DE PRODUÇÃO EM GRANDE ESCALA Muita Quantidade €€€ MUITO BARATA
MÁQUINAS GIRANTES Produção de energia eléctrica é efectuada em centrais eléctricas; O conjunto principal das centrais eléctricas é o grupo TURBO-ALTERNADOR; O grupo TURBO-ALTERNADOR (MÁQUINA-GIRANTE) é composto por uma TURBINA e por um ALTERNADOR; A TURBINA e o ALTERNADOR encontram-se ACOPLADOS por um VEIO; O CONJUNTO e as TRANSFORMAÇÕES seguem no esquema abaixo;
GRUPO TURBO - ALTERNADOR Energia Eléctrica
Energia Mecânica
Energia Hídrica
TURBINA
ALTERNADOR
A turbina em movimento (energia mecânica/energia cinética) provoca a rotação simultaneamente da peça móvel do alternador (rotor). A rotação imprimida pela turbina ao rotor e a circulação de correntes de excitação neste provocam um fenómeno de indução que gera, na peça fixa do alternador (estator), correntes eléctricas de média tensão.
SISTEMA ELÉCTRICO 1.
Produção (Centrais Hidroeléctricas, Centrais Termoeléctricas, Parque Eólicos,…)
2.
Transporte (Rede Eléctrica de Transporte)
3.
Distribuição (Rede Eléctrica de Distribuição)
FONTES DE ENERGIA Designam-se por FONTES DE ENERGIA ou ENERGIAS PRIMÁRIAS as origens das diferentes formas de ENERGIA LATENTES utilizadas para gerar FORMAS de ENERGIA adequadas ao CONSUMO.
FONTES DE ENERGIA NÃO-RENOVÁVEIS Combustíveis fósseis Petróleo – 45 Anos – Produção de Electricidade – Centrais Termoeléctricas Carvão – 300 Anos – Produção de Electricidade – Centrais Termoeléctricas Gás Natural – 56 Anos – Produção de Electricidade – Centrais Termoeléctricas Nuclear Urânio – Produção de Electricidade – Centrais Termoeléctricas Existem em QUANTIDADES CONSIDERÁVEIS mas com RESERVAS SÃO LIMITAS; Uma vez findas as RESERVAS demoram MILHÕES DE ANOS para serem RENOVADAS. CONTRASTE entre RAPIDEZ DE CONSUMO e a lentidão de RENOVAÇÃO.
FONTES DE ENERGIA RENOVÁVEIS Energia Eólica – Vento – Produção de Electricidade – Parque Eólicos
Energia Hídrica – Potencial – Água – Armazenada numa albufeira – Energia Hídrica – Produção de Electricidade – Centrais Hídricas
Energia Hídrica – Cinética – Água – Água a correr num declive – Energia Hídrica – Produção de Electricidade – Centrais Hídricas
Energia Hídrica – Cinética – Água – Água a correr devido às marés – Energia Mareomotriz ou das Marés – Produção de Electricidade – Centrais Hídricas
Energia Hídrica – Cinética – Água – Água a promover o movimento de ar numa dada “recipiente” – Energia das Ondas – Produção de Electricidade – Centrais Hídricas
Energia Solar – Produção de Electricidade – Centrais ou Parques Fotovoltaicos
Energia Solar – Produção de Electricidade – Centrais Solares em Torre
Energia Solar – Produção de Água Quente Sanitária – Instalado nas Residências ou Edifícios
Energia da Biomassa – Produção de Electricidade – Centrais Termoeléctricas
Existem em QUANTIDADES CONSIDERÁVEIS mas com RESERVAS SÃO ILIMITAS; Esta energia está a ser PERMANENTEMENTE RENOVADA; NÂO HÀ CONTRASTE, isto é, existe RAPIDEZ DE CONSUMO Mas também RAPIDEZ DE RENOVAÇÃO.
