Gerador híbrido de eletricidade

ARTIGO ORIGINAL

CALIL, Luiz Henrique Sousa ^[1]

CALIL, Luiz Henrique Sousa.Gerador híbrido de eletricidade. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 04, Ed. 06, Vol. 05, pp. 152-160 Junho de 2019. ISSN: 2448-0959

RESUMO

O objetivo principal deste projeto é montar um sistema de geração de energia elétrica hibrido, convertendo energia mecânica em eletricidade, impulsionado pela energia gerada por uma bateria, carregada por uma placa solar. Este projeto se direciona aos consumidores domésticos (Casas, apartamentos e pontos comerciais), com o custo de instalação e aquisição relativamente baixos, comparado com o sistema de geração por energia solar, usando placas fotovoltaicas. Este sistema, além de gerar entre 80% e dependendo da carga até 100% do consumo de uma residência, este terá um custo beneficio muito mais baixo do que o sistema de energia solar que possui um preço elevado e chega a ser inviável a aquisição para consumidores domésticos e até pontos comerciais.

Palavras-Chaves: Geração hibrida custo, fotovoltaicas.

1. INTRODUÇÃO

Com o aumento das tarifas de energia pelas concessionárias, o pequeno consumidor vem sofrendo para pagar valores exorbitantes de algo crucial para subsistência do homem urbano e até rural. Para reduzir esse custo é preciso racionar o consumo de eletricidade ou gerar a própria energia.

Segundo Rodolfo Meyer e Siqueira de Moraes neto (2014). Atualmente a alternativa mais utilizada para reduzir o consumo ou até eliminar as tarifas cobradas pelas concessionárias, é a energia solar fotovoltaica. (Esse sistema gera uma energia limpa e renovável que possibilita gerar a própria energia e praticamente acabar com a conta de luz), porém o custo destas placas e dos inversores são elevados e inviáveis para pequenos consumidores. Segundo Pena (2017), atualmente a tecnologia de produção de energia solar é muito cara. As placas residenciais, por exemplo, são exclusividades da população economicamente mais rica, exceto nos casos em que o governo custeia ou financia o equipamento para lares mais humildes.

Pensando nisso, este projeto toma como objetivo principal, projetar um sistema de geração de energia confiável, eficiente e de baixo custo (A aquisição deste equipamento será 80% mais barato que o sistema fotovoltaico).

O projeto básico consiste em gerar energia mecânica em elétrica, usando um gerador. (Alternador de carro) e um motor 12V/ 800RPM, que será acionado por uma bateria que consequentemente será carregada por uma placa solar, está máquina rotativa atuará como propulsor para transmitir a velocidade dele para o gerador.

Este terá a capacidade de reduzir em 80% ou até 100% dependendo do consumo em residências, apartamentos e/ou pequenos pontos comerciais), fazendo com que a energia gerada, seja conectada a rede elétrica (este método é regulamentado pelo decreto n°5.163/2.004).

O sistema híbrido também poderá vir com monitoração de funcionamento por supervisório e armazenamento de dados, partida e desligamento automáticos, controle de corrente e temperatura para proteção do sistema, do usuário e aumentar a vida útil da máquina.

1.1 JUSTIFICATIVA

Segundo Baima (2012, p. 10), o custo da geração de energia elétrica no Brasil é um dos mais baratos do mundo, todavia a tarifa cobrada dos consumidores finais é uma das mais caras do mundo.

Então grandes e pequenos consumidores, vem buscando alternativas para reduzir o valor dessas altas tarifas cobradas pelas concessionárias, a melhor forma de conseguir resultado nesse problema, é gerando sua própria energia.

A REN 482/2012 permite, basicamente, que os consumidores instalem pequenos geradores em suas unidades consumidoras e injetem a energia excedente na rede em troca de créditos, que poderiam ser utilizados dentro de um prazo a partir da compensação.

