PROJETO DE GRADUAO

ANLISE E DESENVOLVIMENTO DE AEROGERADORES COM PS COMPSITAS

Por, Rodrigo Adriano de Felippes

Braslia, 04 de Julho de 2012

UNIVERSIDADE DE BRASLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

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UNIVERSIDADE DE BRASLIA Faculdade de Tecnologia

Departamento de Engenharia Mecnica

PROJETO DE GRADUAO

ANLISE E DESENVOLVIMENTO DE AEROGERADORES COM PS COMPSITAS

POR,

Rodrigo Adriano de Felippes

Relatrio submetido como requisito parcial para obteno do grau de Engenheiro Mecnico.

Banca Examinadora

Prof. Flaminio Levy Neto, UnB/ ENM (Orientador)

Prof. Antonio Piratelli Filho, UnB/ ENM (Co-orientador)

Prof. Taygoara F. de Oliveira, UnB/ FAG

Braslia, 04 de Julho de 2012

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Dedicatria Dedico este projeto a todas as pessoas

que so to importantes em minha vida, e que com seu carinho e dedicao tornaram possvel a realizao de mais esta etapa em minha vida: minha famlia que tanto amo, minha namorada, meu cachorro e, principalmente, a Deus, sem o qual nada seria possvel.

Rodrigo Adriano de Felippes

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Agradecimentos

Agradeo primeiramente a Deus, Criador de todas as coisas, e sem o qual nada seria

possvel. Agradeo a Ele pelas pessoas to importantes e especiais de minha vida, pelos meus familiares e amigos. Peo a Deus que eu possa retribu-los de tantas alegrias que me trouxeram e me trazem a cada dia.

Agradeo especialmente aos meus pais, Marcelo e Vera, pela imensa dedicao a cada instante de minha vida. Muitas coisas se aprendem nas escolas, muitas outras se aprendem com a vida, mas o carter construdo em casa, por palavras e exemplos. Sei que, se hoje sou quem sou, devo isso especialmente aos dois, meus grandes exemplos de vida. Peo a Deus que um dia eu possa ser, pelo menos, parecido com eles. Muito obrigado por tudo. Agradeo tambm a minha irm, Bruna, por todas as dvidas tiradas e pelo exemplo, no s de engenharia, mas por ser uma pessoa to querida e carinhosa, pela qual tenho profunda admirao.

Gostaria de agradecer a minha namorada, Talita, pelo apoio em tantos momentos de dvida, pelo seu carinho que me faz to bem e por ser uma pessoa to especial para mim. Agradeo tambm ao meu grande amigo, Victor, pelo apoio e companheirismo em tantos momentos. Obrigado tambm a todos os meus companheiros de sala, pelos dias e noites de estudo e por todos os trabalhos realizados juntos.

Agradeo a todos os meus professores, em especial ao meu professor orientador Flaminio Levy Neto e professor co-orientador Antonio Piratelli Filho, professor Taygoara Oliveira, professor Antonio Brasil, professor Gustavo Abade e professor Kleber Melo, pela contribuio no meu crescimento profissional, cujos ensinamentos e orientaes tornaram possvel a execuo deste trabalho. Obrigado tambm a todos os tcnicos do SG-9, especialmente ao tcnico Tarsis, pelo apoio e orientao nas etapas da minha formao acadmica.

Agradeo do fundo do meu corao a todas as pessoas aqui mencionadas, e a tantas outras que levaria todas as linhas deste trabalho para agradecer. Peo a Deus que nossa convivncia perdure por muito tempo e que possamos continuar nossa caminhada e crescimento juntos.

Rodrigo Adriano de Felippes.

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RESUMO A busca por energias alternativas e sustentveis cresce a cada dia em importncia no mbito internacional. No Brasil, devido boa capacidade de extrao de energia elica, torna-se interessante e fundamental o estudo e desenvolvimento de aerogeradores de pequeno porte, os quais a populao possa comprar a preos acessveis. Assim, o presente trabalho tem como objetivo o projeto e construo de um aerogerador de pequeno porte que vise o fornecimento de energia eltrica a residncias comuns, com potncia eltrica esperada de 200 W. Para tanto, sero analisadas as caractersticas mecnicas de dois conjuntos distintos de ps compsitas: Grupo A, composto por ps de fibra de carbono e Grupo B, composto por ps de fibra de vidro. Sero testados e analisados trs motores diferentes, com intuito de selecionar o mais adequado para o aerogerador: motor Bosch de 200W, motor Bosch de 1000W e motor brushless da Turnigy de 1900W. Alm disso, ser projetada uma nova caixa multiplicadora de velocidades, de modo que o conjunto mais eficiente seja testado experimentalmente para avaliao dos resultados.

Aps o desenvolvimento e construo do aerogerador, realizou-se um teste de campo, a fim de verificar na prtica o potencial de gerao de energia eltrica do conjunto selecionado como mais eficiente (ps de fibra de carbono, multiplicador de corrente com dois conjuntos de coroa e catraca de bicicleta e o motor brushless da Turnigy de 1900 W). Este teste foi realizado em Braslia-DF, lugar de ventos com velocidades muito baixas, tornando um grande desafio a gerao de energia eltrica a partir de energia elica. Esse teste de campo teve durao de 75 dias, sendo possvel a obteno de uma potncia mxima de 111,09 W e uma produo de 12258 mAh, o que confirmou a eficincia do aerogerador projetado e construdo nesse artigo.

Palavras-chave: aerogerador, energia elica, ps compsitas, rugosidade

ABSTRACT The research in new sources of energy grows in importance each day in the world. In Brazil, because of the good capacity in wind energy, becomes interesting and essential the study and development of small size wind generators, which common people could buy at good prices. Therefore, the objective of this paper is to project and construct a small size wind generator that provides electric energy for regular residences, with electric potential of 200 W. Thus, mechanics characteristics of two different kinds of composite blades will be analyzed: Group A, made of carbon fiber blades and Group B, made of glass fiber blades. Three different kinds of electric motor will be tested and analyzed, with the purpose to select the most appropriate for the wind generator: 200 W Bosch motor, 1000 W Bosch motor and 1900 W Turnigy brushless motor. Plus will be projected a new velocity multiplier, so the most efficient set can be tested experimentally to verify the expected results.

