APROVEITAMENTO DE ENERGIA MECÂNICA ATRAVES DE APARELHOS AEROBICOS

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APROVEITAMENTO DE ENERGIA MECÂNICA 
ATRAVÉS DE APARELHOS AERÓBICOS PARA 
PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Alunos: Aline Rodrigues, Alison Pinheiro, Jessica Iria, Jhenifer Sena, 
Lilian Soares, Lucas Sinval, Pedro Henrique
Profº Orientadora: Lilian Carvalho
Profsº Co-Orientadores: Ive, Cristiano e Leonardo
BETIM, 2017
RESUMO
 Existem várias formas de gerar energia no Brasil. Gera-se eletricidade a partir de usinas hidrelétricas, termelétricas, eólica e outras. Cada modo de geração de energia tem suas próprias características. Infelizmente algumas destas utilizam meios que são prejudiciais ao meio ambiente. O presente trabalho propõe a análise e desenvolvimento experimental de um protótipo que tem como objetivo gerar energia elétrica de uma forma limpa, segura e sustentável, a partir da transformação de energia mecânica em cinética. Será idealizado para academias onde se pretende aproveitar a energia gerada pelo movimento de atletas em equipamentos de ginástica específicos como esteiras e bicicletas ergométricas para produção de energia elétrica para uso nas próprias academias.
INTRODUÇÃO
 Com o avanço da tecnologia a tão chamada GTD(Geração, Transmissão e Distribuição) de energia elétrica ficou cada vez mais viável em grandes escalas no mundo todo, inclusive no Brasil, onde grande parte da energia consumida vem de Usinas Hidrelétricas, quando fala-se em geração de energia a partir de usina hidrelétrica lembramos sempre de Itaipu, a maior usina hidrelétrica do Brasil e a segunda maior do mundo, perdendo apenas para a Hidrelétrica de Três Gargantas que atravessa o rio Yangtze pela cidade de Sandouping, localizada no Distrito Yiling na China, com a capacidade de geração de 22.500MW(megawatts). [1]
 A Usina de Itaipu foi construída por dois países, Brasil e Paraguai entre 1975 a 1982 e se localiza no Rio Paraná, na fronteira entre Brasil e Paraguai, por este motivo é chamada de binacional. Desde o inicio de sua operação a usina de Itaipu tem produzido mais de 2,4 bilhões de MWh, isto falando de energia limpa e renovável,com a capacidade de geração de 14.000MW. Em 2016, a Usina de Itaipu Binacional realizou um feito histórico ao produzir, em um único ano, mais de 100 milhões de MWh de energia limpa e renovável. No total, em 2016, foram produzidos 193.098.366 MWh de energia. [1]
 Anualmente, a usina produz entre 90 milhões a 95 milhões de MWh(megawatts-hora), quantidade suficiente para abastecer a cidade de São Paulo por três anos. A energia de Itaipu abastece principalmente as regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste do Brasil e parte do território Paraguaio. [1]
Para a fonte hidráulica, o fluxo das águas é um combustível da geração de eletricidade. Para aproveitar a queda d’água de um rio, por exemplo, estuda-se o melhor local para a construção de uma usina, levando-se em conta o projeto de engenharia, os impactos ambientais, sociais e econômicos na região, além da viabilidade econômica do empreendimento. As obras de uma usina hidrelétrica incluem o desvio do curso do rio e a formação do reservatório. A água do rio movimenta as turbinas que estão ligadas a geradores, possibilitando a conversão da energia mecânica em elétrica. [2]
O porte da usina também determina as dimensões da rede de transmissão que será necessária para levar a energia até o centro de consumo. No caso das hidrelétricas, quanto maior a usina, mais distante ela tem que a estar dos grandes centros. Assim, exige a construção de grandes linhas de transmissão em tensões alta e extra alta (de 230KV a 750KV) o que, muitas vezes, atravessa o território de vários estados. [2]
 Este tipo de geração de energia, apesar de grande utilidade e beneficiamento de grande parte do território brasileiro e paraguaio, também tem seus males, e certos males são irreversíveis, como por exemplo: [3]
Pode alagar cidades na construção da barragem, causando transtornos para a comunidade, pois precisam sair de suas moradias e se instalarem em outros lugares.[3]
Quando tem um grande período de estiagem podem ocorrer apagões nas cidades próximas.[3]
Mudança do clima local.[3]
Aumento de erosão e perda de terras férteis. [3]
É prejudicial aos peixes, pois com a barragem eles não podem desovar no local apropriado. [3]
 Em vista do conteúdo abordado no decorrer das pesquisas observa-se que a principal fonte geradora de energia elétrica é a força mecânica, sendo que ela está presente em quase todos os grandes meios de geração de energia elétrica, como por exemplo: hidrelétricas, campos eólicos, marés, entre outras.