POLÍTICA ENERGÉTICA. DIVERSIFICAÇÃO E AUMENTO DA EFICÁCIA ENERGÉTICA MODELO DE DESENVOLVIMENTO TRANSPORTES 1950
INDUSTRIALIZAÇÃO
URBANIZAÇÃO
Fonte de Energia Primária:
Fonte de Energia Primária:
Fonte de Energia Primária:
Energia Química (Petróleo)
Energia Químico (Carvão)
Energia Química (Carvão)
Energia Consumida:
Energia Consumida:
Energia Consumida:
Energia Térmica/Mecânica
Energia Eléctrica
Energia Eléctrica
(Combustíveis) 1950
Fonte de Energia Primária:
Fonte de Energia Primária:
Fonte de Energia Primária:
1975
Energia Química (Petróleo)
Energia Química (Petróleo)
Energia Química (Petróleo)
Energia Consumida:
Energia Consumida:
Energia Consumida:
Energia Térmica/Mecânica
Energia Eléctrica
Energia Eléctrica
(Combustíveis) Conjuntura: 1.
Enorme desenvolvimento económico;
2.
Enorme crescimento das actividades cujo MODELO DE DESENVOLVIMENTO assenta;
3.
Enorme crescimento do consumo de energia e fontes de energia primárias
4.
Grande abundância de petróleo
5.
Produção e consumo muito dependente do Petróleo
6.
Todas as reservas encontravam-se no Médio Oriente (Arábia Saudita, Kuwait, Iraque, …)
7.
Estes países formavam a OPEP e estabeleciam preços, quase sempre em alta!
8.
Os países da OPEP ditavam a sua LEI, até ao embargo de 1973
9.
Necessidade de DIVERSIFICAR as FEP
10. Necessidade de REDUZIR os CONSUMOS e AUMENTAR A EFICIÊNCIA 1975
Fonte de Energia Primária:
Fonte de Energia Primária:
Fonte de Energia Primária:
2010
Energia Química (Petróleo)
Energia Química (Petróleo)
Energia Química (Petróleo)
Energia Consumida:
Energia Hídrica
Energia Hídrica
Energia Térmica/Mecânica
Energia Eólica
Energia Eólica
(Combustíveis)
Energia Solar
Energia Solar
Energia da Biomassa
Energia da Biomassa
Energia Consumida:
Energia Consumida:
Energia Eléctrica
Energia Eléctrica
Conjuntura: 1.
Enorme desenvolvimento económico em algumas zonas do planeta (China e Brasil);
2.
Enorme crescimento das actividades cujo MODELO DE DESENVOLVIMENTO assenta;
3.
Enorme crescimento do consumo de energia e fontes de energia primárias
4.
REDUÇÃO das reservas do PETRÓLEO
5.
Produção e consumo menos dependente do PETRÓLEO
6.
DIVERSIFICAÇÃO das FEP, retorno ao CARVÃO, investimento e desenvolvimento das ENERGIAS RENOVÁVEIS
FUTURO
7.
Tentativa de REDUÇÃO dos CONSUMOS e AUMENTO A EFICIÊNCIA
8.
SINTOMAS de perda de EQUILIBRIO TÉRMICO DO PLANETA (Gases Efeito Estufa e Poluição).
9.
Incrementa a necessidade de recorrer às ENERGIAS RENOVÁVEIS
Numa perspectiva médio longo prazo: Investigação e introdução nas ENERGIAS RENOVÀVEIS, SECTORES NUCLEARES AVANÇADOS, FUSÂO NUCLEAR e SUPERCONDUTIVIDADE.
CENTRAIS HIDROELÉCTRICAS O objectivo principal das CENTRAIS HIDROELÉCTRICAS é PRODUZIR ENERGIA ELÉCTRICA. O princípio de funcionamento de uma Central Hidroeléctrica, podemos recorrer às seguintes fases: Fase 1: É construída uma grande barreira à passagem da água do rio, regulando assim o seu caudal e criando uma enorme reserva de energia (Energia Potencial). Fase 2: De seguida, quando se permite a passagem da água armazenada na barragem pelo seu CIRCUITO HIDRÁULICO, esta ENERGIA POTENCIAL é convertida em ENERGIA CINÉTICA. Fase 3: A ENERGIA CINÉTICA resultante desta transformação põe em marcha a TURBINA, e esta através de um veio transmite-a ao ALTERNADOR. Fase 4: O ALTERNADOR com ajuda de correntes de excitação converte a ENERGIA MECÂNICA (Energia Cinética), em ENERGIA ELÉCTRICA. Fase 5: De seguida a ENERGIA ELÉCTRICA é conduzida através de BARRAMENTOS até à SUBSTAÇÃO ELEVADORA TRANSFORMADORA. Fase 6: Na SUBSTAÇÂO ELEVADORA TRANSFORMADORA, através de TRANSFORMADORES, a ENERGIA ELÉCTRICA é elevada a um nível adequado a ser transportada através da REDE ELÉCTRICA DE TRANSPORTE e da REDE ELÉCTRICA DE DISTRIBUIÇÃO.