After the development and construction of the wind turbine, it was made a field test to verify the electric generating potential of the selected set (carbon fiber blades, multiplier with chain with two sets of bike sprockets, and the Turnigy brushless motor of 1900 W). This field test took place in Braslia-DC, a place with very low wind speed, becoming a big challenge to extract energy from the wind. This field test had a duration of 75 days, and was obtained a maximum output power of 111,09 W and a production of 12258 mAh, what confirmed the efficiency of the wind turbine projected and constructed in this article. Key-words: wind generator, wind energy, composite blades, roughness

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SUMRIO

1 INTRODUO .................................................................................................................... 1 1.1 CONSIDERAES GERAIS ........................................................................................................... 1 1.2 ESTADO DA ARTE ......................................................................................................................... 4 1.2.1 Grupo A: Fibra de Carbono ............................................................................................................. 6 1.2.2 Grupo B: Fibra de Vidro .................................................................................................................. 7 1.3 OBJETIVOS DO TRABALHO .......................................................................................................... 8 1.4 METODOLOGIA ............................................................................................................................. 8

2 REVISO DA LITERATURA ............................................................................................ 10 2.1 O VENTO ..................................................................................................................................... 10 2.1.1 Conceito ....................................................................................................................................... 10 2.1.2 O vento no mundo ........................................................................................................................ 11 2.1.3 O vento como fonte de energia...................................................................................................... 14 2.1.4 Extraindo potncia do vento .......................................................................................................... 15 2.2 TURBINAS ELICAS ................................................................................................................... 17 2.2.1 Conceito ....................................................................................................................................... 17 2.2.2 Turbinas de eixo vertical ............................................................................................................... 18 2.2.3 Turbinas de eixo horizontal ........................................................................................................... 19 2.2.4 Turbinas de arraste ....................................................................................................................... 20 2.2.5 Turbinas de sustentao ............................................................................................................... 20 2.2.6 Controle por stol ........................................................................................................................... 24 2.2.7 Controle de passo ......................................................................................................................... 24 2.2.7 Controle por stol ativo ................................................................................................................... 25 2.3 AEROGERADOR ......................................................................................................................... 25 2.3.1 Conceito ....................................................................................................................................... 25 2.3.2 Ps .............................................................................................................................................. 26 2.3.3 Eixo .............................................................................................................................................. 27 2.3.4 Nacele .......................................................................................................................................... 27 2.3.5 Torre ............................................................................................................................................ 27 2.3.6 Caixa de engrenagens .................................................................................................................. 28 2.3.7 Gerador ........................................................................................................................................ 29 2.4 RUGOSIDADE ............................................................................................................................. 29 2.4.1 Conceito ....................................................................................................................................... 29 2.4.2 Rugosidade mdia Ra ................................................................................................................... 30 2.4.3 Rugosidade mdia quadrtica Rq .................................................................................................. 31 2.4.4 Rugosidade de profundidade mdia Rz .......................................................................................... 31 2.5 DETERMINAO DO NGULO DE PASSO E DO NMERO DE REYNOLDS .............................. 31 2.6 INFLUNCIA DA RUGOSIDADE NAS PS ELICAS ................................................................... 35 2.7 MOTOR ELTRICO ...................................................................................................................... 38 2.8 GERADOR ELTRICO ................................................................................................................. 41 2.9 MOTOR BRUSHLESS .................................................................................................................. 42

3 MATERIAIS E MTODOS ................................................................................................ 45 3.1 OS MOTORES ............................................................................................................................. 45 3.1.1 Motor Bosch de 200 W .................................................................................................................. 45 3.1.2 Motor Bosch de 1000 W ................................................................................................................ 46 3.1.3 Motor brushless Turnigy de 1900 W .............................................................................................. 47 3.1.4 Furadeira ...................................................................................................................................... 49 3.2 AS PS ELICAS RUGOSIDADE .............................................................................................. 53 3.3 MULTIPLICADOR DE VELOCIDADES .......................................................................................... 55 3.3.1 CVT.............................................................................................................................................. 56 3.3.2 Multiplicador planetrio ................................................................................................................. 59 3.3.3 Multiplicador de engrenagens ........................................................................................................ 60 3.3.4 Multiplicador de correia ................................................................................................................. 61 3.3.5 Multiplicador de corrente ............................................................................................................... 62

4 CONSTRUO DO PROTTIPO .................................................................................... 65 4.1 INTRODUO ............................................................................................................................. 65 4.2 CONSTRUO ............................................................................................................................ 65 4.2.1 Suportes ....................................................................................................................................... 65 4.2.2 Eixos ............................................................................................................................................ 68 4.2.3 Encaixe turbina e ps elicas ........................................................................................................ 74 4.2.4 Preparao para o teste de campo ................................................................................................ 75 4.2.5 Spinner ......................................................................................................................................... 79 4.2.6 Posicionamento para o teste de campo ......................................................................................... 82

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5 RESULTADOS E DISCUSSES ...................................................................................... 86 5.1 O MOTOR .................................................................................................................................... 86 5.1.1 Motor Bosch de 200 W .................................................................................................................. 86 5.1.2 Motor Bosch de 1000 W ................................................................................................................ 87 5.1.3 Motor brushless Turnigy de 1900 W .............................................................................................. 88 5.1.4 Caracterizao do motor brushless como gerador.......................................................................... 90 5.2 O CONJUNTO DE PS ................................................................................................................ 96 5.2.1 P de fibra de carbono .................................................................................................................. 96 5.2.2 P de fibra de vidro ....................................................................................................................... 96 5.2.3 Grficos e comparao ................................................................................................................. 96 5.3 TESTE DE CAMPO .................................................................................................................... 103

6 CONCLUSES E SUGESTES..................................................................................... 111 6.1 MOTOR ...................................................................................................................................... 111 6.2 PS COMPSITAS .................................................................................................................... 111 6.3 MULTIPLICADOR DE VELOCIDADES ........................................................................................ 112 6.4 TESTE DE CAMPO .................................................................................................................... 112 6.5 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................................................ 112

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................................. 115 ANEXOS ............................................................................................................................ 118

