Geração de energia elétrica a partir da movimentação das massas de ar deslocadas pelo metrô

Resumo

A constante utilização do metrô como meio de transporte levanta a questão de como o vento gerado pela movimentação dos trens poderia ser utilizado. A utilização do mesmo como fonte de energia não só beneficiaria os seres vivos e o meio ambiente por ser uma fonte de energia limpa e sustentável, mas também economizaria verba pública com energia. A partir disso, foi iniciado o processo de construção de um pequeno sistema composto por uma turbina horizontal, que ficaria na entrada dos túneis, de modo que não atrapalhasse o funcionamento e andamento dos trens, e captasse tal energia. Visando aprimorar o projeto, foram elaborados duas turbinas verticais que transmitiriam a energia cinética para um motor, que converteria a mesma em elétrica para ser reaproveitada. O projeto consta dois diferentes tipos de turbina: horizontais e verticais. O modelo horizontal testado é o cata-vento e o vertical, é savonius. Os possíveis usos para a energia gerada são: acendimento das luzes da estação, abastecimento de fontes para carregar aparelhos eletrônicos. Com isso, haveria uma diminuição dos gastos públicos que poderiam ser destinados a setores mais precários da nossa sociedade ou para uma possível redução do custo da passagem do metrô. A partir dos resultados, conclui-se que são necessários mais testes para tornar o projeto eficiente mas que a ideia é viável e deve ser realizada.

 

Pergunta / proposta

Pergunta: É possível aproveitar a energia eólica gerada nos túneis do metrô a partir do deslocamento das massas de ar pelos trens?

Hipótese: É possível aproveitar a energia gerada nos túneis. Ao convertê-la em energia elétrica, será possível fazer uso da mesma na própria estação, seja na iluminação ou em tomadas, o que seria benéfico para o meio ambiente, pois a energia eólica é sustentável, e para o governo, pois reduziria gastos com energia elétrica. É certo que a energia eólica é uma fonte muito importante para o Brasil: oitavo lugar no ranking mundial de capacidade instalada, de acordo com a Global Wind Statistic 2017. Porém, tal capacidade não está associada a áreas urbanas. Trazendo a energia eólica para contextos urbanos, que crescem cada vez mais, o uso de energias sustentáveis seria potencializado, algo muito benéfico par todos nós no mundo atual. Sendo assim, acreditamos que o projeto trará resultados positivos para a sociedade por mais que provavelmente ocorrerão empecilhos no processo, como falhas na metodologia ou escolha infortunada de materiais. Além de trazer a energia eólica para uma situação urbana ao aproveitar o vento gerado pelo deslocamento das massas de ar dentro dos túneis do metrô pelos trens, visamos gerar uma potência suficiente para economizar uma quantia considerável de dinheiro em eletricidade, para assim provar a eficiencia do projeto e confirmar a hipótese.

 

Pesquisa

 

Há muitos trabalhos relacionados à energia eólica como:

Martins; Guarnieri; Pereira. O aproveitamento da energia eólica. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos. São José dos Campos, 2007.

Castro, Rui M.G. Introdução à energia éolica. 4a edição. Universidade técnica de Lisboa. Lisboa, 2009

Ambos os trabalhos ressaltam a importância da energia eólica e seu crescente uso, mostrando que um uso inovador da mesma pode ser muito benéfico para todos nós.

Porém, a maioria dos trabalhos sobre essa fonte de energia limita-a a ambientes não urbanos, algo contraditório uma vez que as áreas urbanas estão crescendo e consomem mais energia do que as não urbanas. Sendo assim, a pesquisa nos incentivou a trazer a energia eólica para um contexto urbano.

O momento atual proporciona cada vez mais oportunidades para a busca de novas fontes de energia e a energia eólica está ganhando espaço. A pesquisa realizada prova a importância de fontes sustentáveis no mundo atual, logo valida o projeto, que não só trata de uma fonte de energia sustentável, como também traz a mesma para um contexto urbano, algo inovador.

Este projeto é muito benéfico pois ele aproveita uma fonte de energia limpa e que está sempre presente, gerando impacto ambiental positivo. Além disso, também apresenta impacto social pois o governo economizaria verba em energia, que poderia ser destinada a outros setores da sociedade muitas vezes mais precários.