Constituição elementar de uma Central Hidroeléctrica. 1.
Barragem;
2.
Circuito Hidráulico;
3.
Central Eléctrica.
Barragem 1.
É uma obra de CONSTRUÇÃO CIVIL para formar uma ALBUFEIRA
2.
Assim regula-se o CAUDAL e obtém-se um DESNÍVEL
3.
Relações construtivas:
3.1. Arco Gravidade – Vales largos e pouco profundos;
3.2. Arco Cúpula – Vales estreitos e profundos.
Circuito Hidráulico
Legenda da Imagem: 1 – Albufeira;
6 – Turbina;
2 – Barragem;
7 – Veio. Liga Turbina ao Alternador;
3 – Tomada de água;
8 – Alternador;
4 – Canal de Derivação;
9 – Cabos da Rede Eléctrica de Transporte;
5 – Alternador;
10 – Subestação Elevatória Transformadora (Transformadores).
Tomada de Água – Localizada na barragem e destinada a captar água. Tem: 1.
Comportas de regulação de caudal;
2.
Grelhas (filtros);
Canal de derivação – Destinado a levar a água até junto da turbina, sem grande desnível, podendo existir a céu aberto ou em túnel. Bacia de acumulação – Recebe a água vinda do canal de derivação que se destina a regular o afluxo de água à conduta forçada. Conduta forçada – Em aço ou cimento armado, destinada a acelerar por gravidade, a água que irá movimentar as turbinas. Canal de fuga ou restituição – Conduz ao rio a água turbinada. Central Eléctrica O grupo gerador é constituído pelo conjunto turbina-alternador, que ao receber a energia-cinética da água, agrande pressão nas turbinas provoca o movimento de rotação das palhetas, que é comunicado ao eixo do alternador. Este transforma a energia mecânica em eléctrica. A tensão de produção disponível à saída do gerador, normalmente entre os 6 e 25 kV, é conduzida por barramentos à Subestação Transformadora Elevadora e aí elevada, através de transformadores, para um nível adequado ao transporte de energia eléctrica a grande distância.
CLASSIFICAÇÃO As centrais hidroeléctricas, podem classificar-se quanto à: a)
QUEDA DE ÁGUA ÚTIL QUEDA DA ÁGUA ÚTIL
Alta Queda
h > 250m
Média Queda
50m < h < 250m
Baixa Queda
h < 50m
b)
TIPO DE APROVEITAMENTO TIPO DE APROVEITAMENTO
Centrais de Albufeira
Esvaziamento superior a 100 horas
Centrais de Fio de Água
Esvaziamento inferior a 100 horas
c)
SERVIÇO DESEMPENHO TIPO DE APROVEITAMENTO
Centrais de Ponta
Funcionam para cobrir as necessidades de certas pontas de consumo
Centrais de Base
Funcionam de modo contínuo (centrais a fio de água)
TIPOS DE TURBINAS FÓRMULA
GRANDEZAS - SIMBOLOS
UNIDADES
Pu – Potência útil
W - Watts
k - rendimento
Adimensional
Q – Caudal
m /s – Metros cúbicos por segundo
h – Altura do desnível
m - metros
Relação, quanto > Q > h
3
NOTAS: Condensação: Passagem da matéria da fase gasosa para a fase líquida. Vaporização: Passagem da matéria da fase líquida para a fase gasosa. Fusão: Passagem da matéria da fase sólida para a fase líquida. Solidificação: Passagem da matéria da fase líquida para a fase sólida.