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LISTA DE FIGURAS

1.1 Evoluo mundial da capacidade elico-eltrica instalada, em GW ....................... 3 1.2 P do grupo A ............................................................................................... 7 1.3 P do grupo B ............................................................................................... 8 2.1 Distribuio global da mdia anual do potencial de energia elica para 2006 ........ 11 2.2 Mapa temtico de velocidade mdia anual de vento a 50 metros de altura ........... 12 2.3 Mapa temtico da velocidade mdia anual da regio Centro-Oeste ...................... 14 2.4 Fluxo de ar fluindo de uma rea transversal A .................................................. 15 2.5 Fluxo de vento atravs de uma turbina elica ................................................... 16 2.6 Exemplos de turbinas elicas de eixo horizontal e vertical .................................. 18 2.7 Exemplos de aerogeradores com turbinas tipo Darrieus ..................................... 19 2.8 Comparao das dimenses de um aerogerador com um Boeing 747-400 ............ 19 2.9 Escoamento de um fluido invscido em torno de um cilindro infinito..................... 20 2.10 Escoamento de um fluido viscoso em torno de um cilindro infinito ...................... 21 2.11 Escoamento em torno de um aeroflio............................................................. 21 2.12 Fluxo na seo da p de um rotor de uma turbina elica de sustentao.............. 22 2.13 Foras num objeto bidimensional submerso ..................................................... 23 2.14 Descolamento da camada limite em um escoamento em torno de um aeroflio .... 24 2.15 Principais componentes de um aerogerador ..................................................... 26 2.16 Empresa de produo de ps elicas em Albacete, Espanha ............................... 26 2.17 Eixo de uma turbina elica produzido pela empresa chinesa Zenkung .................. 27 2.18 Vista esquemtica do interior de uma nacele da empresa Nordex ....................... 27 2.19 Partes de torres de turbinas elicas sendo transportadas ................................... 28 2.20 Planta de montagem de transmisses para turbinas elicas da empresa Hansen ... 28 2.21 Manuteno de um gerador elico realizada pela empresa Hansen ...................... 29 2.22 Desenho esquemtico da rugosidade de uma superfcie arbitrria ....................... 30 2.23 Exemplos de valores tpicos de Ra de processos de usinagem ............................. 30 2.24 Exemplo de duas superfcies com mesmo valor de Ra, porm perfis diferentes...... 31 2.25 Cinco maiores distncias entre picos e vales de um dado comprimento ............... 31 2.26 Tringulo de velocidades na entrada de uma p elica....................................... 32 2.27 Grfico do nmero de Reynolds versus o raio do perfil correspondente ................ 35 2.28 Comparao entre o escoamento de um aeroflio com superfcie lisa e rugosa ..... 36 2.29 Comparao entre o grfico Clxa de aeroflios com superfcie lisa e rugosa .......... 37 2.30 Princpio bsico de rotao do eixo de um motor eltrico ................................... 39 2.31 Desenhos esquemticos mostrando o princpio do motor eltrico de Pacinotti ....... 40 2.32 Partes principais de um motor eltrico ............................................................. 41 2.33 Curva tpica de um gerador elico ................................................................... 42 2.34 Exemplo de controlador de velocidades de um motor brushless .......................... 43 2.35 Viso destacando as bobinas e os ms de neodmio do motor brushless.............. 44 3.1 Motor Bosch de 200 W .................................................................................. 45 3.2 Especificaes do motor Bosch de 200 W ......................................................... 46 3.3 Motor Bosch de 1000 W ................................................................................. 46 3.4 Especificaes do motor Bosch de 1000 W ....................................................... 46 3.5 Motor brushless da Turnigy de 1900 W ............................................................ 47 3.6 Especificaes do motor brushless da Turnigy de 1900 W .................................. 47 3.7 Esquema do funcionamento de uma ponte retificadora ...................................... 48 3.8 Conjunto das duas pontes retificadoras soldadas nos conectores ........................ 49 3.9 Resistncia de chuveiro utilizada no experimento .............................................. 50 3.10 Conjunto do conector, com a resistncia de 1 e a lmpada LED ....................... 51 3.11 Multmetros utilizados no experimento ............................................................ 52 3.12 Conjunto do Emeter II com a unidade remota de dados RDU ............................. 52 3.13 Ponta da furadeira com as fitas branca e preta ................................................. 53 3.14 Lado da p adotado como lado 1 e seus quadrantes .......................................... 54

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3.15 Lado da p adotado como lado 2 e seus quadrantes .......................................... 54 3.16 Rugosmetro utilizado nas medies das ps .................................................... 55 3.17 Foto da caixa de reduo de uma moto Scooter ................................................ 56 3.18 Seo transversal da polia dianteira de um CVT parada ..................................... 57 3.19 Seo transversal da polia dianteira de um CVT em alta rotao ......................... 57 3.20 Seo transversal da polia traseira de um CVT parada ....................................... 58 3.21 Seo transversal da polia dianteira de um CVT em alta rotao ......................... 58 3.22 Imagens mostrando partes de um CVT ............................................................ 59 3.23 Modelo PLF60 ............................................................................................... 60 3.24 Engrenagens e eixo de uma caixa de reduo do carro Palio Fire ........................ 61 3.25 Detalhe do conjunto de engrenagens de dente reto da caixa de reduo.............. 61 3.26 Conjunto de polias e correias compradas neste trabalho .................................... 62 3.27 Nacele projetada, com os conjuntos de coroa e catraca e o motor brushless ........ 64 3.28 Viso da nacele projetada .............................................................................. 64 4.1 Algumas das chapas compradas ..................................................................... 65 4.2 Rebarbas sendo retiradas com o esmeril e com a lixadeira ................................. 66 4.3 Uma das chapas sendo fresada e marcada para furar ........................................ 66 4.4 Suporte motor sendo furado e suporte eixo 1 sendo torneado ............................ 67 4.5 Cantoneira sendo cortada e furada.................................................................. 67 4.6 Suporte com a cantoneira sendo fresado e suporte motor pronto ........................ 67 4.7 Rebarba sendo limada e suporte eixo 1 pronto com rolamento ........................... 68 4.8 Um dos maiores lados da base sendo fresado para servir de referncia ............... 68 4.9 Eixo 3 com o pino para travar e detalhe da catraca conjunto 2 ........................... 69 4.10 Eixo 2 usinado .............................................................................................. 69 4.11 Detalhe do rasgo na coroa conjunto 2 e detalhe da chaveta no eixo 2 ................. 70 4.12 Corrente cortada no tamanho para engrenar na catraca e coroa conjunto 2 ......... 70 4.13 Bucha eixo 2 usinada e detalhe da catraca conjunto 1 ....................................... 71 4.14 Suporte turbina e suporte eixo 1 fixados chapa base para os suportes .............. 71 4.15 Eixo 1 usinado .............................................................................................. 72 4.16 Chapa base para os suportes com os rasgos e chapa guia .................................. 72 4.17 As trs correntes cortadas em comprimentos distintos para cada velocidade ........ 73 4.18 Rasgo de chaveta sendo fresado no eixo 1 e rasgo pronto ................................. 73 4.19 Buchas de nylon usinadas em diferentes tamanhos ........................................... 74 4.20 Uma das ps de fibra de carbono sendo furada na furadeira de coordenadas ........ 74 4.21 Encaixe turbina sendo alinhado furadeira de coordenadas ............................... 75 4.22 Encaixe turbina sendo nivelado ao eixo da broca da furadeira e sendo furado ....... 75 4.23 Estrutura em forma de calda de peixe e tubo de sustentao para a calda ........... 76 4.24 Aerogerador apoiado em uma superfcie para encontrar o centro de gravidade ..... 76 4.25 Estrutura tubular para fixao do cubo de roda que sustenta o aerogerador ......... 77 4.26 Cubo de roda fixado estrutura tubular e eixo hexagonal .................................. 77 4.27 Eixo hexagonal soldado na base e detalhes do eixo hexagonal............................ 78 4.28 Extenses de ao da base .............................................................................. 78 4.29 Caixa de ao para proteo dos componentes eletrnicos .................................. 79 4.30 Esfera e chapa de isopor na construo do spinner ........................................... 79 4.31 Materiais utilizados na marcao da chapa de isopor ......................................... 80 4.32 Corte da circunferncia marcada na chapa de isopor ......................................... 80 4.33 Semiesfera de isopor colada circunferncia cortada da chapa de isopor ............. 81 4.34 Barbantes encerados sendo unidos no centro da semiesfera de isopor ................. 81 4.35 Spinner com a camada de massa corrida j lixada ............................................ 82 4.36 Spinner finalizado e pronto para ser colocado no aerogerador ............................ 82 4.37 Estrutura tubular soldada torre e aterramento da torre ................................... 83 4.38 Base sendo fixada torre de sustentao ........................................................ 83 4.39 Aerogerador utilizado nesse projeto com todos os seus componentes .................. 85 5.1 Teste do motor Bosch de 200 W ..................................................................... 86 5.2 Teste do motor Bosch de 1000 W ................................................................... 87 5.3 Teste do motor brushless de 1900 W .............................................................. 88