REFERENCIAL
 De acordo com o site da Itaipu [4] antes de se transformar em energia elétrica, a energia deve ser convertida em energia cinética. O dispositivo que realiza essa transformação é a turbina. A turbina consiste basicamente em uma roda dotada de pás, que é posta em rotação ao receber a massa de água 
 Turbina de Itaipu [5]	
 O último elemento dessa cadeia de transformações é o gerador, que converte o movimento rotatório da turbina em energia elétrica.
Gerador de Itaipu [6]
 Para a geração de energia é necessário uma barragem para represar o rio, formando assim um desnível para a queda da água (aumento de energia potencial). Também necessita-se uma casa de força onde são instalados os equipamentos para a produção de eletricidade, que incluem a tomada d’água, conduto forçado, gerador, sala de controle (CCR), sala de despacho de carga e salas de controle local. [4]
 A rotação da turbina, movimentada pelo fluxo d’agua, faz girar o rotor do gerador, cujo campo magnético, ao se deslocar produz energia elétrica. [4]
A
Aparelhagem da usina de Itaipu [7]
 Baseando-se que a grande parte da energia produzida no Brasil vem das usinas hidrelétricas [2], e que a produção dessa energia é de forma mecânica, é possível produzir energia elétrica através de aparelhos aeróbicos de academias. 
O Brasil é o 2° país com o maior número de academias de ginástica no mundo, perdendo apenas para os Estados Unidos. Existem em torno de 32.000 unidades, segunda a Revista Exame [22]. Visto que em todas as academias possuem aparelhos aeróbicos como, bicicletas ergométricas, esteiras, simuladores de caminhada, entre outros, poderíamos utilizar a força mecânica desses aparelhos e transformar em energia elétrica de forma limpa, econômica e sustentável. A população se beneficiaria por dois lados, gastariam energia melhorando a saúde e também produziriam energia elétrica de forma limpa, sustentável, além de reduzir custos.
A turbina de Itaipu é um motor rotativo que utiliza a força da corrente de agua como energia mecânica, que é transferida para o gerador de energia elétrica através do movimento das maquinas. [4]
Para a execução deste projeto, foi utilizado o mesmo princípio da Usina de Itaipu (energia cinética) aplicado a um pequeno motor que será posteriormente acoplado ao aparelho aeróbico em questão. O modelo utilizado será descrito a frente.
JUSTIFICATIVA
No intuito de enfatizar a importância da força mecânica na geração de energia elétrica e, por conseguinte, aproveitar a força mecânica gerada em atividades comuns e rotineiras do dia-a-dia, viu-se uma grande oportunidade de fazer com que tal força possa ser transformada em energia elétrica de forma simples, econômica e sustentável. Neste trabalho será apresentado um protótipo para utilização em aparelhos aeróbicos em academias, afim de economizar energia elétrica, trazendo benefícios para o meio ambiente e financeiros.
OBJETIVO
O projeto tem como objetivo fazer com que bicicletas ergométricas de academia passem a gerar energia elétrica de forma limpa e sustentável através de energia mecânica com intuito de reduzir custos nas academias e preservar o meio ambiente.
- Objetivo Especifico
* Criar um sistema eficiente de obtenção de energia elétrica deforma limpa e sustentável;
* Montar um protótipo simulando o funcionamento de um motor acoplado a uma bicicleta ergométrica simples.