De acordo com Meyer e Siqueira (2014), Como forma de regulamentar e definir os sistemas que podem utilizar da compensação de energia (inserção da energia gerada na rede elétrica), foram determinados os conceitos de mini e micro geração, os quais são a fonte de embasamento para a possibilidade de conexão de pequenas e médias centrais geradoras na rede elétrica. Esses conceitos foram inicialmente definidos pela resolução normativa 482/2012. Tal resolução é considerada como o maior avanço para a geração distribuída no país.

1.2 OBJETIVO

O objetivo principal deste projeto é montar um sistema de geração de energia elétrica para consumidores domésticos (Casas, apartamentos e pontos comerciais), com o custo de instalação e aquisição relativamente baixos, comparado com o sistema de geração por energia solar, usando placas fotovoltaicas.

2. REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 GERADOR

De acordo com Del Toro (1990, p. 197) Todo dispositivo cuja finalidade é produzir energia elétrica à custa de energia mecânica constitui uma máquina geradora de energia elétrica (diz-se também, impropriamente, máquina geradora de eletricidade. Eletricidade não é uma grandeza física, é um ramo da Física).

O funcionamento dessas máquinas se baseia em fenômenos eletrostáticos (como no caso do gerador Van de Graaff), ou na indução eletromagnética (como no caso do disco de Faraday). Nas aplicações industriais a energia elétrica provém quase exclusivamente de geradores mecânicos cujo princípio é o fenômeno da indução eletromagnética (e dos quais o disco de Faraday é um simples precursor); os geradores mecânicos de corrente alternante são também denominados alternadores; os geradores mecânicos de corrente contínua são também denominados dínamos. Vale, desde já, notar que: “dínamo” de bicicleta não é dínamo e sim ‘alternador’.

Figura 1: Alternador propulsionado por motor de corrente continua.

Como mostrado na figura 1, o elemento gerador será um alternador usado em empilhadeira, que gera uma tensão de 12 a 18Vdc (Diodos de retificação internos) a uma rotação em média de 1300RPM (Rotação por minuto).

2.2 TRANSMISSÃO DE VELOCIDADE POR CORREIA

De acordo com Sarkis Melconian (2000, p. 53) duas polias formam um par cinemático. Quando unidas por um elemento flexível, denominado de correia. Uma polia sempre será a motora e a outra a movida.

Para cada tipo de correia, existe um tipo correspondente de polia. As correias podem ser planas, normalmente fabricadas em couro, borracha, lona ou mistas e servem para transmissão ou para transporte.

Obs.: O tipo de correia usada no sistema será plano e de material de borracha.

Figura 2: Transmissão ampliadora de velocidade

O motor utilizado no sistema possui a velocidade nominal de 800RPM, então foi adotado o modelo ampliador de velocidade, como mostra as figuras 1 e 2.

2.3 INVERSOR

De acordo com Ahmed (1991, p. 350), os inversores são circuitos estáticos (isto é, não possuem partes móveis), que convertem potência DC em AC com a frequência e tensão ou corrente de saída desejada. A tensão de saída tem uma forma de onda periódica que, embora não senoidal, pode com uma boa aproximação, chegar a ser considerada como tal. Ou seja, é possível converter uma corrente DC pura em corrente AC, usada nos equipamentos, eletrodomésticos, lâmpadas, máquinas rotativas e outros utensílios eletroeletrônicos usados nos lares domésticos.·.

O inversor deve fornecer uma tensão (ou corrente) alternada, com frequência, forma e amplitude definidas por algum sistema de controle. Em princípio, a saída deve ser independente de eventuais alterações na alimentação CC, na carga (situação de operação ilhada) ou na rede CA. Dado que a grande maioria das cargas é alimentada em corrente alternada, a aplicação destes conversores se dá tanto em sistemas isolados quanto nos interligados com a rede, estes são chamados de inversores GRID TIE, segundo desenvolvimento18digital(2017), estes são inversores de corrente, utilizados em sistemas fotovoltaicos conectados a rede. Além da função básica de um inversor ou conversor CC/CA, os inversores para a conexão com a rede, também fazem a sincronização com a rede pública de eletricidade, ou seja, garantem que a energia solar (neste projeto a energia gerada será pelo alternador), produzida seja fornecida exatamente como aquela que é recebida da rede elétrica.