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5.4 Grfico h x n do motor brushless com diferentes cargas ..................................... 94 5.5 Grfico Pele x n do motor brushless com diferentes cargas .................................. 95 5.6 Grfico da rugosidade Ra medida em cada regio da p de fibra de carbono ........ 97 5.7 Grfico da rugosidade Ra medida em cada regio da p de fibra de vidro ............ 97 5.8 Grfico da rugosidade Rz medida em cada regio da p de fibra de carbono ........ 98 5.9 Grfico da rugosidade Rz medida em cada regio da p de fibra de vidro............. 98 5.10 Grfico da rugosidade Rq medida em cada regio da p de fibra de carbono ........ 99 5.11 Grfico da rugosidade Rq medida em cada regio da p de fibra de vidro ............ 99 5.12 Grfico da mdia da rugosidade Ra medida em cada p................................... 100 5.13 Grfico da mdia da rugosidade Rz medida em cada p ................................... 100 5.14 Grfico da mdia da rugosidade Rq medida em cada p .................................. 100 5.15 Grfico das rugosidades mdias do lado 1 da p de fibra de carbono ................. 101 5.16 Grfico das rugosidades mdias do lado 2 da p de fibra de carbono ................. 101 5.17 Grfico das rugosidades mdias do lado 1 da p de fibra de vidro ..................... 102 5.18 Grfico das rugosidades mdias do lado 2 da p de fibra de vidro ..................... 102 5.19 Grfico da velocidade de vento em Braslia em um perodo de um ano e meio .... 104 5.20 Grfico da corrente produzida de 11 a 14 de Maio de 2012 .............................. 108 5.21 Grfico da corrente produzida de 21 a 23 de Junho de 2012 ............................ 109 4.1 Conjunto final, com a nacele, o motor, as ps elicas e a haste de sustentao .... 91

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LISTA DE TABELAS 1.1 Exemplos de turbinas elicas da empresa ENERCON .......................................... 2 2.1 Potencial elico-eltrico estimado do Brasil a uma altura de 50 metros ................ 13 2.2 Nmero de Reynolds calculado para diferentes perfis da p elica....................... 34 2.3 Resultados obtidos com experimento com aeroflios de superfcie lisa e rugosa .... 37 2.4 Comparao entre motor eltrico convencional e motor brushless ....................... 43 3.1 Especificaes da furadeira de bancada utilizada no experimento ........................ 49 3.2 Especificaes da Mitutoyo para medio de rugosidade de superfcie aperidicas . 55 3.3 Possveis taxas de multiplicao entre coroa e catraca ....................................... 56 4.1 Possveis taxas de multiplicao obtidas com os componentes do aerogerador ..... 84 5.1 Resultados da medio com o motor Bosch de 200 W ....................................... 86 5.2 Resultados da medio com o motor Bosch de 1000 W ...................................... 87 5.3 Resultados da medio com o motor brushless de 1900 W ................................. 88 5.4 Rendimentos de cada motor em funo das velocidades de rotao .................... 89 5.5 Resultados do motor brushless com resistncia de 0,5 ................................... 90 5.6 Resultados do motor brushless com resistncia de 1 ...................................... 91 5.7 Resultados do motor brushless com resistncia de 1,5 ................................... 91 5.8 Resultados do motor brushless com resistncia de 2 ...................................... 91 5.9 Resultados do motor brushless com resistncia de 3 ...................................... 92 5.10 Resultados do motor brushless com resistncia de 4 ...................................... 92 5.11 Resultados do motor brushless com resistncia de 5 ...................................... 92 5.12 Resultados do motor brushless com resistncia de 6 ...................................... 93 5.13 Velocidades para alcanar uma potncia de 200 W em funo das resistncias ..... 95 5.14 Rendimento do motor brushless para gerar 200 W com cada resistncia .............. 96 5.15 Dados obtidos com o teste de campo com uma taxa de multiplicao 1:9,14 ..... 105 5.16 Dados obtidos com o teste de campo com uma taxa de multiplicao 1:6,86 ..... 106 5.17 Resumo da captao de dados do aerogerador ............................................... 107 5.18 Principais componentes utilizados na construo e seus preos ........................ 110

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LISTA DE SMBOLOS

Smbolos Latinos a Fator de induo axial do rotor [-] a Fator de induo tangencial do rotor [-] A rea da seo transversal [m2] Ae rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na entrada do rotor elico [m2] As rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na sada do rotor elico [m2] c Corda do aeroflio [m] Ca Coeficiente de arrasto [-] Cp Coeficiente de potncia [-] Cl Coeficiente de sustentao [-] E Energia cintica do vento [J] Fluxo de energia [J/s] Fa Fora de arraste aerodinmico [N] Fc Fora de empuxo [N] Fl Fora de sustentao [N] h Altura da irregularidade [m] i Corrente produzida pelo aerogerador [A] if Corrente que entra na furadeira [A] im Corrente produzida pelo motor [A] L Comprimento [m] m Massa de ar [kg] m& Vazo mssica [kg/s] n Velocidade angular [rpm] P Potncia disponvel no vento [W] Pd Potncia dissipada por perdas no aerogerador [W] Pe Potncia disponvel no vento na entrada do rotor elico [W] Peixo Potncia de um eixo rotativo [W] Pele Potncia eltrica produzida pelo aerogerador [W] Pf Potncia consumida pela furadeira [W] Pm Potncia produzida pelo motor [W] Ps Potncia disponvel no vento na sada do rotor elico [W] Pt Potncia extrada do vento pela turbina elica [W] Q Vazo de ar que atravessa a turbina elica dentro do tubo de vazes [m3/s] r Raio [m] R Resistncia eltrica [] Ra Rugosidade mdia [m] Re Nmero de Reynolds [-] Rq Rugosidade mdia quadrtica [m] Rz Rugosidade de profundidade mdia [m] t Tempo [s] T Torque resultante [N.m] v Velocidade do vento livre antes da turbina [m/s] ve Velocidade do vento na seo do tubo de vazo na entrada da turbina [m/s] vs Velocidade do vento na seo do tubo de vazo na sada da turbina [m/s] V Tenso produzida pelo aerogerador [V] Va Velocidade do vento incidente sobre a p elica [m/s] Vf Tenso imposta na furadeira [V]

