volante de inercia flywheel

volante de inercia flywheel

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Flywheel -" A Bateria Electromecânica"

António Manuel Santos Carvalho *

Bruno Filipe Marques ** Paulo Fernando da Costa Apura ***

Figura 1 - Corte esquemático de uma "Flywheel" Sobre este estudo

Desde sempre, o homem necessitou de fontes energéticas. Uma vez que essas fontes não estão sempre disponíveis, existe a necessidade de armazenar a energia para utilização posterior. Isso passa-se com os seres vivos que, alimentando-se, conservam a energia dos alimentos sob a forma de compostos químicos no próprio organismo.

Com o desenvolvimento da civilização tornou-se óbvio o armazenamento de várias formas de energia.

No caso de um painel solar, só se produz energia durante as horas do dia. Mas o homem também vive de noite, necessitando também de energia eléctrica. Torna-se então clara a necessidade de armazenar a energia produzida durante o dia, muitas vezes em excesso, pois nem sequer é utilizada.

Agora o homem debate-se com o problema de armazenar a energia de uma forma rápida, eficaz, e que não seja prejudicial ao

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ambiente.

Poder-se-ia utilizar um condensador, mas para o armazenamento de uma quantidade de energia satisfatória, como seja a necessária para movimentar um automóvel, o volume ocupado por ele seria demasiado grande para ser colocado dentro do veículo.

Hoje em dia utilizam-se acumuladores químicos bastante eficazes, embora a sua razão densidade de energia por unidade de peso esteja longe dos objectivos pretendidos. Além disso, mostram-se agressivos ao meio ambiente devido às substâncias que os compõem (zinco, chumbo, cádmio, mercúrio, ácidos, bases,…) e também perdem a sua carga ao longo do tempo (mesmo sem estarem em utilização).

Para resolver estes inconvenientes o homem começa a pensar em novas soluções, que talvez até já conheça desde os primórdios da sua existência, mas que por falta de iniciativa não se atreveu a desenvolvê-las.

É assim que nasce a "Flywheel", à qual tivemos o prazer de chamar "Bateria Electromecânica" em português e à qual dedicamos o nosso trabalho.

Mas do que trata este assunto de "flywheel"?

Bom, quem souber o que é uma roda facilmente se aperceberá do que se trata mais uma aplicação de um dos maiores inventos do homem!

O principio de funcionamento é muito simples: trata-se de colocar basicamente uma roda ("volante") a girar em situações em que não esteja sujeita a qualquer força de atrito ou a qualquer outra acção exterior. É uma forma extremamente simples de armazenar energia mecânica.

Facilmente se converte energia mecânica em energia eléctrica e vice-versa, utilizando um simples motor eléctrico (ou gerador).

Desde que o homem inventou a roda, utiliza este princípio inconscientemente. Imprimindo à roda movimento, esta desloca-se aproveitando a energia da sua inércia, muito melhor do que se se fizesse deslizar um cubo pelo chão! Até mesmo nos moínhos de vento o príncipio é aproveitado pela mó. Em alguns carrinhos de brincar, impulsionando às rodas do carro um movimento de rotação que é mantido por uma massa inercial colocada no eixo que liga as duas rodas e lhes permite rodar por mais tempo, o carrinho desloca-se num percurso maior.

Esta forma de armazenar energia parece ser ideal, uma vez que já se conseguem capacidades de armazenamento enormes e em que não existem os conhecidos problemas ambientais.

Figura 2 - Exemplo de uma "Flywheel"

Mas, O que é afinal a "Flywheel" ? "Flywheel" - é um vocábulo inglês que à letra quererá dizer roda que voa. Até há uns tempos atrás este "vocábulo" referia-se a

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"grandes" rodas pesadas que faziam, e ainda fazem, parte de algumas máquinas rotativas, e que têm a função de "guardar" e regular a rotação destas (motores) de forma a trabalharem a uma velocidade controlada (sem sobressaltos). Não é por acaso que aquando da Revolução Industrial (com máquinas a vapor) muitas das máquinas tinham rodas "gigantescas", que no fundo eram "Flywheel’s".

Resumindo, uma "Flywheel" é uma roda feita de um material pesado (aço, fibras de carbono especial, etc.) que tem a função de "armazenar" e controlar uma certa quantidade de movimento (Energia Cinética).