Abaixo será mostrados o inversor Grid TIE, usado no projeto.

Figura 2: Power inverter da GILCAL

2.4 REGULADOR DE TENSÃO 12VDC

Os reguladores de tensão são lineares e servem para diminuir a tensão de entrada, onde está ddp de entrada pode ser variável dentro dos limites estabelecidos pelo componente, fornecendo uma tensão de saída menor e constante, independente da variação da tensão de entrada, e o excesso de tensão que não será enviado à saída é dissipado pelo componente em forma de calor.

Neste projeto foi usado o CMP12, que é mostrado na figura 6, este dispositivo, possui o componente 7812, que recebe até 35Vdc na entrada e mantém a saída em 12Vdc, com uma carga máxima de 10 AFigura 3: Regulador de Tensão CMP12

2.5 PLACA SOLAR

Placa solar ou célula fotovoltaica possui a função de transformar energia térmica e luminosa provenientes da captação dos raios solares e transformar em energia elétrica ou mecânica. É importante ressaltar que energia solar está sendo utilizado também como aquecedor de água em residências.

Neste projeto será usada apenas uma placa solar de baixa potência para carregar a bateria que energiza o motor.

2.6 ARDUINO, LABVIEW E MYSQL

De acordo com Oliveira e Russi (2016), no desenvolvimento de projetos em que há necessidade de monitoramento em tempo real de sensores e atuadores que compõe o sistema, pode-se utilizar a plataforma arduino, atuando como microcontrolador, junto com o software Labview, que proporciona um ambiente gráfico com interfaces para acionar os atuadores e medir os sensores existentes no sistema.

Figura 4: Placa Arduino R3

O arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica, com o objetivo de permitir o desenvolvimento de controle de sistemas interativos, de baixo custo. A plataforma é composta essencialmente de duas partes: o hardware e software.

Figura 5: VI do LabVIEW

 

O LabView é um poderoso ambiente de desenvolvimento integrado para aquisição de dados, análise de medidas e apresentação de dados, criado especificamente para engenheiros e cientistas.

O MYSQL Query Browser é uma ferramenta gráfica fornecida pela Mysql AB, para criar, executar e otimizar soluções SQL (Banco de dados) em um ambiente gráfico. Este software foi desenvolvido para auxiliar a selecionar e analisar dados armazenados dentro de um banco de dados

Estas três ferramentas mostradas acima, irão trabalhar em conjunto, para medição de temperatura e corrente elétrica pelo arduino, onde será visualizado a medição de forma atualizada os valores das duas grandezas pela interface criada pelo LabVIEW e onde será armazenado os valores medidos no banco do MYSQL.

3. DESCRIÇÕES DO PROJETO

Como está descrito no item 2.1, O alternador é um equipamento que funciona de acordo com o fenômeno da indução eletromagnética, onde além de uma corrente no estator, essa maquina, precisa que o rotor entre em movimento, para que possa gerar uma tensão. Então o motor, atuará como propulsor do sistema, que transmitirá a sua velocidade através de correias e polias para o gerador, que quando atingir aproximadamente a velocidade de 1300RPM será gerado em seus terminais de saída, uma tensão continua que varia entre 14Vdc e 18Vdc com uma carga de até 70A. A Corrente é continua, devido um circuito retificador interno nos polos do alternador.