MATERIAIS E MÉTODOS
Será realizada uma busca bibliográfica para exemplificação da composição do trabalho e peças utilizadas
COMPOSIÇÕES DO TRABALHO
PEÇAS UTILIZADAS
MOTOR
 Motor elétrico é um dispositivo que funciona com corrente alternada ou contínua e que converte energia elétrica em movimento ou em energia mecânica. Todo motor baseia-se na ideia de que o magnetismo é capaz de produzir uma força física que move os objetos. Depende de imãs que podem atrair ou repelir outro imã.
É utilizado a eletricidade para criar campos magnéticos que se opõe entre si, de modo que movam uma parte giratória chamada de rotor. [8]
Foi utilizado um motor Bosch 12v GPB KM1 682 (R$182,00) [9]
Ilustração do motor[23]
Ilustração do motor[23]
CORRENTE
A corrente é um conjunto de elos metálicos e flexíveis que interliga a coroa para opé de vela ao cassete ou catraca da roda traseira, formando assim, o sistema de tração da bicicleta. [10].
Foi utilizado uma Corrente HG-40 7|8V, da marca Shimano, feita em Aço (R$66,90) [11]
ilustração da corrente de uma bicicleta. [24]
QUADRO
É a principal estrutura de bicicleta e é onde boa parte dos demais componentes são instalados. Na região superior é fixado o selim e,na inferior, o câmbio dianteiro, o movimento central e a pedivela.Na frente, o garfo (rígido ou de suspensão) e, na traseira, a roda, o câmbio e o freio traseiro.[12]
Foi utilizado um Quadro 29 MTB alumínio Victory BP, marca High One, de alumínio, valor 483,90 reais. [13]
Quadro de uma bicicleta[25]
POLIAS
As polias servem para mudar a direção e o sentido da força com que puxamos um objeto (força de tração). As polias podem facilitar a realização de algumas tarefas, dependendo da maneira com que elas são interligadas.[14]
Foi utilizado uma Polia de alumínio 60mm canal perfil A da marca Vonder (R$9,98).[15]
ilustração de uma polia[26]
EIXO
Eixo é um elemento mecânico rotativo ou estacionário (condição estática) de secção usualmente circular, onde são montados outros elementos mecânicos de transmissão tais como: engrenagens, polias, ventiladores, rodas centradas, entre outros. Os eixos são apoiados em mancais, de deslizamento ou rolamento, tendo secção quase sempre mássica e variável, com rasgos de chaves para fixação de componentes. [16]
Foi utilizado um Eixo da cauda e polia motriz B400 [EFLH 1465A] feito em alumínio da marca Rotor (R$76,65). [17]
ilustração de um eixo[27]
DESENVOLVIMENTO	
 Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, os valores cobrados por utensílios domésticos, não domésticos, rurais e iluminação pública são distintos. Variam de KHW a potência. Uma bicicleta ergométrica com um motor DC Bosch F006.KM1,682 entra na classe de consumo dos Não Residenciais, fato esse que se deve à bicicleta ser de um negócio(academia). [28]
 Calculando o KWH já com as tarifas de impostos PIS/COFINS o valor do KWH para tal bicicleta ergométrica será de R$0,55944. 
Resolução ANEEL Nº 2.206/17 de 14/03/2017. 
VIGÊNCIA A PARTIR DE 15/03/2017. 
 Utilizando o princípio de economia, suponha-se que 5 pessoas utilizem uma bicicleta ergométrica 1 hora por dia, durante 20 dias. No final, seriam feitas 100 horas de pedaladas. 
Para saber quanto custa a energia elétrica que seria gasta por cada aparelho basta multiplicar a potência do aparelho pelo tempo de consumo (em hora) e, em seguida, multiplicar tudo pelo preço do kWh que é R$0,55944 (vide gráfico representativo acima).[21] 
Ao fazer esse cálculo é necessário separar as grandezas. Deve-se transformar a potência, nesse caso 254W em KW para depois multiplicar pela quantidade de tempo (em horas), e em seguida multiplicar pela tarifa homologada pela ANEEL com o acréscimo de juros. Utilizando o tempo de 100 horas, tem-se que:
Por fim, ao final do mês, 5 pessoas utilizando a bicicleta ergométrica teriam uma economia de R$13,71 e gerariam 24,5KW de energia para ser reutilizada na academia. Abaixo, segue um exemplo de como utilizar essa energia para recarregar aparelhos telefones.
