Precedentes da Invenção:

a) Dos estudos realizados sobre Turbinas Eólicas

Figura Nº 1: Turbina Eólica

Aspas. Rotor. Eixo do rotor (eixo de baixa velocidade) Caixa multiplicadora de velocidades. Serie de engrenagens dentro da caixa multiplicadora de velocidades. Freno. Eixo do gerador de eletricidade (eixo de alta velocidade) Gerador (alternador ou dínamo) de eletricidade. Cabos que transportam a energia produzida às linhas de distribuição de eletricidade.

O funcionamento de uma turbina funciona basicamente convertendo a força do vento que fazem girar as aspas do rotor em eletricidade, através de una caixa multiplicadora de velocidades (Figura 1; itens 4 e 5) o eixo de baixa velocidade do rotor transfere a força multiplicada ao eixo de alta velocidade do gerador de eletricidade.

As turbinas eólicas se desenham para converter a energia do movimento do vento (energia cinética) em energia mecânica, através do movimento de um eixo. Logo nos geradores da turbina, esta energia mecânica se converte em eletricidade. A eletricidade gerada pode-se armazenar em baterias, o utilizar diretamente, enviando a energia às linhas de distribuição.

Existe uma eficácia teórica máxima dos geradores eólicos dos 59%. Na pratica, a maioria das turbinas eólicas são muitos menos eficientes que isto, e se desenham diversos tipos para obter a máxima eficácia possível a diversas velocidades do vento. As melhores turbinas têm eficácias dos 35% aos 49%.

A caixa multiplicadora de velocidades é um dos componentes principais mais importantes em uma turbina eólica (Veja Figura 1, itens 4 e 5), colocada entre o eixo principal e o gerador, sua tarefa é aumentar a velocidade rotatória lenta do eixo do rotor à velocidade de rotação do gerador de 1000, 1500 ou 1800 rpm (revoluções por minuto). Erroneamente pode-se pensar que a caixa multiplicadora de velocidades poderia utilizar-se para trocar velocidades como se fosse uma caixa de velocidades normal de um carro. Sem embargo, este não é o caso de uma caixa de velocidades de uma turbina eólica. Neste caso a caixa de engrenagens tem sempre uma constante e um cociente de aumento da velocidade, tanto que se uma turbina eólica tem diversas velocidades operacionais, é porque tem dos tipos de geradores, cada um com sua própria e diferenciada velocidade de rotação (ou um gerador com dois estatores).

Analisamos alguns dados proporcionados pela General Electric (GE) no seu Web Site, fazendo referencia a dois tipos de turbinas eólicas e suas correspondentes produções de energia elétrica.

Web Site: http://www.gepower.com/prod_serv/...

1) A Turbina Eólica 1,5 MW da GE (1.5 MW Wind Turbine) opera de acordo as seguintes especificações técnicas:

Capacidade Nominal: 1,5 MW (1500 kWh; kilovatios por hora)
Velocidade Nominal do Vento: 12 m/s (43,2 km/h)
Produção Máxima de Eletricidade: 5.800.000 kWh/ano.

Detalhes do Rotor
Número de aspas: 3
Diâmetro do Rotor: 70,5 - 77 m
Velocidad do Rotor (variável): 10,1 – 22,2 rpm (revoluções por minuto)

Web Site: http://www.gepower.com/prod_serv/...

Tendo em conta que a velocidade do rotor (incluso a máxima) não é suficiente para fazer girar o eixo do gerador, através de uma caixa multiplicadora de velocidades que consta de uma serie de engrenagens (Figura 1, itens: 4 e 5) logra-se multiplicar às 22 rpm do eixo de baixa velocidade do rotor à 1500 rpm e logo transfere-se essa força multiplicada ao eixo de alta velocidade do gerador de eletricidade.

Dedutivelmente, pode-se inferir que:

1500 rpm equivale ao 100% da produção de eletricidade.
22 rpm representa à 1,47% da produção de eletricidade.

5.800.000 kWh/ano é o total anual da produção de eletricidade desta turbina eólica. Dividindo esse valor por 365 dias, logo por 24 horas, esta turbina de 1,5 MW é capaz de gerar, teoricamente, uns 662,10 kWh (kilovatios por hora).