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Vm Tenso produzida pelo motor [V] Vrel Velocidade relativa entre o vento e a p elica [m/s] Vrot Velocidade de rotao da turbina elica [m/s] z Distncia entre pico e vale [m]

Smbolos Gregos ngulo de ataque [Graus] h Rendimento [%] ngulo de passo [Graus] Viscosidade dinmica do ar [Pa . s] r Massa especfica do ar [kg/m3] ngulo de fluxo [Graus] w Velocidade angular [rad/s]

Subscritos a arrasto c empuxo d dissipada e entrada da turbina eixo eixo rotativo ele eltrica f furadeira l sustentao m motor p potncia s sada da turbina t turbina elica

Sobrescritos Variao temporal

Siglas CRESESB Centro de Referncia em Energia Solar e Elica Srgio de Salvo Brito

1

1 INTRODUO

Este captulo apresenta os aspectos principais do aproveitamento da energia elica para gerao de energia eltrica, assim como sua importncia no mundo atual e seus desafios.

O nico lugar onde o sucesso vem antes do trabalho no dicionrio Albert Einstein

1.1 CONSIDERAES GERAIS

A idia de se aproveitar a energia provinda do vento de forma til ao proveito humano algo

antigo. Por muitos sculos, caravelas lanaram o homem aos mares e moinhos de vento ajudaram o

trabalho no campo, tudo movido pelo vento. O estudo da mecnica dos fluidos, mais especificamente

da aerodinmica, algo mais recente. Os estudos sobre aerodinmica de turbinas elicas tiveram seu

incio aps a Primeira Guerra Mundial, por Betz (1920) e Glauert (1935) e obtiveram um novo

impulso aps a crise energtica de 1973-1974 (De Vries, 1983).

Na dcada de 1970 e at meados da dcada de 1980, aps a primeira grande crise de preos do

petrleo, diversos pases inclusive o Brasil despenderam esforos em pesquisa sobre utilizao da

energia elica para gerao de energia eltrica. Data dessa poca, por exemplo, a turbina na DEBRA

100 kW, desenvolvida em conjunto entre os institutos de pesquisa aeroespacial do Brasil e da

Alemanha (DEBRA = Deutsche Brasileira).

Entretanto, foi a partir de experincias no mercado, realizadas na Califrnia (dcada de 1980),

Dinamarca e Alemanha (dcada de 1990), que o aproveitamento elio-eltrico atingiu escala de

contribuio mais significativa ao sistema eltrico, em termos de gerao e economicidade. O

desenvolvimento tecnolgico passou a ser conduzido pelas nascentes indstrias do setor, em regime de

competio, alimentadas por mecanismos institucionais de incentivo especialmente via remunerao

pela energia produzida. Caractersticas tambm marcantes desse processo foram: (a) devido

modularidade, o investimento em gerao eltrica passou a ser acessvel a uma nova e ampla gama de

investidores; (b) devido produo em escalas industriais crescentes, o aumento de capacidade

unitria das turbinas e novas tcnicas construtivas, possibilitaram redues graduais e significativas no

custo por kilowatt instalado e, conseqentemente, no custo de gerao. Este aumento de capacidade

unitria das turbinas pode ser melhor visualizado na tabela a seguir (Tab. 1.1), onde so mostrados

alguns exemplos de aerogeradores da fabricante ENERCON (ENERCON, 2011).

2

Tabela 1.1: Exemplos de turbinas elicas da empresa ENERCON (2011).

Modelo: E-33/330 kW

Potncia: 330 kW

Altura at o centro do rotor: at 50 m

Dimetro do rotor: 33,4 m

Material das ps: GRP (resina epxi)

Velocidade de rotao: 18 a 45 rpm

Modelo: E-82/2 MW

Potncia: 2 MW

Altura at o centro do rotor: at 138 m

Dimetro do rotor: 82 m

Material das ps: GRP (resina epxi)

Velocidade de rotao: 6 a 18 rpm

Modelo: E-82/3 MW

Potncia: 3 MW

Altura at o centro do rotor: at 138 m

Dimetro do rotor: 82 m

Material das ps: GRP (resina epxi)

Velocidade de rotao: 6 a 18,5 rpm

3

Modelo: E-126/7.5 MW

Potncia: 7,5 MW

Altura at o centro do rotor: 135 m

Dimetro do rotor: 127 m

Material das ps: GRP (resina epxi)

Velocidade de rotao: 5 a 11,7 rpm

O principal problema ambiental inicial impactos das ps em pssaros praticamente desapareceu

com as turbinas de grande porte e menores velocidades angulares dos rotores. Por se mostrar uma

forma de gerao praticamente inofensiva ao meio ambiente, sua instalao passou a simplificar os

minuciosos e demorados estudos ambientais, requeridos pelas fontes tradicionais de gerao eltrica,

bastando, em muitos casos, aos poderes concedentes, a delimitao das reas autorizadas para sua

instalao. Esse ltimo fato, aliado s escalas industriais de produo de turbinas, tornaram a gerao

elio-eltrica uma das tecnologias de maior crescimento na expanso da capacidade geradora. A Fig.

(1.2) apresenta a evoluo cumulativa da capacidade elio-eltrica instalada no mundo, at

31/12/2000.

Como exemplo, apenas na Alemanha densamente povoada foram adicionados 1665 MW elio-

eltricos no ano 2000, totalizando 6094,8 MW instalados naquele pas at 31/12/2000. Em 2000, o

incremento da capacidade elica tambm foi notvel na Espanha, ndia e China.

Figura 1.1: Evoluo mundial da capacidade elico-eltrica instalada, em GW (CRESESB, Fundamentos da Energia Elica, 2011).

4

A energia elica uma alternativa limpa e renovvel para produo de energia eltrica, o que vai

de encontro com as metas propostas pelo Protocolo de Kyoto, j que sua utilizao contribui para a

reduo da emisso de gases de efeito estufa, principalmente em pases cuja matriz energtica

predominantemente fssil. Diferentemente das usinas hidreltricas, as usinas elicas no provocam

desapropriaes de reas e remanejamento de pessoas. Alm disso, h compatibilidade entre a

produo de eletricidade a partir do vento e o uso de terra para a pecuria e a agricultura. Dessa forma,

a energia elica bem aceita no mbito social e ambiental.