Uma bateria de um celular tem 3.000 mAH. Para fazer o cálculo de potência necessária para recarregar uma bateria de um celular, temos: P= VxI. Sendo P a potência, V a tensão e I a corrente. Uma entrada para tomada em uma academia tem uma tensão de 110V e, de acordo com a regra, 3.000 mAH = 3ª, pois divide-se por mil para reduzir mAH a amper. 
Usando essa fórmula para calcular potência, tem-se:
O consumo de energia elétrica, segundo a CEMIG, é calculado com P(potência em W) dividido por 1000 para se achar KW, logo em seguida multiplica-se pelo tempo desejado, neste caso, 20hs. Com uma potência P=330W e um tempo T de T=20hs, tem-se que:
Por conseguinte, uma pessoa que recarrega um aparelho telefone comum por 1 hora durante 20 dias tem um consumo de E=6,6KW mensais.
O custo do KW/H estipulado pela ANEEL e CEMIG, como mencionado anteriormente, é de R$0,55944 para um motor Bosch 12v GPB KM1 682. Isso devido ao fato do mesmo ser de uma potência/tensão baixa e também devido ao fato de ser de uso não residencial.
Contudo, o custo mensal (20 dias utilizados) para se recarregar um aparelho telefone 1 hora por dia durante 20 dias é representado por: E (consumo KW/H) multiplicado pela t (tarifa KW/H já inclusa com tarifas de impostos. Então, tem-se que:
Com base nos estudos acima, foi constatado que 5 pessoas durante 20 dias 1 hora por dia economizariam R$13,71 de energia e gerariam 245 KW de energia para uma academia. Sabendo-se que para se recarregar um aparelho telefone todo dia durante 20 dias necessita-se de 0,33kw de energia. A energia economizada e gerada pelos usuários da bicicleta ergométrica pode ser distribuída na energia necessária para recarregar os smartphones da seguinte forma:
Sendo as variáveis A (energia gerada pela bicicleta) B (Energia necessária para recarregar os smartphones). Tem-se:
Contudo, pode-se afirmar que a energia gerada pelas 5 pessoas poderá recarregar aproximadamente 74,24 aparelhos, uma hora por dia, durante 20 dias.
VIABILIDADE DO PROJETO
Neste projeto foi utilizada uma bicicleta ergométrica como forma de produzir energia. Uma bicicleta ergométrica nova, como a da imagem abaixo, tem um custo de aproximadamente R$ 1.259,00, porém, o preço pode sofrer variação dependendo da marca e modelo, pode-se encontrar no mercado preços entre R$ 400,00 à R$ 2.000,00.As mais baratas, no entanto, não seriam capazes de suportar um motor devido a problemas estruturais. [18]
Considerando uma média de 5 bicicletas ergométricas para cada academia, tem-se aproximadamente 160.000 aparelhos de ginástica no Brasil. Em apenas uma academia com 5 aparelhos aeróbicos funcionando por 6 horas por noite (de 18:00h ás 00:00) que é o horário com o maior fluxo de pessoas, teremos uma produção de energia de aproximadamente (147.000W) por mês.
 Baseado em pesquisas feitas na cidade de Betim MG, uma academia de bairro, porte médio, consome em torno de 1600kwh de energia elétrica por mês. Se utilizarmos a força mecânica para produzir energia elétrica, a economia de energia seria de (147kw), com essa energia é possível recarregar 445 aparelhos smartphones uma hora por dia durante 20 dias ou um ar condicionado de 7500BTU, que consome por mês 120KW.
Ilustração de uma Bicicleta Ergométrica [18]
Para realizar a adaptação das bicicletas, o custo seria de R$365,53 alem do aparelho (R$1259,00), totalizando R$1594,53 em cada bicicleta. Com o protótipo apresentado neste trabalho, considerando os dados e valores citados e o funcionamento das 5 bicicletas por 10 horas diárias em dias uteis, o investimento seria pago em aproximadamente 3 meses.
