T E O R I A     (Referencial Físico Matemático)
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O gerador elétrico de corrente direta (dínamo) e o gerador elétrico de corrente alternada constituem os dispositivos fundamentais para a produção da energia elétrica que consumimos no dia na dia em nossas residências, escolas, indústrias, etc.

O gerador elétrico é o elemento capaz de transformar a energia mecânica em energia elétrica e, portanto é o dispositivo fundamental na operação das diferentes usinas geradoras de energia elétrica no mundo.

Para a geração de energia elétrica as usinas empregam diferentes fontes de energia primaria. Em correspondência com a fonte primaria, existem diferentes tipos de usinas de geração elétrica.

  • Usinas hidrelétricas
  • Usinas termelétricas
  • Usinas nucleares


1. USINAS HIDRELÉTRICAS

Transformam a energia mecânica da vazão de água de um rio, aproveitando a queda natural ou artificial da água, em energia elétrica.

Como funciona usina hidrelétrica?


Toda a água é contida atrás de uma barragem para aumentar a energia potencial desta massa de água. Então, a água é encaminhada a través de tubulações para aproveitar a energia cinética da queda. O jato de água (com elevada energia cinética) é dirigido até as pás de uma turbina hidráulica, fazendo girar a mesma. Finalmente, a turbina é acoplada a um gerador elétrico, onde se transforma a energia mecânica da turbina em energia elétrica.

Portanto, uma usina hidrelétrica funciona a partir do aproveitamento da energia potencial da queda daquela massa de água que atravessa a turbina, transformando-a em energia elétrica no gerador.

Se a usina aproveita o 100% da energia potencial gravitacional da queda da água (não existindo perda na transformação da energia potencial em energia elétrica), então a potência produzida pela é dada por:

     

onde Epg é a energia potencial gravitacional e Dt o período de tempo. Conhecendo que a energia potencial gravitacional é:

     

onde m é a massa, g a aceleração do campo gravitacional e h a altura da queda da água. Obtém-se

     

O quociente m/Dt é a relação entre a massa de água m que atravessa a turbina da usina no intervalo de tempo Dt e conhecido como vazão mássica, sendo análoga ao conceito de vazão volumétrica.


1.1 Vantagens da geração de energia elétrica em usinas hidrelétricas

A energia da água é uma fonte renovável e gratuita. Assim, a geração em usinas hidrelétricas é a forma de transformação de energia que consegue gerar um quilowatt elétrico com o menor custo.

Nas usinas hidrelétricas se gera energia sem queimar nenhum tipo de combustível, que grande vantagem!

Outra grande vantagem da geração hidrelétrica é o fato de não produzir poluição atmosférica, pois não se lançam resíduos de nenhum tipo à atmosfera.


1.2 Tipos de turbinas hidráulicas

As turbinas utilizadas nas usinas hidrelétricas para fazer girar os geradores elétricos são de diferentes tipos. Assim, existem turbinas:

  • Tipo Pelton, formada por uma roda enorme de aço com pás em forma concha que recebem o impacto do jato da água é impulsionam o gerador elétrico. São conhecidas como turbinas impulsão e podem trabalhar girando horizontal ou verticalmente.


    Ref: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Walchenseewerk_Pelton_120.jpg

  • Tipo Francis e tipo Kaplan. Estas são turbinas de reação. Elas funcionam sobre eixos verticais e sempre completamente submersas. As turbinas do tipo Francis têm paletas curvas em espiral. As turbinas do tipo Kaplan têm pás formadas por lâminas semelhantes a uma hélice de navio, adaptáveis à quantidade do fluxo da água.

       
    Ref: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Francis_Turbine_High_flow.jpg   

    Ref: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Walchenseewerk_Pelton_120.jpg

1.3 Impactos ambientais das usinas hidrelétricas
  • Inundar imensas áreas requer a remoção das pessoas.
    a). Agricultores e tribos indígenas têm que abandonar suas terras e, às vezes, populações de cidades inteiras têm que se mudar.
    b). A fauna e a flora também são prejudicadas, porque mesmo que se removam os animais silvestres e as plantas nativas, não há como assegurar que eles sobrevivam em iguais condições no seu novo endereço.

  • A construção de uma hidrelétrica atrai para a região um número grande de trabalhadores com suas famílias, que passam a morar próximo à obra. Também, outras tantas pessoas para lá se mudam, porque vêem ali a oportunidade de ganhar dinheiro - com o comércio, a indústria e a prestação de serviços àquela nova população. Esse crescimento desordenado também traz outras conseqüências, como o aumento de doenças transmissíveis, de acidentes, de poluição, de conflitos e de crimes, sem contar a ocupação irregular de terras às margens da represa.

  • Com a formação dos grandes lagos, o regime de cheias do rio se altera e isso afeta o equilíbrio ecológico na região. Algumas espécies se proliferam, enquanto outras podem até mesmo se extinguir. Esse desequilíbrio pode aumentar, por exemplo, a população de mosquitos e de moluscos transmissores de doenças endêmicas, como a malária e a esquistossomose.

  • O enorme represamento de água pode alterar o meio de vida das populações do entorno daquela bacia hidrográfica, que normalmente têm atividades ligadas à água, como o transporte hidroviário, a pesca e a irrigação, por exemplo.

  • A geração hidráulica depende do clima, que não se pode controlar. Se chover demais, é necessário abrir as comportas, para não correr o risco de rompimento das barragens, e a conseqüência é a inundação - rápida e inesperada - de cidades abaixo das usinas.


2. USINAS TERMELÉTRICAS

Transformam a energia química de um combustível fóssil ou biomassa em energia elétrica. Na termelétrica se produzem uma série de processos de transformação da energia.