Método / Testes

Parte 1: Turbina horizontal

O início do projeto consistiu na elaboração de placas de madeiras e de engrenagens. Estas foram desenhadas no programa ECNC e cortadas na cortadora a laser. O motor elétrico foi acoplado a uma caixa de engrenagens.

Dois formatos de turbinas horizontais foram pensados, um boomerang e um cata-vento. Ambos foram feitos em papel cartão na cortadora de vinil. O modelo escolhido foi o cata-vento, baseado em sua eficiência nos testes realizados. Uma vez que o formato das pás havia sido escolhido, testes para a escolha do material e do tamanho foram feitos. Um modelo de garrafas PET foi idealizado e seu uso seria uma maneira mais sustentável e ecológica. Como tal modelo falhou, um protótipo de folha de PVC foi feito. Para garantir que não houvesse diferenças entre os lados do cata-vento, e não fosse necessário equilibrar a massa dos quatro lados, todas as pontas foram presas em um só buraco, no centro do cata-vento. Foram feitos modelos de 30x30, 25x25, 20x20 e 15x15 cm. O tamanho escolhido foi o de 25x25 com.

Quando o cata-vento e a caixa de engrenagens estavam prontos, a parte elétrica foi montada. Entretanto, o sistema gerava pouca corrente elétrica. A solução para esse empecilho foi a elaboração do ladrão de joule, um sistema capaz de elevar a corrente elétrica. Ele é feito de um ferrite e funciona a partir da transição da tensão de uma bobina para outra, porém com sentidos opostos de corrente, sendo suficiente para excitar os LEDs, apresentado abaixo:

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Como o objetivo do protótipo é utilizar a energia elétrica para iluminar a estação, fios condutores conectam o ladrão de joule a uma protoboard onde ficam os LEDs. O sistema inteiro ficou assim:

 

Parte 2: Turbina Vertical

O modelo de turbina savonius helicoidal foi desenhado no programa 3D Builder para ser impresso na impressora 3D. Inicialmente, o modelo foi dividido em 3 partes, já que o tamanho máximo para a impressora é 20 cm, assim teríamos uma turbina de 60 cm de altura. O processo de impressão falhou algumas vezes por conta da proporção. Após corrigir falhas no arquivo para a impressão, as peças encaixaram-se, permitindo sua colagem, realizada com cianoacrilato.

Uma engrenagem de madeira foi elaborada no programa ECNC para encaixar na base da turbina e transmitir o movimento para a engrenagem acoplada ao motor. Por conta de falhas na centralização, cortamos outra engrenagem de MDF 3mm de raio 11cm que já serviria de base para a turbina, eliminando o sistema formado pela base de PLA acoplada à engrenagem. Outra engrenagem de dimensões  iguais foi cortada para receber a energia cinética da turbina e passá-la para o motor.

Para um melhor funcionamento, foi feita de PVC a turbina savonius rotor e após a serragem do mesmo, a nova turbina foi colada em um pequeno cano por onde passaria o eixo, que é fixo. Ela foi acoplada  a engrenagem-base, que transmitiria o movimento para a engrenagem de mesmas dimensões.

Resultados

Turbina horizontal:

Utilizando o sistema Ladrão de Joule, o cata-vento atingiu valores de tensão e corrente elétrica muito benéficos para estabilizar as luzes, como apresentados na tabela:

  Tensão (V) Corrente (mA)
Sistema sem o Ladrão de Joule

2,0

0,76
Sistema com o Ladrão de Joule

0,57

5,52

Com a corrente elétrica elevada, os LEDs podem servir de iluminação para a estação.

Os custos do protótipo estão representados na tabela a seguir. Produzidos em escala industrial, o custo dos cata-ventos seriam reduzidos.

Em relação à economia de dinheiro em eletricidade, foram feitos os calculos a seguir:

Como sempre haveria um cata-vento funcionando, seriam economizados aproximadamente 300 reais, valor bastante significativo, e seriam gerados 11 kW por dia de funcionamento do metrô.