Algumas academias pelo mundo já utilizam este método de produzir energia a partir dos equipamentos, é o caso da academia de ginástica Greenasium, que se encontra em San Diego, na Califórnia.Segundoeles, a energia produzida por uma bicicleta é suficiente para manter os ventiladores do local funcionando. Com mais bicicletas, a energia gerada compensa os gastos com computadores, som e luzes da academia. [19]
No Brasil também já existe academia que funciona de maneira sustentável, é o caso da Ecofit Club que se localiza em São Paulo/SP e foi a primeira academia sustentável do país.[20]
CONCLUSÃO
Nesse trabalho abordamos o assunto “Energia Eletrica”, suas formas de uso frequente e maneiras consciente de utilizá-la. Atingimos nosso objetivo de encontrar uma solução para o alto consumo de energia nas academias e aproveitamento do seu grande potencial de geração. Com o protótipo proposto em pouco tempo é possível reaver o investimento e com a certeza que estamos contribuindo para a preservação de nossos recursos naturais.
BIBLIOGRAFIA
[1] Autor desconhecido. Historia da geração de energia em Itaipu, 09 de Outubro de 2010. Disponível em: https://www.itaipu.gov.br/nossahistoria (Acesso em 13-03-17 as 14:00);
[2] COUTO, Luciano. Fontes geradoras de energia elétrica, 15 de maio de 2014. Disponível em: http://eletricidadeemcampos.blogspot.com.br/2014/05/fontes-geradoras-de-energia-eletrica.html(Acesso em 13-03-17 as 14:06);
[3] SEVÁ Osvaldo Filho. Livro “Alertas sobre as consequências dos projetos hidrelétricos no rio Xingu” Maio de 2005. (Consulta em 13-03-17);
[4] Autor desconhecido. Geração de Energia Hidráulica, 13 de Agosto de 2010. Disponível em: https://www.itaipu.gov.br/energia/energia-hidraulica (Acesso em 13-03-17 as 14:16);
[5] IMAGEM. Conselheiros reconhece êxito, 25 de Agosto de 2010. Disponível em: http://jie.itaipu.gov.br/node/48101 (Acesso em 13-03-17 as 14:19);
[6] MORAES Leandro. Hidrelétrica de Itaipu, Disponível em: http://ec.i.uol.com.br/economia/2012/09/26/usina-hidreletrica-de-itaipu-1348691752725_956x500.jpg (Acesso em 13-03-17 as 15:00);
[7] IMAGEM. Aparelhagem da usina de Itaipu, 18 de agosto de 2009. Disponível em: https://www.itaipu.gov.br/userfiles/image/unidade-geradora01.jpg (Acesso em 13-03-17 as 15:00);
[8] CORRAL Lucas. Funcionamento de um motor, Disponível em: http://www.vix.com/pt/bbr/68/como-funciona-um-motor-eletrico (Acesso em 14-03-17 as 10:00);
[9] COPYRIGHT by Kalatec. Motor Bosch, 2016, Disponível em: http://www.kalatec.com.br/motores-bosch/f006km1682(Acesso em 14-03-17 as 10:03);
[10] SANCHES, Renato. Peças de uma Bicicleta, 11 de setembro de 2015. Disponível em: http://www.nucleobike.com.br/dicas/conhecendo-as-pecas-de-uma-bicicleta/ (Acesso em 14-03-17 as 10:07);
[11] TWENGA. Corrente de bicicleta, 13 de março de 2017, Disponível em: http://www.twenga.com.br/corrente-de-bicicleta.html(Acesso em 14-03-17 as 10:10);
[12] SANCHES, Renato. Peças de uma Bicicleta, 11 de setembro de 2015. Disponível em: http://www.nucleobike.com.br/dicas/conhecendo-as-pecas-de-uma-bicicleta/(Acesso em 14-03-17 as 10:29);