  • Primeiro, se produz um processo de combustão do combustível. Este processo tem lugar no forno do gerador de vapor, transformando-se a energia química do combustível em energia térmica.

  • A energia térmica liberada transfere-se para a água, circulando dentro dos tubos do gerador de vapor, produzindo vapor com alta pressão e temperatura.

  • O vapor chega à turbina de vapor, entregando energia às pás da turbina e fazendo-a girar. Na turbina ocorre a transformação da energia térmica do vapor em energia mecânica.

  • A turbina é acoplada a um gerador elétrico, onde se transforma a energia mecânica da turbina em energia elétrica.

A usina termelétrica funciona seguindo um processo cíclico. Assim, o vapor de escape da turbina é condensado, num condensador, por médio de água ambiente de uma fonte natural (rio, lago ou mar). A água obtida da condensação é bombeada para o gerador de vapor, começando novamente o ciclo de trabalho.


2.1 Impactos ambientais das usinas termelétricas

As usinas termelétricas são a forma mais utilizada para a geração de energia elétrica no mundo. No ano 2000, aproximadamente 65% de toda a energia elétrica gerada no planeta foi obtida através de usinas termelétricas (de carvão, de petróleo ou de gás) e apenas 17,1% através de usinas hidrelétricas.
As usinas termoelétricas são muito negativas para o meio ambiente fundamentalmente por dois efeitos:

  • A combustão de combustíveis fósseis em ditas usinas produz enormes quantidades de gases de combustão, principalmente dióxido de carbono (CO2). Os gases de combustão são expulsos à atmosfera e constituem uma das principais causas do efeito de aquecimento global do planeta.

  • As termelétricas utilizam grandes volumes de água, não só para a produção de vapor que gira as turbinas, mas também para o seu resfriamento no condensador. Boa parte da água se perde por evaporação e o pior é o descarte da água quente, ao final do processo de resfriamento. Como as usinas termelétricas são instaladas nas proximidades dos grandes centros de demanda de energia, geralmente situados em bacias hidrográficas altamente urbanizadas e industrializadas, isto acarreta uma importante redução na disponibilidade e na qualidade da água.

3. USINAS NUCLEARES

As usinas nucleares utilizam a energia dos núcleos atômicos para sua transformação em energia elétrica.

O esquema de trabalho das usinas nucleares tem muitas semelhanças com o esquema das usinas termelétricas. Olhando a figura, onde se apresenta a central nuclear, observa-se que o ciclo que percorre o vapor para transformar sua energia térmica em energia elétrica é praticamente semelhante para os dois tipos de usinas. Este circuito percorrido por a água e conhecido como circuito secundário.

A grande diferença está na energia primaria para gerar o vapor. Na usina nuclear se utiliza um reator nuclear, onde se produz a liberação de energia nuclear. A energia liberada no reator é transferida à água que circula num circuito fechado (circuito primário). A água aquecida no reator (a muito alta pressão) passa através do gerador de vapor, onde transfere energia à água do circuito secundário, gerando o vapor com o qual gira a turbina e se gera a energia elétrica.



No reator se produz a reação de fissão de núcleos atômicos pesados. O material mais empregado como combustível nuclear para instalações energéticas é o urânio 235, U235 enriquecido.

Durante a fissão nuclear, o núcleo do material pesado ao ser chocado por um nêutron se divide em dois núcleos de materiais mais ligeiros, também se produzem 2 ou 3 nêutrons livres e se libera uma grande quantidade de energia. Os nêutrons livres chocam com outros núcleos do material pesado e a reação continua.



Para manter o controle da reação no reator existem barras absorvedoras de nêutrons que evitam o crescimento incontrolado do processo, o qual poderia conduzir a uma catástrofe nuclear, como na central de Chernóbil.


Ref: http://antoine.frostburg.edu/phys/invention/case_studies/disasters/chernobyl.html

As quantidades de energia que podem se obtiver através dos processos nucleares de fisão são muito superiores às quantidades possíveis de se obtiver com a combustão química da mesma massa de combustível.



3.1 Impactos ambientais das usinas nucleares

A energia nuclear foi considerada nos anos 1960 do século passado como uma fonte muito importante para a geração de energia elétrica, pois ela constitui uma alternativa abundante e de relativamente baixo custo para gerar eletricidade.

O grande problema da produção de eletricidade a partir de energia nuclear é o elevado nível de radiatividade existente nas diferentes fases do ciclo nuclear. Isto é, existe perigo de contaminação nuclear desde a produção do combustível nuclear até depois de utilizado no reator.

Os resíduos nucleares extraídos do reator possuem uma alta radiatividade e devem ser armazenados isolados muito tempo para evitar escapes. O perigo de contaminação radiativa é sempre latente.

Embora nas usinas nucleares existam sistemas de controle e segurança muito sofisticados, a possibilidade remota de um acidente nuclear é sempre uma catástrofe de proporções enormes para o homem e o meio ambiente.

Finalmente, os combustíveis utilizados nas usinas nucleares, urânio 235 y plutônio 239, são também usados para a fabricação de armas nucleares. Portanto, só o uso pacífico da energia nuclear pode garantir seu aproveitamento sem que perigue a existência espécie humana.



REFERÊNCIAS
  • VESTIBULAR é vestibulandoweb. Disponível em: http://www.vestibulandoweb.com.br. Acesso em: 19 jan. 2009.

  • TABARES, R. H. et al. Eletrodinâmica: software educacional. Rio de Janeiro: Passo a Passo Tecnologia em Educação e Treinamento, 2005.