 

Turbina vertical:

A turbina foi feita com a altura de 60cm para aproximar-se de dimensões reais nos testes, porém ela estava fora de centro e a junção da engrenagem de madeira com a base de PLA não se mostrou muito eficiente em termos de nivelamento e firmeza. Para melhorar tal situação, a própria engrenagem seria a base. A transmissão da engrenagem-base para a engrenagem de mesmas dimensões seria feita somente para quantificar a tensão e corrente da turbina. Após esta etapa, seria cortada uma engrenagem menor cujo tamanho seria definido a partir dos testes para otimizar os giros da turbina, uma vez que diminuindo a engrenagem receptora, a mesma daria mais voltas que a engrenagem transmissora.

Entretanto, a engrenagem não estava girando muito bem. Há três principais hipóteses para isso:

1.Quantidade de vento

2.Massa da turbina

3.Angulação da turbina savonius helicoidal

Embora a turbina girasse, ao encaixar as duas engrenagens nas mesmas condições de vento, a turbina apresentava dificuldades e rapidamente parava de girar. Isso foi um grande empecilho para o desenvolvimento do protótipo. Mesmo depois de adicionar mais ventiladores de maior potência ou construir uma turbina savonius rotor de cano PVC, a condição não mudou.

Apesar de o formato da turbina savonius ser mais vantajoso, a turbina horizontal se mostrou mais eficiente por enquanto para atingir os objetivos do projeto.

 

 

 

 

Conclusão

A partir do trabalho pode-se concluir não só a possibilidade da realização do projeto mas também sua necessidade para um futuro melhor. A quantidade de energia gerada cobriria grande parte da energia elétrica proveniente de fontes não renováveis. Isso pouparia a natureza e melhoraria as condições de vida e o nosso futuro.  As energias sustentáveis estão cada vez mais procuradas, sendo assim o projeto é de extrema importância na atualidade. Não só seria bom para o meio ambiente como também ajudaria financeiramente o governo, pois investimento em eletricidade seria poupado uma vez que a fonte de energia eólica está presente independentemente do uso que escolhermos fazer e significa 300 reais destinados a setores mais precários.

O protótipo da turbina no formato Savonius vertical não obteve êxito nos testes realizados, porque não foi capaz de girar. Como não conseguimos reproduzir as condições do metrô, não se pode afirmar que a turbina em si é falha, então mais testes serão realizados, bem como cálculos teóricos para provar se nas condições adequadas se a turbina savonius funcionaria. Dentre as cálculos, será medida a quantidade de vento gerada pelos trens do metrô, para proporcionalmente sabermos o tamanho e massa da turbina para  a mesma funcionar com a quantidade de vento que conseguimos reproduzir. Assim, conseguiremos testar a eficiência da turbina savonius vertical.

Además, a ideia de reaproveitar os ventos do metrô como fonte de energia ainda é válida, pois a turbina horizontal obteve êxito. Para tornar o projeto viável, continuaremos as pesquisas sobre o funcionamento das turbinas e os possíveis materiais de que elas podem ser feitas. Se mesmo com os cálculos a turbina savonius não se mostrar eficiente, novos tipos de turbinas serão pesquisados para alcançar os objetivos.

A partir de agora, mais testes serão realizados para responder qual formato, material e dimensão são mais benéficos para conseguir aproveitar as massas de ar deslocadas como fonte de energia limpa e sustentável.

Sobre mim

Meu nome é Helena Frudit. Gosto muito de criar projetos. Desde pequena brincava com meu kit "Alquimia" de fazer experimentos. Me sentia reconfortada ao perguntar o que eu quisesse, adorava o espaço que as ciências me abriam para perguntar. Nunca aceitei de meus pais quando respondiam "porque sim", me incomodava profundamente que não podiam me explicar o fenômeno, e por conta disso, comecei a buscar respostas para satisfazer minha curiosidade. Até hoje, isso continua sendo uma parte importante de mim.

Cresci admirando Marie Curie, por ser cientista e mulher, sempre quis ser como ela, assim como Dorothy Vaughn, a primeria mulher negra a ser chefe de departamento no que veio a ser a NASA, outra paixão da minha vida. Outras grandes inspirações são Elon Musk, Bill Gates e Larry Page, que, desde jovens, criaram tecnologias que revolucionaram a nossa maneira de viver, cada um contribuiu do seu jeito para o nosso presente e futuro.