CENTRAIS TERMOELÉCTRICAS - TURBINA A VAPOR «São constituídas essencialmente pelos seguintes elementos: caldeira, turbina e condensador, sendo caracterizadas por empregarem a energia térmica do vapor no accionamento das turbinas. Para esse efeito possuem geradores de vapor, onde o calor resultante da queima de combustível é utilizado para aquecer a água, até transformar-se em vapor. O vapor em circulação nas tubagens da caldeira é levado a alta pressão e temperatura. Após várias etapas de reaquecimento, expande-se através da turbina, actuando sobre as pás e imprimindo-lhe um movimento de rotação. Geralmente, a turbina é constituída por corpos de alta, média e baixa pressão, para aproveitar o melhor possível a capacidade energética do vapor, que é, por último, recuperado no condensador pelo circuito de refrigeração. A água resultante da condensação do vapor regressa ao gerador, completando um ciclo do circuito água-vapor. Além dos problemas de poluição atmosférica já referidas, estas centrais devem situar-se em locais que permitam um rápido e eficaz abastecimento de combustível e que possuam grande disponibilidade de água necessária à condensação do vapor. Caso não existam cursos de água, ou estes não tenham o caudal necessário, utiliza-se uma torre de refrigeração, onde a água quente circula na base, muito larga, para onde é insuflado ar à temperatura ambiente (Central do Pêgo, Abrantes). As centrais de turbina a vapor, devido à grande dificuldade de colocação em marcha e da sua regulação, são utilizadas como centrais de base.»
O funcionamento de uma Central Termoeláctrica – Turbina a Vapor como a quês está representada nesta figura é o seguinte: O combustível armazenado nos parques adjacentes da Central, desde onde, mediante tapetes transportadores (1), e do funil (2) é conduzido ao moinho (3) para ser triturado. Uma vez triturado, injecta-se misturado com ar quente, a pressão, na caldeira (4) para a combustão. Dentro de la caldeira produz-se o vapor que acciona as palhetas dos corpos das turbinas de alta pressão (12), media pressão (13) e baixa pressão (14), fazendo girar o rotor da turbina que se move solidariamente com o rotor do alternador (19), onde se produz energia eléctrica, a qual é transportada mediante linhas de transporte a alta tensão (20) aos centros de consumo. Depois de accionar as turbinas, o vapor se converte-se em liquido (condensa) no condensador(15). A água obtida pela condensação do vapor se submete-se a diferentes etapas de aquecimento (18) e injecta-se de novo na caldeira nas condições de pressão e temperatura mais adequadas para obter no máximo rendimento do ciclo. No sistema de água de circulação que refrigera o condensador pode operar em circuito fechado, transferindo o calor extraído do condensador para a atmosfera através das torres de refrigeração (17), ou transferindo o calor directamente para o mar ou rio. Para minimizar os efeitos da combustão do carvão sobre o meio ambiente, a central possui uma chaminé (11) de grande altura – algumas com 300m –, que dispersa os contaminantes nas camadas altas da atmosfera, e filtros (10) que retêm boa parte dos mesmos no interior da própria central.
CENTRAIS TERMOELÉCTRICAS – TURBINA A GÁS «As centrais de turbina a gás baseiam-se se na acção directa da expansão dos gases de combustão de uma mistura gasosa sobre as turbinas. Os grupos instalados nas centrais turbina a gás são constituídos, essencialmente, por um compressor, uma câmara de combustão, e uma turbina de expansão que acciona um alternador.
«O O ar aspirado da atmosfera é comprimido no compressor e enviado para a câmara de combustão, onde onde se mistura, na proporção conveniente, com o combustível (gasóleo, no caso de Tunes e Alto de Mira – Amadora) simultaneamente injectado. A mistura insufla-se se no interior da câmara de combustão e a força expansiva dos gases resultantes vai, então, actuar sobre as pás da turbina, realizado a conversão da energia térmica do combustível em energia mecânica, que se traduz na rotação da mesma turbina. Parte substancial da referida energia é convertida em energia eléctrica aos terminais do alternador, enquanto a parte remanescente serve para accionar o compressor do ar. Dadas as suas características de arranque rápido, têm como finalidade preencher as pontas de consumo consumo. Apresentam ainda vantagens, como o não terem necessidade de água para o arrefecimento e serem simples e de baixo custo.»
