Geradores de Energia Elétrica III

Os geradores, como pilhas e baterias, não podem fornecer toda energia que precisamos. Eles são limitados. Esta limitação se deve basicamente à sua resistência interna, como vimos em Geradores de Energia Elétrica II, quando também fizemos alguns cálculos das influências dessa resistências em um circuito alimentado.

Neste artigo iremos um pouco além: vamos calcular o rendimento de um gerador, ou seja, sua eficiência no fornecimento de energia em função de suas características.

Dependendo do nível de conhecimento do leitor com o assunto aqui exposto, seria interessante acessar os outros conteúdos, aqui no blog, sobre geradores, pois este artigo aqui é o terceiro, e no blog tem mais dois artigos referente a geradores elétricos. O link para cada um deles encontra-se no final deste artigo.

Também veremos aqui como interligar diversos geradores, de modo a obter mais energia, quando necessário.

Este artigo tem como objetivo fornecer informações sobre:

• potência entregue e potência perdida;
• conceito de rendimento;
• como aumentar a tensão de geradores;
• como aumentar a capacidade de fornecimento de corrente.

Rendimento e Associação de Geradores

Os geradores não podem entregar ao dispositivo alimentado (receptor) toda a energia que produzem. Sempre, por menor que seja, uma parte desta energia se perde com a resistência interna do gerador. Na prática, procura-se reduzir ao máximo a resistência interna do gerador, mas isso tem um limite.

Para quem trabalha com geradores, é importante conhecer a fundo suas possibilidades de rendimento. Também é necessário saber como associar diversos geradores, com a finalidade de aumentar o rendimento ou obter mais energia. É este o assunto que veremos neste artigo.

Potência e Rendimento

A quantidade de energia gerada a cada segundo por um gerador nos permite definir sua potência P, que é medida em watts (W).

A capacidade de fornecimento de energia de um gerador depende da velocidade com que ele pode fazer a transformação da energia química das reações internas em energia elétrica, no caso das pilhas, ou de suas dimensões e outras características, no caso dos dínamos e alternadores. No entanto, nem toda a energia que o gerador produz pode ser entregue ao dispositivo que irá consumi-la, ou seja, ao receptor, conforme mostra a figura abaixo.

Circuito energia entregue

Esta energia é dissipada, em forma de calor, na resistência interna do gerador, o que pode ser calculado facilmente a partir da lei de Joule, em função do valor da corrente. Isso significa que nenhum gerador pode ter um rendimento de 100%, porque, na prática, não é possível fabricar geradores com resistência interna nula.

Por esse motivo, para as aplicações práticas, dever ser feito o cálculo de rendimento dos geradores. Para efetuar este cálculo, existem diversos procedimentos que podem ser aplicados por meio de diversas fórmulas. Comecemos então por definir rendimento de um gerador como sendo a relação entre a potência efetivamente entregue pelo gerador e a potência total gerada.

Por exemplo, se um gerador gera 10 W, mas só consegue entregar 6 W de potência a uma carga, seu rendimento é de 0,6 ou 60%.

Cálculo de Rendimento

Conhecendo as Potências

A primeira fórmula que veremos é a que permite calcular o rendimento (η), conhecendo-se a potência total fornecida (Pf) e a potência útil (Pu):

η = Pu / Pf

Para calcular o rendimento em porcentagem, basta multiplicar o resultado por 100.

Partindo do Circuito

Outra forma de calcular o rendimento é conhecendo-se o circuito. Tomemos como exemplo o circuito simples da figura abaixo.

Circuito cálculo de rendimento

Deste circuito podemos obter diversas informações importantes, como a fem (E) do gerador e a tensão que aparece na carga (U). Esta tensão é menor que a fem, porque existe uma perda devido à resistência interna do gerador. Tendo dúvidas quanto à fem (força eletromotriz) e o cálculo da tensão U que aparece na carga acesse Geradores de Energia Elétrica I.

Se conhecermos estas duas tensões, podemos calcular o rendimento do gerador usando a fórmula abaixo.

η = U / E

Associação de Geradores

Os geradores podem ser associados de duas formas básicas, tanto para aumentar sua força eletromotriz total, como para reduzir a resistência interna e, assim, aumentar sua capacidade de fornecer energia a um circuito externo.

Associação em Série

Na associação em série, as fem (força eletromotriz) dos geradores somam-se algebricamente, e as resistências internas também. Na figura abaixo temos um exemplo de associação deste tipo.

Associação série

E = E1 + E2 + E3
r = r1 + r2 + r3

Confira a seguir as fórmulas que nos permitem calcular as características de uma associação em série.

A fem (E) total será dada por: E = E₁ + E₂ + E₃

Onde E₁, E₂ e E₃ são as fem dos geradores associados.

A resistência (r) interna total será dada por: r = r₁ + r₂ + r₃

Onde r₁, r₂ e r₃ são as resistências internas dos geradores associados.

Exemplo: três pilhas de 1,5 V, cada uma com resistência interna de 0,5 ohms, ligadas em série, resultam numa bateria de 4,5 V com 1,5 ohm de resistência interna.

Associação em Paralelo

Na figura abaixo temos um exemplo de associação em paralelo de geradores iguais, todos com a mesma fem e a mesma resistência interna.

Associação em paralelo

r = r₁ = r₂ = r₃
E = E₁ = E₂ = E₃

Para esta assocaição, a fem obtida é igual à fem de cada gerador: E = E₁ = E₂ = E₃. Onde E₁, E₂ e E₃ são as fem dos geradores associados.

Se todos os geradores tiverem a mesma resistência interna, ela será dividida pelo número deles.

r = ri / n

Onde:
ri é a resistência interna comum a todos os geradores associados;
n é o número de geradores.

Exemplo: quatro pilhas de 1,5 V de fem e resistência interna de 1 ohm são ligadas em paralelo, conforme mostra a figura abaixo. Qual é a fem e a resistência interna da associação assim obtida?

Pilhas em paralelo

Solução:

A fem será a mesma de uma pilha: E = 1,5 V. A resistência interna é obtida dividindo-se a resistência de uma pilha pelo número delas:

r = 1 / 4 = 0,25 ohms

Obs. Embora seja possível ligar geradores de características diferentes em paralelo, esta prática não é recomendável.

Recordando o que foi abordado neste artigo.

• Nenhum gerador pode entregar a um receptor toda energia que gera.
• Parte da energia gerada sempre se perde na resistência interna.
• A relação entre a potência entregue e a potência gerada é o rendimento do gerador.
• Na prática, o rendimento de um gerador nunca é de 100%.
• Podemos associar geradores, de modo a obter maior capacidade de fornecimento de energia.
• Os geradores podem ser associados em série ou em paralelo.

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Referências: Tecset Eletrônica
Texto: Tecset Eletrônica
Imagens: Tecset Eletrônica