Figura 3 - Perfil de uma "Flywheel"

Como se verifica, o conceito não é novo. Porquê, então, esta nova "onda" de «"Flywheel" para cá e para lá»?. Na verdade, não se

deveria falar em "Flywheel", mas sim em "Charging Flywheel". — Outro palavrão inglês! — direis vós. TraduzindoEsta é a
eléctrica através de "baterias" electro-mecânicas. — Como?!?Baterias Mecânicas? - pergunta-se. Para abreviar passar-se-á a

"Flywheel" da "moda" e trata-se de uma tecnologia de ponta que se baseia num "novo" conceito de "armazenamento" de energia chamar "Flywheel’s" às "Charging Flywheel’s".

Como já foi atrás referido, a "Flywheel" é uma roda pesada que gira sobre um eixo e tem a particularidade de "armazenar" (até um certo limite) esse seu movimento de rotação. Aproveitando esse seu movimento, "quase perpétuo", podemos "cortar" um campo magnético e assim induzir uma força electromotriz, f.e.m. essa que será tanto maior quanto maior for a velocidade da "Flywheel". Percebe-se agora o conceito de bateria? Pensamos que será evidente!

Energia Eléctrica vs Energia Mecânica

Como se poderá concluir do já exposto, existe uma relação intrínseca entre Energia Eléctrica e Mecânica neste novo dispositivo. Esta relação particular é bidireccional.

Conservação da Energia

A "Flywheel" é um "aparelho" que está a revolucionar o mundo das novas tecnologias devido a um facto muito simples e, no entanto, muito importante: é sabido, pelas Leis da Física, que um corpo tende a manter o seu estado de movimento, isto é, se está parado, fica parado, se está em movimento (movimento uniforme), fica em movimento uniforme até que alguma força haja em contrário. E há muitas. Por exemplo, as forças de atrito. No entanto, a "Flywheel" tem a particularidade de manter o seu movimento por muito tempo, e daí a sua grande importância. Tem, por conseguinte, a particularidade de "Conservar a Sua Energia".

Constituição

Pelo até agora dito, poderá pensar-se que a "Flywheel" é um aparelho que tem uma roda "enorme" a rodar ligada a um dínamo. Bem, nem por isso! Estamos à porta do Séc. XXI e, como sabem, cada vez mais se consegue miniaturizar os aparelhos ("quase ao limite dos átomos").

Basicamente, esta bateria é constituída por uma roda que tem um diâmetro de aproximadamente 28 cm por aproximadamente 7 cm de espessura com um "buraco" no meio para um eixo. Esta roda pesa aproximadamente 30 Kg. Esta gira numa caixa de "alumínio" a uma velocidade de 100.0 r.p.m. Existem também acopladas um conjunto de bobinas "alojadas" na roda e eixo responsáveis pela magnetização dos mesmos eixo e roda. O conjunto pesa no total aproximadamente 50 Kg. É de referir que a "Flywheel" gira no vácuo sobre um eixo no qual não toca devido a chumaceiras magnéticas.

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Devido a atingirem-se velocidades muito grandes, a "roda" é feita de material à base de fibras de carbono, "último grito em tecnologia de materiais", que diminuem o risco de destruição da "Flywheel" devido às forças centrífugas. Com estas fibras consegue-se ter uma maior densidade para um menor volume de espaço (miniaturização) e aumentar a resistência à desintegração. (Estas são características de um dos fabricantes).

Esta é uma descrição sumária que será, pensamos nós, complementada com esquemas elucidativos. Far-se-á também uma breve descrição da física envolvida no princípio da "Flywheel".

Figura 4- Constituintes de um Protótipo de uma "Flywheel" Demonstração da Conservação de Energia

Se deixarmos cair uma massa m, de modo a fazer rodar um disco (roldana), e esta percorrer uma distância h, (como o mostrado na figura), podemos calcular a velocidade angular ω que o disco ("wheel") adquirirá.

Vamos, para tal, partir do princípio de que:

m = 2 Kg; I = 1 Kg.m2 ; h = 1 m; e R = 3,6 cm, em que m é a massa do disco; I é a sua massa inercial; h a altura; R o raio do disco.

Assim, inicialmente à altura h, a energia inicial da roda é-nos dada por:

Ei=Ep=mgh

Finalmente, quando a altura se anula (toma o valor zero), a energia final é dada por:

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