«O termo turbina a gás é mais comummente empregado em referência a um conjunto de três equipamentos: compressor, câmara de combustão e turbina propriamente dita. Esta configuração forma um ciclo termodinâmico a gás, cujo modelo ideal denomina denominase Ciclo Brayton, concebido por George Brayton em 1870. Este conjunto opera em um ciclo aberto, ou seja, o fluido de trabalho (ar)) é admitido na pressão atmosférica e os gases de escape, após passarem pela turbina, são descarregados de volta na atmosfera sem que retornem à admissão. A denominação turbina a gás pode ser erroneamente associada ao combustível utilizado. A palavra gás não se refere à queima de gases combustíveis, mas, sim ao fluido de trabalho da turbina, que é neste caso a mistura de gases resultante da combustão. O combustível em si pode ser gasoso, como gás natural, natural gás liquefeito de petróleo (GLP), gás de síntese ou líquido, como querosene, óleo diesel e até mesmo óleos mais pesados.
TURBINA A GÁS FUNCIONAMENTO
FASE 1
FASE 2
FASE 3
FASE 4
Compressão
Combustão
Expansão
Escape
Pressão – Aumenta
Pressão – Constante
Pressão – Diminui
Pressão – Constante
Volume – Diminui
Volume – Aumenta
Volume – Aumenta
Volume – Diminui
Temperatura – Aumenta
Temperatura – Aumenta
Temperatura – Diminui
Temperatura – Diminui
Energia - Constante
Energia - Aumenta
Energia - Constante
Energia – Diminui
«O ar aspirado da atmosfera é comprimido no compressor e enviado para a câmara de combustão, onde se mistura, na proporção conveniente, com o combustível (gasóleo, no caso de Tunes e Alto de Mira – Amadora) simultaneamente injectado. A mistura insufla-se no interior da câmara de combustão e a força expansiva dos gases resultantes vai, então, actuar sobre as pás da turbina, realizado a conversão da energia térmica do combustível em energia mecânica, que se traduz na rotação da mesma turbina. Parte substancial da referida energia é convertida em energia eléctrica aos terminais do alternador, enquanto a parte remanescente serve para accionar o compressor do ar. Dadas as suas características de arranque rápido, têm como finalidade preencher as pontas de consumo. Apresentam ainda vantagens, como o não terem necessidade de água para o arrefecimento e serem simples e de baixo custo.»
O ciclo se constitui de quatro etapas. Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor,, onde ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia.. Comprimido, o ar é direccionado às câmaras, onde mistura-se com o combustível ível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem va variação de entropia.. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se reduzem se a pressão e temperatura dos gases, gerando gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para accionar a cionar o compressor e eventualmente para accionar cionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente. Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combustão é rejeitada tada sob a forma de calor, contido nos gases quentes de escape. A rejeição de calor é um limite físico,, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinâmica. termodinâmica A perda de ciclo ideal pode ser quantificada pela potência proveniente do combustível, descontando-se se a potência de a accionamento do compressor e a potência líquida.. Assim, diminui-se diminui a perda à medida que se reduz a temperatura peratura de escape e se eleva a temperatura de entrada da turbina, o que faz da resistência,, a altas temperaturas, das partes da turbina um ponto extremamente crítico na tecnologia a de construção destes equipamentos.»
CENTRAIS TERMOELÉCTRICAS – CICLO COMBINADO Com a introdução de gás natural no nosso país, está prevista a instalação deste tipo de central. É constituída normalmente por várias unidades produtoras independentes, cada uma das quais possui um grupo de turbina a gás accionado por expansão do gás natural combustionado, a que se segue um segundo grupo de turbina a vapor impulsionado pela expansão do vapor gerado numa caldeira aquecida pelos gases de escape do grupo de turbina a gás.
CENTRAIS TERMOELÉCTRICAS – MOTOR A DIESEL «As centrais de motor a diesel são grupos diesel/eléctricos, constituídos por um motor de combustão interna tipo Diesel, acoplado a um alternador, sendo utilizadas para pequenas e médias potências. A sua rápida colocação em serviço, permite a sua utilização em instalações particulares ou públicas como grupos de emergência (Rede de Socorro).»