Figura 6: Sistema de geração

Como os aparelhos, equipamentos eletroeletrônicos, iluminação e máquinas rotativas domésticas, utilizam corrente alternada disponibilizada pela rede elétrica em 110/220volts, será utilizado na saída do gerador um inversor GRID TIE, descrito no item 2.3, este além de converter e elevar uma tensão 12Vdc (corrente contínua) para uma tensão alternada em 110V/220V, com frequência de 60Hz, este dispositivo, possui a capacidade de entrar em fase com a rede elétrica, disponibilizada pelas concessionárias, tornando-se, possível injetar a energia gerada na rede elétrica na troca de créditos e descontos nas faturas de consumo de eletricidade.

Figura 7: Diagrama de funcionamento do gerador

A bateria terá a função de energizar e provocar o funcionamento do motor de corrente continua em 12Vdc, enquanto a placa solar se encarrega de carregar a bateria.

Na saída do gerador, existe um regulador de Tensão CMP12, descrito no item 2.4, este terá a função de manter a ddp em 12Vdc, pois o inversor GRID TIE, recebe nos seus terminais de entrada uma tensão de 12V e o alternador gera uma tensão que supera esse valor (tensão gerada 14 >=18Vdc).

Além de gerar uma tensão equivalente a da rede elétrica o gerador híbrido, terá um sistema de controle e monitoramento, através da plataforma Arduino, Labview e armazenamento de dados pelo MYSQL, que estão descritos no item 2.6.

O arduino terá a função de medir as grandezas, temperatura e corrente elétrica e se comunicar com a interface gráfica criada pelo LabView, através de um VI, onde será possível monitorar as condições de funcionamento do sistema de geração híbrido.

Figura 8: VI do Gerador híbrido

O sistema também ira possuir um armazenamento das medições realizadas, através do banco de dados, criado pelo MYSQL, como é visto na figura 14.

4. RESULTADOS

Em posse de toda informação, pesquisa de cada equipamento utilizado, testes do motor mais adequado para aplicação, uso do inversor GRID ou inversor OFFLINE (apenas usado para energizar cargas, não podendo em hipótese alguma ser ligado a rede elétrica), testes sem carga e com carga, estudo e análise dos alternadores, para utilização dele como gerador de eletricidade em uma residência.

Em posse disso, foi montado e testado o primeiro gerador híbrido de baixo custo, como mostra na figura 9.

Figura 9: Gerador híbrido, instalado e testado com carga em bancada.

Sabendo a capacidade máxima da potência gerada pelo sistema híbrido que será de 1000W, e o sistema sendo usado a 80% da sua capacidade nominal, funcionando 12 horas por dia. Então segundo Celpa@(2017), o cálculo de consumo em kwh/mês será dado da seguinte forma:

Na figura 16, será mostrado uma simulação de consumo de uma residência, que está disponível no site da concessionária Celpa. De acordo com @Celpa(2017) o preço do Kw/hora, cobrado pela concessionária e de 0.892586.

Então se o consumo mensal dessa residência é de 409.89kw/h por mês vezes 0.892586, o valor em reais será de 365.86.

Com o gerador inserido na rede elétrica, de acordo com a figura 11, gerando 288kh/mês, o consumo pela concessionaria cairá para 77.86kwh/mês, então o valor cobrado na fatura em reais será de 69.49. Tendo uma redução de 80.05% no valor cobrado.

Também foi possível realizar as medições de temperatura do sistema por uma interface gráfica, através da comunicação entre o arduino e o LabVIEW.

Figura 10: simulação de consumo de energia em uma residência

Também foi possível armazenar os valores de medição no banco de dados, como mostra a figura 14 e importar esses valores para uma planilha no Excel, como mostra a tabela 1.

Nome	Temp.	Corrente	Data/hora
Gerador	21	0	17/11/2017 19:19
Gerador	20	0	17/11/2017 19:19
Gerador	21	0	17/11/2017 19:19
Gerador	21	0	17/11/2017 19:19
Gerador	21	0	17/11/2017 19:19
Gerador	21	0	17/11/2017 19:19
Gerador	21	0	17/11/2017 19:19
Gerador	21	0	17/11/2017 19:19
Gerador	21	0	17/11/2017 19:19

Tabela 1: Valores de medição importados para o Excel.