Com os valores calculados acima podemos inferir que 22 rpm que corresponde à 1,47% da produção total de energia produzida representa 9,73 kWh (kilovatios por hora).

Tendo em conta que a capacidade nominal desta turbina é de 1500 kW podemos calcular que em 24 horas sua produção será de 36.000 kWh por dia, em um ano será de 13.140.000 kWh, pero atendendo que sua produção real é de 5.800.000 kWh/ano se conclui que este sistema tem uma eficiência de 44,12%.

A continuação estudaremos outro tipo de turbina, uma das más potentes que tem General Electric na atualidade.

2) A Turbina Eólica 3,6 MW da GE (3.6 MW Wind Turbine) opera de acordo as seguintes especificações técnicas:

Capacidade Nominal: 3,6 MW (3600 kW)
Velocidade Nominal do Vento: 14 m/s (50,4 km/h)
Produção Máxima de Eletricidade: 15.000.000 kWh/ano

Detalhes do Rotor
Número de aspas: 3
Diâmetro do Rotor: 104 m
Velocidade do Rotor (variável): 8,5 – 15,3 rpm (revoluções por minuto)

Web Site: http://www.gepower.com/prod_serv/...

Analogamente ao processo anterior, pode-se inferir que através do efeito multiplicador da caixa de velocidades que:

1500 rpm equivale ao 100% da produção de eletricidade.
15 rpm representa à 1% da produção de eletricidade.

15.000.000 kWh/ano é o total anual da produção eletricidade desta turbina eólica. Dividendo esse valor por 365 dias, logo por 24 horas, esta turbina de 3,6 MW é capaz de gerar, teoricamente, uns 1712,32 kWh.

Com os valores calculados acima podemos deduzir que 15 rpm que corresponde à 1% da produção total da energia produzida representa 17,12 kWh.

Tendo em conta que a capacidade nominal desta turbina é de 3600 kW podemos calcular que em 24 horas sua produção será de 86.400 kWh por dia, em um ano será de 31.536.000 kWh, pero atendendo que sua produção real é de 15.000.000 kWh/ano se conclui que este sistema tem uma eficiência de 47,56%.

Os valores para o cálculo das velocidades resultantes do efeito da caixa multiplicadora de velocidades são teóricos, o número exato da relação entre estes valores depende em grande parte dos tipos e dos fabricantes das turbinas eólicas. Estes fabricantes geralmente no publicam esta relação por considerar-la como um segredo industrial.

Sejam quais sejam estes valores, o importante aqui podemos deduzi-lo como expressão matemáticas.

 

Donde x é o valor em kWh da quantidade que representa as rpm do eixo de baixa velocidade do rotor na produção total de energia elétrica.

w é a capacidade máxima em rpm para fazer girar as aspas do rotor da turbina eólica (15 rpm).
y é a resultante da multiplicação da caixa de velocidades (1500 rpm).
z é o valor de produção total de eletricidade (produção por hora; 1712,32 kWh).
n é o fator de relação entre w e y (1500/15 = 100).

Deduzindo, temos que:

O resultado de x é 17,12 kWh.

Para construir una máquina de movimento perpetuo com os valores de x em kWh (kilovatios por hora) deve-se calcular quanto gastaria um motor elétrico para fazer girar o eixo de baixa velocidade do rotor a umas rpm iniciais (o valor de w). No caso das turbinas eólicas estudadas, quantos kWh serão necessários para produzir 15 o 22 rpm.

É possível transferir essa energia a um sistema de retro alimentação, em outras palavras, os valores de x (kWh) poderia se usar para produzir w diretamente no eixo de baixa velocidade do rotor, eliminando assim o rotor.

Turbina Eólica 1,5 MW:
22 rpm = 8,07 kW por hora = 10,82 HP
Valor real: 662,10 kW por hora = 887,89 HP

Turbina Eólica 3,6 MW:
15 rpm = 17,12 kW por hora = 22,96 HP
Valor real: 1712,32 kW por hora = 2296,25 HP

Potencialmente 9,73 kWh pode mover um rotor a uma velocidade de 22 rpm, no primeiro caso, e no segundo caso seria que 17,12 kWh possa mover um rotor a uma velocidade de 15 rpm através de um motor elétrico.