Recentemente, fundei um clube de ciências na minha escola para espalhar o espírito científico e ter um espaço livre para "fazer ciências".Gostaria de, no futuro, cursar engenharia para poder criar e construir tecnologias que beneficiem a sociedade e quero poder espalhá-las pelo mundo como fizeram meus ídolos,  tentando combater a desigualdade criada pela falta de tecnologias e oportunidades. Por conta disso, vencer a Google Science Fair seria muito importante para mim pois seria a porta de entrada para o mundo ciêntifico e acadêmico e o primeiro passo na minha jornada para  espalhar tecnologias benéficas ao mundo.

 

 

 

 

Saúde e segurança

O projeto foi realizado no Colégio Bandeirantes com supervisão e mentoria pela professora Mariana Marangoni Carezzato.

O endereço do colégio é Rua Estela, 268 - Vila Mariana, São Paulo - SP, 04011-001 e o telefone de contato é (11) 5087-3500.

O email de contato da professora responsável é mariana.carezzato@colband.com.br

Normas de segurança foram seguidas a fim de garantir a segurança de todos porém como não havia testes com pessoas ou quaisquer seres vivos, bem como não houve contato com substâncias tóxicas ou nocivas à saúde, não havia condutas específicas como o uso de máscaras de proteção e óculos a serem empregadas.

 

 

Bibliografia, referências e agradecimentos

1. Aymane,Eddahmani. SAVONIUS VERTICAL WIND TURBINE: DESIGN, SIMULATION, AND PHYSICAL TESTING. Alakhawayn University SSE: May, 2017.

2. Knight, Randall D. Física: Uma abordagem estratégica. 2a edição. São Paulo: Bookman, 2009. Volume 3: Eletricidade e Magnetismo. Wenzel, Guilherme München.Projeto aerodinâmico de pás de turbinas eólicas de eixo horizontal.

3. Rittenhouse Inglis, D. Energía Eólica. Buenos Aires; ED. Fraterna: 1981. 306 páginas. Ilus, tablas. Energia eólica em geral.

4. http://www.tecnogera.com/blog/entenda-como-e-o-principio-de-funcionamento-de-um-gerador-de-corrente-alternada

5. Wenzel, Guilherme München.Projeto aerodinâmico de pás de turbinas eólicas de eixo horizontal. Trabalho de Conclusão de Curso PUC-RS. Porto Alegre, novembro de 2007.

6. http://repositorio.ufsm.br/bitstream/handle/1/8442/JEFERSON%20MARQUES.pdf?sequence=1&isAllowed=y

7.Martins; Guarnieri; Pereira. O aproveitamento da energia eólica. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos. São José dos Campos, 2007.

8.Castro, Rui M.G. Introdução à energia éolica. 4a edição. Universidade técnica de Lisboa. Lisboa, 2009

9. https://www.eolicafacil.com.br/eixo-vertical

10. White, Ron. Como Funciona o Computador III. São Paulo: Quark Books, 1998. 292 páginas.

11. ENTENDA COMO É O PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM GERADOR DE CORRENTE ALTERNADA. Disponível em: http://www.tecnogera.com/blog/entenda-como-e-o-principio-de-funcionamento-de-um-gerador-de-corrente-alternada

12. Ramalho; Nicolau; Toledo. OS FUNDAMENTOS DA FÍSICA. 1a edição. São Paulo: Moderna, 2009.

AGRADECIMENTOS:

Gostaríamos de agradecer ao Colégio Bandeirantes por ter nos dado o espaço para criar e realizar esse projeto e todo o corpo docente que nos apoiou. Gostaríamos de agradecer a Mariana Marangoni Carezzato por toda a ajuda e dedicação. Não podemos deixar de agradecer pelo voto de confiança e apoio moral das nossas respectivas famílias, em especial dos nossos pais, que acreditaram na nossa loucura de criar um projeto e nos encorajaram e desejaram nosso sucesso.