5. DISCUSSÃO

O gerador híbrido de energia elétrica foi pensado e criado, para ser de fácil aquisição para as classes média e baixa que não conseguem encontrar uma saída para reduzir os valores cobrados pelas concessionárias.

Foram encontrados alguns problemas e dificuldades para obtenção de resultados satisfatórios do sistema, como:

• A ideia inicial era criar um gerador por realimentação, porém haveria muitas perdas, pelo consumo do motor, tempo de chaveamento e uso de mais um inversor, que encareceria mais o sistema.
• Foi difícil encontrar uma correia apropriada para a transmissão da unidade motora para movida.
• Não foi possível usar a potência máxima disponibilizada pelo inversor, pois o sistema aqueceu demais nessas condições.
• Não foi possível realizar a medição e monitoramento devido o sensor de corrente está danificado.

Apesar das dificuldades citadas acima, o sistema de geração hibrida, realizou de forma satisfatória a sua principal função que é gerar energia a baixo custo de instalação e aquisição.

6. CONCLUSÃO

Portanto, pode-se afirmar que o uso de eletricidade é indispensável para o homem, porém os valores das tarifas cobradas crescem na mesma proporção que o cidadão adquire novas tecnologias (que precisam de energia elétrica), para seu bem estar, conforto e praticidade. Então é necessário possuir um sistema de geração de energia de baixo custo de aquisição, que dependendo da carga, pode até eliminar a terrível conta de energia. Através dessa problemática foi criado este projeto que usa materiais relativamente baratos em comparação a outros sistemas existentes e que possui um rendimento considerável para consumidores domésticos e pequenos pontos comerciais.

REFERÊNCIAS

Ashfaq Ahmed. ELETRÔNICA DE POTÊNCIA. 1. Ed Prentice Hall, Inc. 1999.

BRUNO BAIMA. A tarifa de energia elétrica e os encargos setoriais incidentes para financiar o desenvolvimento do setor bem como as politicas energéticas do governo federal. Monografia (Especialização) – Instituto Brasiliense de direito público. Brasília, 2012.

@Celpa. Consumo de energia. Disponível em: www.celpa.com.br/residencial/simuladores/consumo-de-energia#form-equipamento. 2017

DECRETO Nº 5.163/2004. Disponível em: www.planalto.gov.br. Acesso em 03 de novembro de 2017.

Desenvolvimento digital18. INVERSOR GRID TIE. Disponível em: www.neosolar.com.br/saiba-mais/inversor-grid-tie. 2017

OLIVEIRA, RUSSI. Estabelecimento de comunicação serial entre arduino e LabVIEW- Universidade Federal do Pampa – Campus Alegrete, 2016.

Rodolfo Meyer e Siqueira de Moraes Neto. Conceito de Net metering: Geração própria de energia e banco de créditos. Disponível em:< http://www.portalsolar.com.br/blogsolar/incentivos-a-energia-solar. 2014

Rodolfo F. Alves Pena. Vantagens e desvantagens da energia solar. Rede Ominia, 2017.

SANTOS, W. Introdução a Programação com LabVIEW® – Universidade Tecnológica Federal do Paraná Departamento Acadêmico de Eletrotécnica Núcleo de Pesquisas em Eletrotécnica, 2009.

SARKIS MELCONIAN. Elementos de máquinas. 9° ed. Érica, 2000.

VINCENT DEL TORO. Fundamentos de máquinas elétricas. 1. Ed. New Jersey: Simon & Schuster, 1994.

ANEXOS

^[1] Engenheiro de Controle e automação e técnico em eletrotécnica.

Enviado: Novembro, 2018.

Aprovado: Junho, 2019.