Analisando outra situação, se poderia eliminar todo o rotor, o sistema multiplicador e através de um motor elétrico conectado direitamente ao eixo do gerador elétrico calcular quanta energia em kWh se precisaria para produzir as rpm necessárias (o valor de y; 1500 rpm) para gerar a quantia de energia que em um principio foi produzida pela força do vento que faziam girar as aspas do rotor da turbina eólica. (Veja Figura Nº 2)

Os seguintes dados extraídos do web site de Procobre Perú nos indicam os valores de consumo de energia elétrica de um motor grande de alta eficiência de 200 HP, 1800 rpm (460 volts) que opera quase continuamente em um ambiente industrial à carga completa:
Eficiência: 96.2%
Energia de saída (0.7457 kW/HP): 149.1 kW
Energia de entrada: 155.0 kW
Perdida a una carga dos 100%: 5.9 kW

Um motor industrial muito menor e, por conseguinte, menos eficiente, de 5 HP, 1800 rpm (460 volts)
Eficiência: 89.5 %
Energia de saída: 3.73kW
Energia de entrada: 4.17 kW
Perdida a una carga dos 100%: 0.44 kW

Fonte: Web Site de Procobre Perú - Centro de Promoção do Cobre
http://www.procobreperu.org/pub_ene_ahorre.htm

Idealmente, um sistema de movimento perpetuo deveria consumir menos energia da que produze, recorrendo ao exemplo do motor de 200 HP que consume 155 kWh, este poderia ser capaz de gerar as 1500 rpm direitamente no eixo do gerador de eletricidade. A Figura Nº 2 ilustra o exemplo hipotético.

Figura Nº 2 Figura Nº 2: Ilustração hipotética de um sistema de movimento perpetuo: Motor elétrico de 200 HP, 155 kWh. Gerador de Eletricidade (alternador ou dínamo). Eixo conectado diretamente entre o motor elétrico e do gerador. Cabo de alimentação para o motor elétrico conectado às linhas de distribuição. Cabos que transportam a energia elétrica produzida pelo gerador às linhas de distribuição.

Os valores estimados de produção de eletricidade com o gerador de uma turbina eólica conectado a um motor elétrico de 200 HP serão os seguintes:

Gerador da Turbina Eólica de 3,6 MW:

Energia real produzida pela Turbina de 3,6 MW: 15.000.000 kWh/ano (1712,32 kW por hora)

1712,32 kWh – 155,0 kWh = 1.557,32 kWh

Aqui fazemos uns cálculos donde a energia produzida pelo gerador da turbina eólica menos a energia gastada pelo motor elétrico de 200 HP. Os valores nos indicam a quantidade de energia produzida conectando o motor elétrico direitamente ao eixo do gerador de eletricidade.

Energia Produzida  por ano: 13.642.123 kWh (Energia Produzida pelo sistema de movimento perpetuo hipotético)

Energia Consumida por ano: 1.357.800 kWh (Energia Consumida pelo sistema de movimento perpetuo hipotético)

Relação entre energia produzida e energia consumida: 9,05%

Como se observa na Figura Nº 2, isto representaria hipoteticamente um sistema de movimento perpetuo utilizando o gerador de uma turbina eólica e um motor elétrico de 200 HP de alta eficiência.

O motor elétrico (Figura Nº 2; item 1) se alimentará diretamente da energia produzida pelo gerador de eletricidade (Figura Nº 2; item 2). A energia utilizada por o motor elétrico representaria uns 9,05% da energia total produzida pelo gerador de eletricidade.