CENTRAIS DE INCINERAÇÃO «Nos lixos de cidade ou ainda nos efluentes urbanos (esgotos) e industriais, nos detritos hospitalares, nos resíduos agropecuários ou florestais, podendo encontrar matéria orgânica em significativa percentagem. Esta matéria orgânica pode definir-se por BIOMASSA. As centrais térmicas de tratamento de lixos, destinadas à incineração de resíduos sólidos e lodos de águas residuais, diferem das centrais térmicas clássicas apenas na caldeira, que tem de ser adaptada para o efeito. Por exemplo, PORTUCEL INDUSTRIAL recorre à queima de desperdícios florestais para gerar energia que abastece as suas fábricas de pasta e papel, conseguindo com este processo não só uma auto-suficiencia em termos energéticos como gerar excedentes que são reenviados para a rede pública.»
CENTRAIS NUCLEARES
INTRODUÇÃO Podemos definir energia nuclear como a energia resultante de uma reacção nuclear obtida pela desintegração dos núcleos de certos elementos pesados (fissão ou cisão) ou pela união de núcleos de elementos leves (fusão). As centrais nucleares são ainda centrais térmicas, diferindo das convencionais essencialmente pelo tipo de combustível utilizado e da forma como é produzido o vapor. Aqui o calor produz-se pela cisão de átomos de urânio.
CISÃO NUCLEAR O átomo, sendo a mais pequena parte de um elemento químico que mantém as suas propriedades, é cosntituido por um núcleo formado por protões e neutrões, à volta do qual giram os electrões.
O número atómico de um elemento é dado pelo número de protões dos seus átomos, o qual caracteriza e elemento e o distingue de todos os outros. O número de massa de um átomo é a soma do seu número de protões e de neutrões, sendo que o mesmo elemento pode apresentar isótopos diferentes com um número de massa diferente. Assim, um elemento mais pesado possui mais neutrões do que protões. O urânio encontra-se na Natureza com uma combinação de isótopos: U238 (99,3%), U235(0,7%) e U234 (vestígios). A cisão é uma reacção nuclear em que se provoca a divisão de um núcleo através do seu bombardeamento por um neutrão. Teoricamente, ao cindir-se em dois o núcleo original, a soma das massas dos núcleos resultantes deveria ser igual à do núcleo inicial, mas comprovou-se que, na realidade, a massa dos elementos resultantes era inferior à inicial. A explicação encontra-se na 2
teoria de Einstein, segundo a qual a matéria se transforma em energia e vice-versa (E=mc ). Evidentemente que a massa perdida é muito pequena, e consequentemente a energia também o seria. Contudo, para certos elementos produzem-se também 2 ou 3 neutrões, que podem bombardear outros núcleos e provocar novas cisões, isto é, uma reacção em cadeia, com mais libertação de energia, que se manifesta sob forma de calor. A velocidade a qual se realiza esta reacção em cadeia, é muito elevada, como é o caso do U-235 ou do Pu-239. No urânio natural, o material cindível é o U-235. O U-238 não só é inerte como, pela absorção de neutrões, apaga a reacção. Os fragmentos obtidos em cada cisão são o crípton e o bário ou outros cujos números de massa ficam num intervalo de aproximadamente 70 a 100.
CONSTITUIÇÃO O reactor nuclear é a instalação na qual se provoca, mantém e controla a reacção nuclear de cisão, e onde por conseguinte, se produz calor. No interior deste, encontra-se o núcleo activo, formado por uma série de bainhas metálicas dentro das quais, em formas de barras, se encontra o combustível nuclear. Nos reactores térmicos, o núcleo está submerso num moderador (água pesada ou grafite), cuja função é estabilizar ou transformar em lentos os neutrões rápidos que nascem da cisão. Os neutrões saem do moderador com uma energia muito baixa (nível térmico) e vão cindir os núcleos de U-235 sem risco de captura pelo U-238, o qual “apaga a reacção”, o que permite a utilização do urânio natural ou fracamente enriquecido (3 ou 4% U235). Quando o moderador não existe, trata-se de um reactor rápido, que permite a utilização de urânio enriquecido. O sistema de regulação, constituído por barras por barras de cádmio ou boro, tem a capacidade de absorver neutrões, regulando a reacção pela maior ou menor introdução das mesmas. O sistema de refrigeração permite retirar o calor desenvolvido no núcleo do reactor (água pesada, sódio fundido, água natural). Geralmente quando o moderador é água pesada, esta é aproveitada também como fluído refrigerador do núcleo. Neste caso, devido ao elevado índice de contaminação radioactiva, existe um permutador de calor, transferindo para um circuito hidráulico o calor e a pressão necessárias para o vapor de água actuar no corpo turbina.
