MARK 6 Centro de Prototipagem Dinamo

Dínamo – Prototipagem rápida para energias renováveis

Um projeto desenvolvido para a Universidade do Algarve

Porquê fazer um dínamo através da prototipagem rápida?

Uma das batalhas que tem sido travada a nível global é a das energias renováveis. Carros elétricos, cidades sustentáveis, meios não poluentes de produzir energia estão na ordem do dia – mas ainda não atingimos o nível de autossuficiência energética que precisamos.

Neste momento, estão a ser desenvolvidas soluções nas duas frentes que mais limitam esta transição: vida útil das baterias e eficiência na transformação de energia elétrica. Para as baterias vemos já a TESLA a desenvolver um modelo capaz de aguentar 1 milhão de milhas até perder 10% da capacidade de armazenamento energético, mais do dobro do que existe atualmente no mercado.

Mas, quando falamos em energia (em especial de energias limpas), a questão da eficiência é o ponto mais importante. O desperdício que existe na transformação de energia cinética em energia elétrica é o grande obstáculo para uma sociedade autossuficiente em termos de energia proveniente de fontes não poluentes.

Para tal, será essencial ter um sistema eficiente e polivalente, que minimize o desperdício e possa ser utilizado em diversos meios: um dínamo digno do século XXI.

O que é um Dínamo?

Resumidamente, um dínamo é um mecanismo que transforma movimento em corrente elétrica. Isto permite utilizar, por exemplo, a força do vento para produzir energia que pode ser utilizada em todo o tipo de equipamentos.

O conceito do dínamo não é novidade: surgiu em 1831 pelas mãos de Michael Faraday. Este sistema converte o movimento gerado por fontes externas (no caso do primeiro modelo criado por Faraday, uma manivela), fazendo rodar um disco metálico por um íman em ferradura, o que gera uma corrente elétrica no disco.

Faraday Dinamo

Tendo sido alvo de várias modificações ao longo dos séculos, o conceito geral mantém-se inalterado: transformar movimento em energia elétrica, para poder captar as forças naturais e torná-las em energia utilizável no nosso dia a dia. Assim, quer seja a partir do vento, das ondas ou das correntes, teoricamente seria possível captar energias não poluentes de forma ilimitada.

Dentro da categoria de dínamo existem os Dínamos DC e AC. A variante AC é específicamente denominada de alternador, que é atualmente o tipo mais comum de dínamo e é utilizado em centrais elétricas, aerogeradores, greação de energia hídrica em barragens e em motores de combustão etc.

Neste caso, utilizamos o termo mais abrangente “dínamo” por simplificação e para não ser exclusivamente associado a carros.

Há um mas...?

Como referido, o dínamo não é nada de novo. Aliás, quase todos os geradores utilizam dínamos para gerar energia elétrica. Mas existem duas limitações características destes sistemas: baixa eficiência e pouca adaptabilidade.

Na verdade, a média de eficiência de um dínamo é de 60% de conversão de energia cinética em corrente elétrica utilizável, o que implica um grande desperdício de energia em todo o sistema. Isto não impede a sua utilização, deixa é muito espaço para melhorar e otimizar um modelo de dínamo que consiga converter mais energia minimizando a quantidade de energia que não é aproveitada.

Ineficiência atual dínamo

A segunda limitação tem a ver com a tensão de saída. Esta está muito dependente do modelo de dínamo escolhido, e não pode ser alterada diretamente, sem recurso a transformadores ou sistemas de engrenagens. Ou seja, um dínamo pode apenas ser utilizado para um tipo de meio muito específico e é preciso outro completamente diferente para poder aplicar noutro sistema.

Entre a falta de eficiência energética e falta de adaptabilidade, num mundo em constante evolução e em que a energia limpa é uma prioridade crescente, os dínamos precisam de uma nova forma de funcionamento e integração.

Felizmente, é possível criar soluções para estes obstáculos à inovação do dínamo, recorrendo à prototipagem rápida para desenhar, testar e melhorar o sistema – tal como fizémos neste projeto.

Qual a inovação que o nosso modelo traz?

Fomos desafiados a desenvolver um sistema para testes de microgeração de energia eólica, para ser instalado e utilizado na Universidade do Algarve. O objetivo era criar um dínamo recorrendo à prototipagem rápida que fosse o mais eficiente possível, para minimizar os desperdícios, e que fosse adaptável o suficiente para diferentes tipos de testes.

Respondemos com um modelo de dínamo com dois fatores de inovação: eficiência de 90% e tensão de saída adaptável.