A quantidade anual de energia produzida por este sistema hipotético de movimento perpetuo seria suficiente para subministrar eletricidade a 1.300 usuários residenciais, fazendo um cálculo da media em cada usuário gasta unos 10.000 kWh/ano (media de gasto de usuários residenciais em Estados Unidos de acordo ao Censo de 1997).

b) Dos estudos relacionados à tecnologia de levitação magnética da Transrapid Internacional

Analisando os dados anteriores e recorrendo aos dados proporcionados pela Transrapid Internacional no seu Web Site encontramos que seu sistema de transporte é capaz de trasladar à velocidade superior a 400km/h, varias toneladas de carga útil consumindo apenas uns quantos kWh. Transrapid usa a tecnologia de levitação magnética chamada EMS (Suspensão EletroMagnética).

Web Site da Transrapid Internacional: http://www.transrapid.de

O consumo de energia elétrica para mover as seções ou vagões dos trens de levitação magnética (MAGLEVs; por suas siglas em inglês) é muito baixo devido à que a tecnologia de levitação neutraliza as forças da gravidade (peso do trem) e da fricção (contacto entre superfícies) entre o trem e as vias férreas ou trilha guia.

De acordo a estes dados o sistema da Transrapid gasta somente 52 Vatios por hora (Wh) por cada passageiro por quilometro para trasladar-los a uma velocidade de 400 km/h.

A seguinte imagem extraída da web site da Transrapid indica os valores comparáveis a outros trens supervelozes.

Consumo Específico de Energia Avaliado em Vatios por hora (Watts por hora: Wh) por assento/por km

Os trens MAGLEVs da Transrapid contam com um mínimo de 2 vagões e em média de 90 assentos (capacidade para passageiros).

Estes dados permitem deduzir que a energia gastada por o sistema é de:

90 (assentos) por 52 Wh seria 4680 Wh por cada quilometro.

4680 Wh = 4,7 kWh (kilovatios por hora)

Outro dado relevante proporcionado pela Transrapid é que cada seção (vagão) do trem MAGLEVs pode transportar 15 toneladas de carga útil. Como o sistema de propulsão está colocado na via ou trilha guia a carga não afeta à aceleração do sistema.

O seguinte é um exemplo da energia consumida por assento/passageiro para um percorrido de 300 quilômetros com três paradas intermédias, dependendo de una velocidade máxima:

200 km/h gasta 32 Wh/km, que é igual a 1,1 litros de gasolina por cada 100 quilômetros.
300 km/h gasta 47 Wh/km, que é igual 1,6 litros de gasolina por cada 100 quilômetros.
400 km/h gasta 66 Wh/km, que é igual 2,2 litros de gasolina por cada 100 quilômetros.

O consumo de energia do trem da Transrapid Internacional é de 3,5 vezes menor ao consumo de energia de um veiculo (carro) a uma mesma velocidade e só representa a quarta parte do consumo de energia de una aeronave de capacidade e velocidade comparáveis.

Este sistema pode chegar às velocidades de 1200 km/h. A tecnologia desenvolvida pela Transrapid Internacional é capaz de chegar a estes valores, pero resultam pouco práticos e não são necessários para o transporte de passageiros.

Também tem que se ter em conta que as velocidades próximas à velocidade do som (1200 km/h aproximadamente) podem-se criar estampidos sônicos capazes de quebrar os cristais de janelas nas cercanias da rota de um veiculo que se movera nestas velocidades.

Usando a tecnologia de levitação magnética foram criados estes sistemas dinâmicos que utilizam muito pouca quantidade de energia para realizar suas funções, são os sistemas mais eficientes em términos de consumo de energia.

As grandes vantagens que supõe a tecnologia de levitação magnética serviram como base para a construção de uma máquina de movimento perpetuo ideal, pois o sistema gastaria a quantidade mínima possível de energia para gerar grandes quantidades de energia.

Neste sistema que desenvolveremos com base na tecnologia de levitação magnética não há perdidas de energia por calor porque não há superfícies em contacto, a única energia perdida seria o calor produzido pela excitação dos eletroímãs, mas esta energia perdida seria irrelevante comparado à energia que produzirá o sistema, alem do mais o que veremos a continuação não é um sistema que depende de processos termoelétricos, senão de processos mecânicos e eletromagnéticos...

Data de Atualização: Fevereiro de 2015

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