Formas de geração de energia - Como funcionam geradores de energia

A geração de eletricidade é o processo de geração de energia elétrica a partir de outras fontes de energia primária. Os princípios fundamentais da geração de eletricidade por meio de energia mecânica foram descobertos durante a década de 1820 e início da década de 1830 pelo cientista britânico Michael Faraday. Seu método básico é usado ainda hoje: a eletricidade é gerada pelo movimento de um laço de arame, ou disco de cobre entre os pólos de um ímã. Para empresas de energia elétrica, esse é o primeiro processo na entrega de energia elétrica aos consumidores.

Métodos básicos de geração de energia

Podemos conseguir energia elétrica de diversas maneiras, seja transformando energia mecânica através de um gerador em eletricidade, por meio de reações químicas, utilizando células fotovoltaicas, ou ainda utilizando a energia térmica diretamente para gerar pequenas cargas. O foco do artigo será os métodos fundamentais de geração de energia, tratando os métodos que utilizam outras fontes de energia para gerar energia mecânica e transformá-la em elétrica de maneira única.

A eletroquímica gerando energia com reações químicas

Eletroquímica é a divisão da química que estuda as reações químicas que acontecem numa solução na interface de um condutor de elétrons (o eletrodo: um metal ou um semicondutor) e um condutor iônico (o eletrólito). Essas reações envolvem a transferência de elétrons entre o eletrodo e o eletrólito ou espécies em solução.

Uma célula eletroquímica é um dispositivo que produz uma corrente elétrica a partir de energia liberada por uma reação redox (redução-oxidação ou oxirredução) espontânea. Este tipo de célula inclui a célula galvânica ou célula voltaica, em homenagem a Luigi Galvani e Alessandro Volta, os dois cientistas que conduziram vários experimentos sobre reações químicas e corrente elétrica durante o final do século 18, Sendo atribuído à Volta a invenção da primeira pilha.

Células eletroquímicas têm dois eletrodos condutores ( o anodo e o catodo). O ânodo é definido como o elétrodo onde a oxidação ocorre e o cátodo é o elétrodo em que a redução se realiza. Os elétrodos podem ser feitos a partir de qualquer material suficientemente condutor, como os metais, semicondutores, de grafite , e ainda polímeros condutores. Um desses eletrodos é o eletrólito, que contém íons que podem se mover livremente.

Já a célula galvânica utiliza dois elétrodos metálicos diferentes, cada um, num eletrólito onde os íons carregados positivamente são a forma oxidada do elétrodo de metal. Um elétrodo irá sofrer oxidação (o ânodo), enquanto o outro irá sofrer redução (o cátodo). O metal do ânodo irá oxidar, passando de um estado de oxidação de 0 ( na forma sólida ) para um estado de oxidação positivo e se tornará um íon. No cátodo, o íon metálico em solução irá aceitar um ou mais elétrons entre o cátodo e o estado de oxidação do íon é reduzido a 0. Isto forma um metal sólido de eletrodepósitos no cátodo. Os dois eletrodos devem ser ligados eletricamente uns aos outros, o que permite um fluxo de elétrons deixar o metal do ânodo e fluírem através desta conexão com os íons na superfície do cátodo. Este fluxo de elétrons é uma corrente elétrica que pode ser usada para realizar trabalhos, tais como ligar um motor ou alimentar uma fonte de luz. Podemos criar uma pilha com um  pedaço de zinco, cobre e um limão.

Baterias recarregáveis

Hoje em dia, as baterias são feitas de placas com a ajuda de substâncias químicas reativas, que são separadas por barreiras. Estas barreiras são polarizadas de modo que todos os elétrons se reúnem em um lado. O lado onde se reúnem torna-se carregado negativamente e o outro lado torna-se positivamente carregado. Quando se liga um dispositivo, cria-se uma corrente de elétrons e um fluxo através do dispositivo para o lado positivo. Ao mesmo tempo, uma reação eletroquímica tem lugar no interior das pilhas, que fazem com que os elétrons sejam reabastecidos. O resultado é um processo químico que gera energia elétrica.

Em uma bateria não-recarregável, essas mudanças são irreversíveis. Uma bateria recarregável, no entanto, pode ser eficaz para inverter as alterações químicas que ocorrem durante o processo de descarga. Desta forma, ela tem sua carga completamente restaurada e está apta para uso novamente.