Para minimizar o desperdício de energia e a necessidade de manutenção, este dínamo foi desenhado com um mínimo de peças móveis, e ainda para ser brushless* e ironless**, diminuindo assim fatores como o atrito interno, o peso e o desgaste. 

Como dispensa sistema de engrenagens e as únicas peças de desgaste são os rolamentos, este modelo tem um tempo de vida útil várias vezes superior aos modelos tradicionais, e consegue converter 90% da energia cinética em energia elétrica a baixas rotações – mais exatamente, pode converter 90% da potência no eixo em energia elétrica a 300rpm.

Dínamo Prototipagem Rápida para UALG

A dificuldade de transformação de baixas rotações em energia elétrica tem sido um obstáculo à geração de pequena e média escalas.

Outro ponto tido em conta no desenho do sistema foi a modularidade e adaptabilidade do dínamo, para que pudesse adequar-se a diferentes utilizações. 

Neste sentido, era importante que o dínamo fosse adaptável para os diferentes testes na universidade, e criar módulos que pudessem ser conectados tanto em série como em paralelo, sem ser preciso recorrer a transformadores, foi a solução mais polivalente que encontrámos. Desta forma, é possível ter diferentes voltagens e potências de saída consoante a necessidade do gerador.

 

Módulos de Dínamo Prototipagem Rápida para UAlg

O resultado: um sistema ultraeficiente até a baixas rotações, de baixa manutenção e custo competitivo.

*Brushless – num sistema de gerador com escovas, a corrente elétrica de saída pode ser DC (contínua), contudo, as escovas são um atrito adicional bem como a principal peça de desgaste neste tipo de sistemas. Num sistema brushless, não existem escovas porque as bobines estão paradas e são apenas os ímanes que se movimentam, tornando o sistema mais eficiente e durável, com corrente elétrica de saída AC (alternada, mono ou trifásica, consoante os agrupamentos de bobines).

**Ironless – normalmente, num motor ou gerador, o campo magnético é forçado pelas bobines com recurso a um núcleo de ferro laminado envernizado. Num sistema ironless, o campo magnético é forçado pelas bobines pela proximidade entre ímanes de orientação colinear, que não só duplica a intensidade de campo magnético como reduz o peso total do sistema em 50%.

O que tem atrasado o desenvolvimento desta tecnologia?

Muitas vezes, e como é o caso particular do dínamo, a inovação ficou dependente dos métodos de produção disponíveis. Os processos de fabrico deste modelo específico são extremamente complexos e incompatíveis com a maioria dos sistemas de produção tradicionais.​

Para o conseguir, foi necessário recorrer ao fabrico aditivo inteligente para produzir peças complexas que são impossíveis de produzir com outros métodos, como foi o caso dos canais internos para arrefecimento. Também recorremos à prototipagem rápida para criar um sistema de bobinagem especializado que permitisse o fabrico adequado a diferentes modelos com modificações mínimas na máquina. Até a produção da estrutura interna e implementação dos ímanes exigiram criar um método de fabrico único.

Prototipagem Rápida de Dínamo por Fabrico aditivo

A agilidade que as tecnologias de produção mais recentes nos trouxeram nos últimos anos é uma mais-valia que ainda não está completamente implementada na maior parte das indústrias. Isto traduz-se num sem limites de oportunidades de inovação de outros sistemas cuja evolução estava limitada aos processos de fabrico mais comuns e estabelecidos.

No fim, não só criámos um sistema avançado de transformação de movimento em energia elétrica, como todo o processo de fabrico dos módulos do dínamo, preparados para uma produção mais frequente.

Dínamo - Prototipagem Rápida

Quando a Universidade do Algarve nos desafiou a criar um dínamo para testes de microgeração, era preciso ter em conta os principais obstáculos à inovação do dínamo e repensar as barreiras de produção que foram derrubadas graças à prototipagem rápida.

As oportunidades que surgiram ao longo do processo de design deste módulo, desde reposicionar alguns componentes a incluir refrigeração que nenhum método tradicional permitiria, deram lugar a um produto inovador, altamente eficiente e completamente adaptado às necessidades da UAlg para este protótipo.

Prototipagem Rápida Vista Explodida do Dínamo

Este projeto de I&D foi um interessante desafio na área das energias renováveis que permitiu tornar o custo deste sistema bastante competitivo, viabilizando a micro e média geração para que habitações ou, até, cidades inteiras se tornarem energeticamente autossustentáveis.

Contacte-nos para mais informações sobre os nossos serviços de Investigação e Desenvolvimento através do endereço: mark6.prototyping@gmail.com​