Graas aos benefcios anteriormente citados, somados boa capacidade de extrao de energia

elica no Brasil, torna-se interessante e fundamental o estudo e desenvolvimento de aerogeradores de

pequeno porte, os quais a populao possa comprar a preos acessveis, com o objetivo de

complementar o abastecimento eltrico de suas residncias. Alm disso, uma boa soluo para locais

mais afastados de centros urbanos, onde o acesso rede eltrica seja mais difcil. Em pases

desenvolvidos, tais como Estados Unidos e alguns pases da Europa, o governo incentiva a populao

a utilizar alternativas renovveis de energia: caso uma residncia produza excedente de energia

eltrica, o proprietrio pode vender esse excedente, gerando, assim, uma fonte de renda complementar.

1.2 ESTADO DA ARTE

Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins e Ervin Bossanyi escreveram um livro sobre os

principais componentes de um aerogerador chamado Wind Energy Handbook (Burton, 2001). Nele, h

uma breve abordagem sobre a histria da converso de energia elica, juntamente com os

fundamentos bsicos da formao de ventos.

Um estudo sobre as cargas dinmicas em turbinas elicas de eixo horizontal foi realizado por A. C.

Hansen e C. P. Butterfield (Hansen e Butterfield, 1993), assim como a influncia de turbulncia nessas

cargas. Tambm abordada um pouco da histria sobre aerogeradores e o surgimento de certas

famlias de perfis para ps elicas, tais como NACA44xx e NACA230xx.

Otto De Vries (De Vries, 1983) estudou os tipos de turbina elica, abordando um pouco da histria

de seu surgimento, suas caractersticas aerodinmicas em escoamentos no turbulentos e o processo de

converso da energia elica em outras formas de energia.

Um estudo realizado no Laboratrio Nacional da Ris, Dinamarca (Johansen, 2008), pelos

pesquisadores Jeppe Johansen, Niels N. Srensen, Frederik Zahle, Shun Kang, Ilias Nikolaou,

Evangelos S. Politis, Panagiotis K. Chaviaropoulos e John Ekaterinaris, apresentou os efeitos na

aerodinmica de ps elicas quando impostos alguns efeitos, tais como controle de fluxo ativo,

geradores de vrtices, adio de tiras para modificar as caractersticas do aeroflio e adeso de fitas

rugosas para anlise do efeito da rugosidade no escoamento sobre ps elicas.

5

Bent Srensen (Srensen, 1995) estudou aspectos relacionados energia elica, tais como sua

histria, suas fontes, suas tecnologias, impactos ambientais, problemas na integrao de seus sistemas

e seus custos.

Povl Brndsted, Hans Lilholt, e Aage Lystrup, do Departamento de Pesquisas em Materiais do

Laboratrio Nacional da Ris, Dinamarca (Brndsted, 2005), estudaram o uso de materiais compsitos

em ps de turbinas elicas. O foco principal da anlise foi baseado em trs caractersticas bsicas que

o material de uma p elica deve ter: alta rigidez para manter desempenho aerodinmico timo, baixa

densidade para diminuir foras gravitacionais, e alta resistncia fadiga para reduzir degradao do

material.

Jens Nrkr Srensen, do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade Tcnica da

Dinamarca (Srensen, 2011), revisou uma vasta gama de pesquisas em aerodinmica no campo de

energia elica. A anlise da aerodinmica de turbinas elicas se baseia na modelagem e predio de

foras aerodinmicas e o formato de determinadas partes de aerogeradores, tais como a geometria das

ps do rotor.

Arvind Santhanakrishnan e James D. Jacob, da Universidade de Kentucky, Lexington, fizeram

experimentos com aeroflios (Santhanakrishnan e Jacob, 2004). Eles compararam o desempenho na

sustentao entre dois tipos principais de aeroflio: um totalmente liso e o outro com uma superfcie

rugosa. Essa rugosidade imposta superfcie foi controlada, aumentando o desempenho do aeroflio

em comparao com o totalmente liso.

F. Rasi Marzabadi, M.R. Soltani e M. Masdari, da Universidade de Tecnologia Sharif, Instituto de

Pesquisas Aeroespaciais, Tehr, Ir, analisaram a modificao do desempenho de aeroflios quando o

efeito de rugosidade imposto ao bordo de ataque (Marzabadi, 2010). Verificaram que o desempenho

cai consideravelmente, de 20 a 40 %.

R P.J.O.M. van Rooij e W. A. Timmer, do Instituto de Pesquisas em Energia Elica da

Universidade Delf, Holanda, analisaram o desempenho de diferentes tipos de aeroflio, dentre eles o

NACA (Van Rooij, 2003). Depois, impuseram rugosidades na superfcie do bordo de ataque de cada

tipo de aeroflio e verificaram a alterao do desempenho.

Antonio C. P. Brasil Junior, do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de

Braslia, e Robert Rey, da Escola Superior de Artes e Medidas, desenvolveram um procedimento para

estimar as perdas em motores eltricos universais (Junior, 2005). Neste artigo, eles mostram

precisamente uma metodologia para avaliar a eficincia de pequenas turbo-mquinas por uma

estimativa real do fornecimento de potncia a um eixo. Eles identificaram os componentes de perdas

de um motor, e desenvolveram um experimento prtico para quantificar essas perdas.

Fernando D. Bianchi, Ricardo J. Mantz e Hernn De Battista, do Departamento de Engenharia

Eltrica da Universidade Nacional de La Plata, estudaram tipos de sistemas de controle para turbinas

6

elicas (Bianchi, 2007), incluindo uma abordagem sobre as converses de energia que ocorrem entre a

interao do vento com as ps elicas.

No Departamento de Engenharia Mecnica (ENM) da Universidade de Braslia, houve a

construo de dois tipos diferentes de ps elicas. A primeira foi baseada em resina epxi reforada

com fibra de carbono (Grupo A), e a segunda, com fibra de vidro (Grupo B). Abaixo segue uma

descrio de como cada grupo foi construdo.

1.2.1 Grupo A: Fibra de Carbono Este primeiro grupo de ps foi feito por tcnicos especializados (Sousa e Oliveira, 2010). A

fabricao das ps descrita abaixo:

1. Definiu-se o perfil a ser usado, sendo escolhido o perfil NACA 63-215 da srie 6.

2. Desenhou-se no programa de CAD SolidWorks 2007 o corpo da p, com as dimenses

definidas em projeto.

3. Desenvolveu-se um par de moldes fmea em madeira pela empresa TIPO D em Joinville

SC.

4. Com este molde, construiu-se um molde macho em fibra de vidro, j que com o de madeira

no se conseguem realizar muitas laminaes.

5. Com o molde macho, construram-se os moldes fmea tambm de fibra de vidro.

6. Antes da laminao, os ncleos de poliuretano foram produzidos no interior dos moldes

fmea, extrados e lixados para compensar a espessura do laminado de carbono/epxi na etapa

seguinte.