Baterias de fluxo

Baterias de fluxo armazenam energia em fluidos químicos contidos em tanques externos, como células de combustível externas em vez de dentro do próprio recipiente da bateria. Os dois componentes principais – o hardware de conversão eletroquímica através do qual os fluidos passam (que define a capacidade de potência de pico), e os tanques de armazenamento de produtos químicos ( que definem a capacidade de energia), podem ser dimensionados de forma independente. Assim, a quantidade de energia que pode ser armazenada é limitada apenas pelo tamanho dos tanques. O projeto permite que grandes quantidades de energia posam ser armazenadas a um custo menor do que com as baterias tradicionais.

Efeito termoelétrico

Quando falamos em efeito termoelétrico, estamos falando na conversão direta de potencial térmico (diferenças de temperatura) em tensão elétrica ou vice-versa. Certos dispositivos termoelétricos (por exemplo termopares) criam tensão (diferença de potencial elétrico) quando existe uma temperatura diferente de cada lado. Por outro lado, quando tensão é aplicada sobre eles, o resultado é uma diferença de temperatura. Na escala atômica, um gradiente de temperatura faz com que portadores de carga no material se dividam a partir do lado quente para o lado frio.

Este efeito pode ser utilizado para gerar eletricidade, medir a temperatura ou a alterar a temperatura de objetos. Porque a direção de aquecimento como arrefecimento é determinada pela polaridade da voltagem aplicada, dispositivos termoelétricos pode ser usado como controladores de temperatura.

Termopares podem ser utilizados para gerar ínfimas correntes que são analisadas por controladores para determinar a temperatura do objeto a ser monitorado.

Efeito Peltier

O efeito Peltier é a presença de aquecimento ou de arrefecimento em um cruzamento eletrificado de dois condutores diferentes, Quando uma corrente elétrica flui através de uma junção entre dois condutores A e B, o calor pode ser gerado (ou removido) na junção.

Efeito Seebeck

O efeito Seebeck é a conversão de temperatura diretamente em eletricidade e é nomeado em homenagem ao físico Thomas Johann Seebeck Báltico, que em 1821, descobriu que uma agulha de bússola seria desviada por um circuito fechado formado por dois metais diferentes unidos em dois lugares, com uma diferença de temperatura entre as junções. Isto ocorre porque os metais responderam diferentemente a diferença de temperatura, criando um circuito de corrente e um campo magnético. Seebeck não reconheceu que havia uma corrente elétrica envolvida, por isso chamou o fenômeno do efeito termomagnético. Físico dinamarquês Hans Christian Oersted retificado o erro e cunhou o termo “termoeletricidade”.

O efeito Seebeck é usado em geradores termoelétricos, que funcionam como motores de calor, mas são menos volumosos, e não têm partes móveis, e são tipicamente mais caros e menos eficientes. Eles têm um uso em usinas de energia para converter calor em energia elétrica adicional (uma forma de reciclagem de energia) e em automóveis como geradores termoelétricos automotivos, para aumentar a eficiência de combustível. Sondas espaciais geralmente usam geradores termoelétricos de radioisótopos com o mesmo mecanismo, mas utilizando radioisótopos para gerar a diferença de calor necessária.

O inverso do efeito Peltier – transformar a diferença de temperatura diretamente em eletricidade – é chamado de efeito Seebeck e que foi explorado pela empresa TES NewEnergy Corp na sua panela que recarrega celular.

Pesquisas recentes têm melhorado a eficiência do processo de geração de energia elétrica diretamente através da temperatura, em boa parte com o uso de nanotecnologia. Pesquisadores japoneses já conseguiram maximizar a eficiência desses mecanismos a ponto de utilizar o calor do corpo humano para alimentar uma bateria de celular.

Células fotovoltaicas

Em 1839, o cientista francês Edmund Becquerel descobriu que certos materiais emitem uma faísca de eletricidade ao serem atingidos com a luz solar. Este efeito fotoelétrico foi usado em células solares primitivas feitos de selênio no final do século 19. Na década de 1950, cientistas da Bell Labs reinventaram a tecnologia e, usando silício, produziram células solares que poderia converter quatro por cento da energia do sol diretamente em eletricidade. Dentro de alguns anos, essas células fotovoltaicas foram utilizadas para alimentar naves espaciais e satélites com energia solar.