CENTRAIS SOLARES E FOTOVOLTAICAS A energia solar é hoje já utilizada ao nível doméstico para produção de água quente e aquecimento do ambiente, sendo capatada em colectores solares. A produção de energia eléctrica é efectuada por dois processos: A)
Central solar termodinâmica de torre, cujo princípio de funcionamento consiste em transformar a energia térmica contida num fluido em energia eléctrica, através de um ciclo água-vapor. Estas centrais concentram, por meio de espelhos especialmente concebidos, os raios solares, que aquecem a água ou outro fluido (p. ex: óleo ou metais fundidos). Torna-se assim necessário cobrir com espelhos uma superfície de terreno demasiado grande para se obter uma potência significativa: Central “Eirelios” na Sicília (1000kW, três hectares e meio), Central “Thémis” nos Pirinéus Orientais (2500kW, cinco hectares), No, Japão (1000kW), Barstow, Califórnia (10.000kW), Ein Bokek, Mar Morto (cuja água, com elevado grau de salinidade atinge 95ºC).
B)
Outro processo é o das células fotovoltaicas, capazes de converter directamente a energia solar em energia eléctrica. Dispostas num painel solar, devidamente interligadas, estas células são constituídas essencialmente por uma junção PN de silício, cuja tensão de saída está na vizinhança de 0,45V. As ligações serie e paralelo, permitem obter valores usuais de 12V ou 24V.
Se um fotão (partículas de luz) atingir a zona de transição ou barreira de potencial da junção (ver figura seguinte) , é capaz de arrancar um electrão a um átomo de Si, criando-se assim uma lacuna. Arrastado pelo campo eléctrico, a “lacuna” desloca-se para o lado P e o electrão para o lado N. Estes dois movimentos contrários correspondem a correntes eléctricas de igual sentido, sendo opostas as suas cargas. A energia eléctrica assim produzida é proporcional à superfície iluminada da união e à intensidade luminosa incidente. As pilhas fotovoltaicas são constituídas na prática por lâminas de silício, com 3 a 9 cm de diâmetro a cerca de 300µm de espessura. A junção PN localiza-se na face anterior e encontra-se recoberta por uma película metálica colectora, enquanto que a face posterior é totalmente metalizada. Estas centrais são utilizadas para abastecimento de energia dos satélites e naves especiais; na transmissão de sinais de rádio e TV, em equipamentos situados em locais isolados; ou, em zonas remotas como as Reservas Naturais (p. ex.: Gerês) ou na aldeia da serra algarvia do Vale da Rosa, isolada e sem perspectivas de ligação à rede nacional.
CENTRAIS EÓLICAS No presente século, durante as décadas de 30 e 40, a produção de energia eléctrica através do vento, para cargas de pequenas baterias dos receptores de rádio de então, e eventualmente para iluminação, difundiu-se largamente através da instalação de aerodínamos (algumas dezenas de watts), até que a expansão das redes públicas e a evolução dos receptores pôs fim a tal recurso. Actualmente os “aerogeradores” de eixo horizontal são os utilizados (ver figura seguinte). São implantados em parques eólicos, cujas zonas apresentam características eólicas razoavelmente homogéneos.
São da ordem das centenas de kW, instalados em torres de cerca de 30 metros de altura e cujas apresentam um diâmetro aproximado de 30 metros. NO nosso país existem na ilha de Porto Santo, Madeira e na ilha de Santa Maria, Açores, ambos de 240kW, e em Monte Chãos, Sines (4 x 500 kW).