7. Fabricaram-se as trs ps em fibra de carbono, laminando-se o carbono/epxi sobre o

poliuretano e consolidando-os dentro dos moldes fmea.

8. Fez-se um furo em cada p para colocar o poliuretano, a fim de preencher o interior, e

encaixar uma haste de alumnio.

Com estas etapas, o produto obtido foram trs ps de fibra de carbono, conforme figura abaixo. O

custo das trs ps ficou em R$550,00.

7

Figura 1.2: P do grupo A.

1.2.2 Grupo B: Fibra de Vidro Este segundo grupo de ps foi feito por Antenor Timo Pinheiro de Almeida e Micael Martins da

Silva (2011), alunos tambm de engenharia mecnica da Universidade de Braslia em seu Projeto

Final. As etapas de fabricao so descritas a seguir:

1. Utilizou-se o mesmo molde do grupo A para laminao.

2. Devido ao desgaste deste molde, foi aplicada massa plstica sobre a superfcie do molde e

depois lixada, na tentativa de retirar possveis imperfeies.

3. Utilizando a matriz fabricada pela RECHHOLD, modelo Polylite 10228-10, e um

catalisador MEKP fabricado pela MAXI RUBBER, modelo MB-005, os prprios alunos

Antenor e Micael laminaram cada lado das ps, como se fossem cascas.

4. Depois de ter laminado cada lado das ps, juntou-se de duas em duas, laminando suas

junes entre esses lados com mais fibra de vidro e resina.

5. Preencheram-se os ncleos das ps com espuma de poliuretano, expandindo-a dentro das

cascas.

6. Realizou-se um furo, semelhante ao grupo anterior, para fixao da barra de sustentao.

7. Para acabamento das ps, lixou-se cada p e depois uma demo de tinta branca e duas de

tinta preta foram aplicadas.

O resultado obtido foram trs ps como a mostrada a seguir. O custo das trs ps ficou em

aproximadamente R$400,00.

8

Figura 1.3: P do grupo B.

1.3 OBJETIVOS DO TRABALHO

Seja por diminuio da poluio ambiental causada pela queima de combustveis fsseis, ou seja

pela previso de que um dia as fontes desses combustveis iro se exaurir, a busca por energias

alternativas cresce a cada dia em importncia no mbito internacional. No Brasil, alm desses fatores,

ainda existem diversas residncias em que o fornecimento de energia eltrica impossibilitado ou de

difcil acesso, tais como em lugarejos no interior da Amaznia ou pequenos municpios no interior do

Nordeste.

Assim, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um aerogerador de pequeno

porte que vise o fornecimento de energia eltrica a residncias comuns, com potncia eltrica esperada

de 200 W. Foi adotada esta potncia como referencial para os clculos deste projeto, com o objetivo

de manter o efeito comparativo considerando as mesmas condies de potncia adotadas nos trabalhos

de graduao anteriores, apresentados na Universidade de Braslia. Alm de ser de fcil instalao, um

aerogerador no exige componentes complexos para sua utilizao. A energia produzida pode ser

acoplada, por meio de um inversor, diretamente rede eltrica, ou ento ser utilizada para carregar

uma bateria, como, por exemplo, a bateria de um carro.

Aps o desenvolvimento do projeto de aerogerador (incluindo os trs componentes: nacele, ps e

gerador), objetiva-se realizar um teste de campo, a fim de verificar na prtica o potencial de gerao de

energia eltrica deste aerogerador projetado. Todas as consideraes sero feitas tomando-se como

referncia o vento mdio de Braslia-DF a uma altitude de 10 metros.

1.4 METODOLOGIA

Devero ser analisados e projetados os trs principais componentes de um aerogerador: a turbina, a

nacele e o gerador. Primeiramente sero analisados dois conjuntos de ps elicas, um composto por

ps de fibra de carbono (Grupo A), e o outro por ps de fibra de vidro (Grupo B). O foco da anlise

9

ser verificar qual conjunto possui o melhor desempenho, a fim de ser utilizado na turbina do

aerogerador.

A segunda etapa ser analisar e comparar o desempenho na gerao de energia eltrica de trs

motores eltricos distintos: motor Bosch de 200 W, motor Bosch de 1000 W e motor brushless da

Turnigy de 1900 W. O parmetro de comparao ser o rendimento de cada motor quando gerando

200 W de potncia eltrica.

A terceira etapa ser de projetar um multiplicador capaz de aumentar a velocidade de rotao do

eixo da turbina para o eixo do motor, com a maior eficincia possvel. Posteriormente, essa caixa

multiplicadora dever ser construda, acoplando-a na nacele juntamente com o motor escolhido e o

conjunto de ps adequado. Por fim, todo o conjunto ser posto em campo para teste.

10

2 REVISO DA LITERATURA

Este captulo apresenta uma breve introduo terica de todos os fundamentos bsicos necessrios para uma melhor compreenso do estudo realizado neste trabalho.

Toda a sabedoria vem do Senhor Deus, ela sempre esteve com Ele. Ela existe antes de todos os sculos. Quem pode contar os gros de areia do mar, as gotas de chuva, os dias do tempo? Eclo 1,1-2.

2.1 O VENTO

2.1.1 Conceito Para a cincia, a origem fundamental dos ventos a diferena de presso que se forma entre

regies vizinhas da atmosfera. Mas difcil empregar esta explicao to realista quando se observa a

forma curiosa de um carvalho ou pinheiro inclinado quase at o solo pelos caprichos do vento. Ou

quando se nota que mesmo as rochas mais duras adquirem formatos estranhos, como os de um gigante

adormecido ou grotescos sacos de batatas, arcos enormes ou templos imensos, sob a ao constante

das correntes areas (Universo, 1973).

Ano aps ano, durante milnios, o vento vem lanando contra as rochas nfimas partculas de

poeira, pedrinhas, lascas de granito, areia. Esses minsculos projteis vo provocando, pouco a pouco,

pequenos arranhes na superfcie rgida das rochas. Quando a chuva elimina esses detritos

acumulados, a pedra j corroda volta a sofrer a corroso do vento: um trabalho sem trguas e sem

descanso (Universo, 1973).

Diante dessa perseverana, os homens tentaram em vo proteger suas obras. Uma das vtimas mais

famosas do vento , certamente, a esfinge de Giseh, no Egito. Passados tantos sculos, a imensa

construo continua, no meio do deserto, a contar a histria do esplendor de um povo. Mas, embora

com a dignidade de outrora, adquire um ar um tanto melanclico por causa do nariz que o vento levou

(Universo, 1973).

O meteorologista holands Buvs-Ballot (1817-1890) estabeleceu que as massas gasosas se

deslocam sempre das zonas de alta presso para as de baixa presso. Quando numa rea da atmosfera

h ar quente, tem-se uma zona de baixa presso. Ao contrrio, se o ar frio, a zona de alta presso.