Os componentes mais importantes de uma célula fotovoltaica são duas camadas de material semicondutor, geralmente constituídas por cristais de silício. Por si só, o silício cristalizado não é um bom condutor de eletricidade, mas quando impurezas são adicionadas intencionalmente – um processo chamado dopagem – o palco está montado para a criação de uma corrente elétrica. A camada inferior da célula fotovoltaica é normalmente dopada com boro, que se liga com o silício para facilitar uma carga positiva. A camada superior é dopada com fósforo, que se liga com o silício para facilitar uma carga negativa.

Celular fotovoltaica de energia solar

A superfície entre as duas camadas de semicondutores é chamada de junção PN, um elétron em movimento nesta superfície produz um campo elétrico que permite apenas o fluxo de elétrons na camada de carga positiva para a camada de carga negativa.

Quando a luz solar entra na célula, a sua energia “arranca” os elétrons fracamente em ambas as camadas. Por causa das cargas opostas das camadas, os elétrons tendem a fluir da camada negativa para a camada positiva, mas o campo elétrico na junção PN evita que isto aconteça. A presença de um circuito externo, no entanto, fornece o caminho necessário para que os elétrons na camada negativa viajem para a camada positiva. Fios extremamente finos que correm ao longo do topo da camada negativa alimentam este circuito externo, e os elétrons que fluem através deste circuito alimentam o dono da célula solar com fornecimento de energia elétrica.

Geradores eletromagnéticos de energia

Esse é o método mais utilizado para se obter energia elétrica. Um gerador elétrico é um dispositivo que converte energia mecânica em energia elétrica. Um gerador obriga a corrente elétrica a fluir através de um circuito externo. A fonte de energia mecânica pode ser o movimento de uma turbina de motor a vapor (usinas termoelétricas, usinas nucleares, e usinas geotérmicas usam esse método básico), a água que cai através de uma turbina (usinas hidrelétricas e hidrocinéticas), um motor de combustão interna, uma turbina eólica, uma manivela, ar comprimido, ou qualquer outra fonte de energia mecânica. Geradores fornecem quase toda a potência para redes de energia elétrica que alimentam as residências nos dias de hoje.

O dínamo

Um dínamo é um gerador elétrico que produz corrente continua com a utilização de um comutador. Dínamos foram os primeiros geradores elétricos capazes de entregar eletricidade para a indústria, e a base sobre a qual muitos outros dispositivos de conversão de energia elétrica posteriores se basearam, incluindo o motor elétrico, o alternador de corrente alternada, e o conversor rotativo. Hoje, o alternador simples domina a geração de energia em grande escala, por razões de eficiência, confiabilidade e custo. Um dínamo tem as desvantagens de um comutador mecânico.

Dínamo o primeiro gerador de eletricidade

O alternador

Sem um comutador, um dínamo torna-se um alternador, o qual é um gerador síncrono alimentado isoladamente. Os alternadores produzem corrente com uma frequência que se baseia na velocidade de rotação do rotor e o número de pólos magnéticos alternados.

Alternadores usados em automóveis produzem uma frequência variável, devido à variação da velocidade do motor, a corrente é então convertida através de um retificador para corrente contínua. Em comparação, alternadores usados ​​para alimentar uma rede de energia elétrica são geralmente operados numa velocidade muito perto de uma freqüência específica, para o benefício dos dispositivos de corrente alternada que regulam a sua velocidade e desempenho com base na frequência da rede. Alguns dispositivos, como lâmpadas incandescentes e lâmpadas fluorescentes que funcionam com lastro não exigem uma freqüência constante, mas motores síncronos exigem uma frequência da rede constante.

Geradores de indução

Um gerador de indução ou gerador assíncrono é um tipo de gerador elétrico de corrente alternada que utiliza os princípios de motores de indução para a produção de energia. Geradores de indução operam girando mecanicamente seu rotor mais rápido do que a velocidade síncrona, dando deslizamento negativo. Um motor assíncrono normal geralmente pode ser utilizado como um gerador, sem quaisquer modificações internas. Geradores de indução são úteis em aplicações tais como turbinas eólicas, ou na redução de fluxos de gás de alta pressão a pressão mais baixa, porque eles podem recuperar energia com controles relativamente simples.