Aproveitando a Energia das Ondas com Tecnologia Avançada

À medida que a demanda por eletricidade continua a subir, especialmente com o crescimento dos carros elétricos, a gente enfrenta possíveis faltas de energia. Além disso, as preocupações sobre a mudança climática por causa do uso de combustíveis fósseis mostram a necessidade de fontes de energia renovável. Dentre essas fontes, a energia das ondas se destaca como uma grande oportunidade. Ao longo dos anos, a energia das ondas aumentou cerca de 0,47% anualmente, o que indica seu potencial como uma fonte de energia confiável.

#Potencial da Energia das Ondas

A energia das ondas é um recurso abundante, especialmente ao longo das costas, onde o potencial total é estimado em cerca de 2,11 terawatts (TW). Desse total, cerca de 96,6 gigawatts (GW) podem ser aproveitados. No entanto, muitos países ainda não usaram a energia das ondas completamente em comparação com outras fontes renováveis como eólica e solar. Para combater a falta de energia e reduzir a dependência de combustíveis fósseis, os países estão investindo em Conversores de Energia das Ondas (WECS). Por exemplo, em 2021, a China e a Índia construíram seus próprios WECs para aproveitar essa fonte de energia inexplorada.

#Supercondutores de Alta Temperatura sem Isolamento

Um avanço recente na tecnologia de energia das ondas envolve o uso de supercondutores de alta temperatura sem isolamento (HTS) no design dos WECs. Ao remover o isolamento entre as bobinas do HTS, os sistemas podem alcançar uma melhor confiabilidade operacional em comparação com supercondutores tradicionais. Essa abordagem permite maior força e melhor desempenho, que são cruciais para aplicações que exigem campos magnéticos fortes, como aceleradores de partículas e máquinas de ressonância magnética (MRI).

A adoção da tecnologia HTS sem isolamento nos WECs busca resolver problemas relacionados à Densidade de Fluxo Magnético e ao tamanho geral dos ímãs usados.

#Design e Desenvolvimento dos WECs

O foco dessa tecnologia é melhorar o design dos conversores de energia das ondas. Ao integrar ímãs HTS sem isolamento no sistema de geração de energia, podemos aumentar a eficiência e reduzir os custos dos materiais. O processo de design envolve analisar vários fatores, incluindo Eletromagnetismo, forças mecânicas e necessidades de resfriamento.

O sistema proposto usa um design de absorvedor ponto, que captura energia da oscilação de bóias na água. À medida que as ondas do oceano movem a bóia, isso faz um gerador produzir eletricidade. As bóias podem aproveitar bem a energia das ondas que vêm de diferentes direções.

A configuração geral inclui um criocooler para resfriar os ímãs HTS e uma bateria para manter o fluxo de corrente. O hidrogênio líquido serve como o refrigerante, que circula pelo sistema para manter os ímãs numa temperatura adequada.

#Componentes Chave do Sistema

Um aspecto crucial do design é a bóia, que deve ter um tamanho adequado para uma absorção ótima de energia. As dimensões da bóia são determinadas pelo comprimento de onda das ondas, garantindo a captura máxima de energia. O diâmetro da bóia é projetado para ser 1,5% do comprimento de onda para maximizar a eficiência.

O design utiliza materiais plásticos reforçados com fibra (FRP) para reduzir o peso enquanto garante durabilidade. Os ímãs são colocados em uma configuração que maximiza a mudança no fluxo magnético, facilitando uma melhor geração de energia.

Cada conjunto de ímãs é conectado, formando um circuito elétrico trifásico. Esse arranjo permite que o sistema produza energia de forma eficiente, mantendo o tamanho total do sistema gerenciável.

#Estratégias de Otimização

Para melhorar o desempenho, várias técnicas de otimização são empregadas. As dimensões dos ímãs HTS são calculadas cuidadosamente para alcançar a maior saída de tensão enquanto minimizam o uso de material. O processo de design também inclui uma abordagem de múltiplas larguras, que envolve o uso de fitas supercondutoras de diferentes larguras nos ímãs para aumentar a capacidade de corrente crítica.

Testes mostram que o design de múltiplas larguras aumenta significativamente a potência de saída em comparação com uma abordagem de largura única. Os achados indicam que esse método leva a uma maior densidade de fluxo magnético, melhorando ainda mais o desempenho geral do sistema.

#Análise Eletromagnética e Mecânica

Para garantir que o sistema opere de forma eficaz, uma análise das propriedades eletromagnéticas dos ímãs é realizada. Isso inclui medir a densidade de fluxo magnético e a corrente crítica dentro dos ímãs. Manter um balanço adequado é crucial, pois campos magnéticos excessivos podem levar à degradação do sistema.

O design incorpora recursos mecânicos robustos para suportar as forças geradas durante a operação. A força de Lorentz, que resulta da interação entre o campo magnético e a corrente elétrica, é gerenciada cuidadosamente para garantir que os ímãs permaneçam estáveis sob carga.

#Considerações Criogênicas

O resfriamento é vital para a operação dos sistemas HTS. O design utiliza um método de resfriamento por imersão, onde os ímãs são submersos em um refrigerante. Cálculos precisos determinam a quantidade de hidrogênio líquido necessária para manter os ímãs em sua temperatura de operação ideal.

Monitorar a densidade de corrente é essencial para prevenir o superaquecimento das bobinas do armature. O design garante que os níveis de corrente permaneçam dentro de limites seguros, contribuindo para a estabilidade e desempenho a longo prazo.

#Geração de Energia e Análise de Saída

O sistema WEC está conectado a uma rede elétrica por meio de um circuito retificador. Essa configuração permite uma conversão eficiente da eletricidade gerada de corrente alternada (AC) para corrente contínua (DC) para uso.

Várias simulações são realizadas para avaliar a saída de energia sob diferentes condições, como diferentes amplitudes de onda e correntes. Os resultados demonstram que aumentos na energia das ondas se correlacionam diretamente com saídas de potência mais altas. Por exemplo, em condições ideais, o sistema pode produzir cerca de 14,10 kW de potência.

#Conclusão

O design e desenvolvimento de um conversor de energia das ondas tubular HTS sem isolamento representam um avanço significativo na captação de energia renovável. Ao aplicar vários princípios de engenharia, o sistema mostra potencial para gerar eletricidade de forma eficiente e econômica.

À medida que as necessidades de energia renovável crescem, inovações como essa terão um papel crucial em atender as demandas energéticas e, ao mesmo tempo, abordar as preocupações ambientais. Com pesquisa e desenvolvimento contínuos, versões maiores dos WECs poderiam potencialmente fornecer quantidades ainda maiores de energia limpa, reduzindo ainda mais a dependência de combustíveis fósseis.