[13] TWENGA. Corrente de bicicleta, 13 de março de 2017. Disponível em: http://www.twenga.com.br/corrente-de-bicicleta.html(Acesso em 14-03-17 as 10:40)
[14] TOFFOLI, Leopoldo. Polias, Disponível em: http://www.infoescola.com/mecanica/polias-roldanas/ (Acesso em 14-03-17 as 10:41);
[15] SUBMARINO. Polia, 13 de março de 2017. Disponível em: https://www.submarino.com.br/?franq=AFL-03-51562&loja=03 (Acesso em 14-03-17 as 10:47);
[16] Autor desconhecido, Eixos e Árvores de Transmissão. 07 de outubro de 2011, Disponível em: http://adm.online.unip.br/img_ead_dp/35114.PDF(Acesso em 14-03-17 as 11:00)
[17] TWENGA. Eixo para polias, 13 de março de 2017, Disponível em: http://www.twenga.com.br/#q=Eixo%20para%20polia&u=q(Acesso em 14-03-17 as 11:00)
[18] IMAGEM, Chinalink. Bicicleta ergométrica, 14 de abril de 2017. Disponível em: http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-706451918-bike-bicicleta-spinning-racing-profissional-pelegrin-com-nf-_JM (Acesso em 15-04-17 as 14:33);
[19] SWU. Bicicleta ergométrica gera energia elétrica em academia sustentável, 02 de maio de 2012. Disponível em: http://www.swu.com.br/blog/2012/05/sustentabilizese/vivaoplaneta/bicicleta-ergometrica-gera-energia-eletrica-em-academia-sustentavel/ (Acesso em 15-04-17 as 14:38);
[20] ECOFIT, Club. Academia sustentável, 2005, Disponível em: http://www.ecofit.com.br/quem-somos/ (Acesso em 15-04-17 as 16:20).
[21] LIGHT. Composição de Tarifas, 28 de março de 2017. Disponível em: http://www.light.com.br/para-residencias/Sua-Conta/composicao-da-tarifa.aspx (Acesso em 22-04-17 às 09:20);
[22] BERTÃO, NAIARA. Brasil já é um dos maiores mercados fitness, 26 de maio de 2016. Disponível em: http://exame.abril.com.br/revista-exame/brasil-ja-e-um-dos-maiores-mercados-fitness-do-mundo/ (Acesso em 22-04-17 às 10:20);
[23] COPYRIGHT by Kalatec. Motor Bosch, 2016. Modificado de http://www.kalatec.com.br/motores-bosch (Acesso em 22-04-17 as 09:38);
[24] TWENGA. Corrente de bicicleta, 13 de março de 2017. Modificado de: http://www.twenga.com.br/corrente-de-bicicleta.htm (Acesso em 22-04-17 as 09:46);
[25] TWENGA. Corrente de bicicleta, 13 de março de 2017. Modificado de: http://www.twenga.com.br/corrente-de-bicicleta.htm (Acesso em 22-04-17 as 10:25);
[26] SUBMARINO. Polia, 13 de março de 2017. Modificado de https://www.submarino.com.br/?franq=AFL-03-51562&loja=03). (Acesso em 22-04-17 as 10:29);
[27] TWENGA. Corrente de bicicleta, 13 de março de 2017. Disponível em: http://www.twenga.com.br/corrente-de-bicicleta.htm (Acesso em 22-04-17 as 10:38);
[28] SGT. Como é Composta a Tarifa, 04 de fevereiro de 2016. Disponível em: http://www.aneel.gov.br/destaques-tarifas/-/asset_publisher/Pt4a5DsYJ88I/content/composicao-da-tarifa/654800?inheritRedirect=false&redirect=http%3A%2F%2Fwww.aneel.gov.br%2Fdestaques-tarifas%3Fp_p_id%3D101_INSTANCE_Pt4a5DsYJ88I%26p_p_lifecycle%3D0%26p_p_state%3Dnormal%26p_p_mode%3Dview%26p_p_col_id%3Dcolumn-2%26p_p_col_pos%3D3%26p_p_col_count%3D6 (Acesso em 23-04-17 as 19:08).