Como o ar quente tem menos densidade que o frio, ele tende a subir para as camadas mais altas da

atmosfera. Seu lugar ento ocupado por uma quantidade correspondente de ar frio, mais pesado. O

deslocamento desse ar, das zonas de alta presso para as de baixa presso, origina o vento.

Na atmosfera, h uma constante circulao de correntes areas que se dirigem para os pontos de

presso mais baixa, isto , para as zonas aquecidas pelos raios solares. Na linha do equador, por

exemplo, estes raios caem perpendicularmente e o ar adquire altas temperaturas. Neste caso, a massa

11

de ar quente eleva-se num movimento vertical, fazendo nascer uma zona de calma, constantemente

aquecida, onde no h ventos. a calmaria, que tanto preocupava os marinheiros que navegavam

vela.

A transmisso dos efeitos dessas correntes da alta atmosfera em contato com a litosfera e a

hidrosfera se faz por intermdio do acmulo desigual de ar nos sistemas de alta e de baixa presso. O

vento apresenta-se como um escoamento do ar das zonas de alta presso para as zonas de baixa

presso. Contudo, esse escoamento desviado pela fora de Coriolis, resultado do efeito da rotao da

Terra sobre os movimentos dos fluidos na superfcie do globo. O vento resultante tanto mais rpido

quanto maior for a diferena de presso: essa diferena, chamada gradiente, medida em milibares ou

em milmetros de mercrio no barmetro. As reas de alta presso tm o nome de anticiclones, e as de

baixa presso, de ciclones.

A velocidade do vento exprime-se em quilmetros por hora ou em metros por segundo. Os ventos

muito violentos, sobretudo no caso dos ciclones tropicais, podem soprar a mais de 200 km/h. Os

navegadores exprimem igualmente a fora do vento utilizando a escala de Beaufort, graduada de 1 a 8.

2.1.2 O vento no mundo Por seus mltiplos efeitos, o vento constitui um dos fatores geogrficos de uma regio ou de um

pas. Em primeiro lugar, o vento um agente modelador do relevo, por sua capacidade de transporte e

de ataque. Empurra as ondas contra as fachadas continentais mais diretamente expostas aos ventos

dominantes, deixa o mar espalhar seus detritos nas enseadas, onde sua violncia amortece. Carregado

de gros de areia e de borrifos, ri as falsias e os relevos acessveis, constri, modela e desloca as

dunas nas costas arenosas e nos desertos, espalha a poeira fornecida pelas praias, os detritos glacirios

ou a demolio fsico-qumica das rochas.

Figura 2.1: Distribuio global da mdia anual do potencial de energia elica (W/m2) para o ano de 2006 (Lu, 2011).

Como pode ser visto na figura acima (Fig. 2.1), no panorama mundial, o Brasil um pas com

potencial elico intermedirio, quando comparado a outros pases. Seu potencial maior na regio

Nordeste, onde a velocidade do vento propcia ao aproveitamento da energia elica em larga escala.

12

No anexo A so mostrados os parques elicos instalados no Brasil, podendo-se notar que a grande

maioria est localizada na regio Nordeste. O litoral do Rio Grande do Sul tambm bastante

favorvel, assim como o litoral norte do estado do Rio de Janeiro. Tudo isso pode ser visto no Atlas do

Potencial Elico Brasileiro da Fig. (2.2).

Figura 2.2: Mapa temtico de velocidade mdia anual de vento a 50 metros de altura (CRESESB, Atlas do Potencial Elico Brasileiro, 2001).

Dados colhidos pela CRESESB (Centro de Referncia em Energia Solar e Elica Srgio de Salvo

Brito) mostram uma mdia anual dos ventos sobre todo o territrio brasileiro divida em regies, na

resoluo de 1km x 1km. Esses dados so exibidos na tabela a seguir (Tab. 2.1).

13

Tabela 2.1: Potencial elico-eltrico estimado do Brasil a uma altura de 50 metros, calculado por integrao de reas nos mapas temticos (CRESESB, Anlise do Potencial Elio-Eltrico Estimado no Brasil, 2001).

Com esses dados podemos ver que o Brasil um lugar propcio captao de energia elica, com

ventos mdios superiores a 7 metros por segundo. Para a regio Centro-Oeste, onde est localizado o

Distrito Federal, a rea cumulativa correspondente a esta mdia (1541 km2) consideravelmente

menor que a das outras regies do Brasil. O mapa elico para a regio Centro-Oeste exibido a seguir

(Fig. 2.3).

14

Figura 2.3: Mapa temtico da velocidade mdia anual da regio Centro-Oeste, a uma altura de 50 metros (CRESESB, 2001)

Contudo, todas essas mdias so calculadas para uma altura de 50 metros. Alm disso, pela Tab.

(2.1) se pode notar que a rea cumulativa que possui velocidades de vento mdias acima de 7,5 metros

por segundo consideravelmente menor na regio centro-oeste em relao s outras reas do Brasil. A

anlise deste trabalho feita a uma altura de no mximo 15 metros, em Braslia-DF, capital federal do

Brasil, cuja regio est localizada no centro-oeste brasileiro. Assim, deve-se projetar um aerogerador

capaz de trabalhar a velocidades de vento inferiores a 7 metros por segundo, muitas vezes no

passando de 4 metros por segundo, ou seja, uma das grandes preocupaes neste trabalho ser de no

exigir demasiado torque da turbina para produo de energia eltrica no gerador.

2.1.3 O vento como fonte de energia Energia elica a energia cintica do ar em movimento, o vento. O principal objetivo das turbinas

elicas transformar esta energia cintica em eltrica. Vamos imaginar um cilindro imaginrio como

representado na Fig. (2.4). A energia cintica da massa de ar m, movendo-se velocidade v : = . (1)

15

Figura 2.4: Fluxo de ar fluindo de uma rea transversal A (Custdio, 2007).

A potncia P disponvel no vento definida como a derivada da energia no tempo (mostrada na

Eq. 1), dada por: = = = . (2) O fluxo de massa dado por: = . (3) Portanto, substituindo a Eq. (3) na Eq. (2), temos que a potncia disponvel no vento que passa

pela seo A, transversal ao fluxo de ar, dada por: = . (4) A Eq. (4) a mais importante para a anlise de energia elica e pode ser escrita por unidade de

rea, definindo, desta forma, a densidade de potncia DP = = = . (5) A Eq. (5) indica a potncia disponvel no vento por unidade de rea, em funo da velocidade do

vento v e da massa especfica do ar no local. Esta massa especfica do ar varia em funo da temperatura e da presso atmosfrica, ou seja, varia com a altitude. Em condies meteorolgicas

padro, isto , 15 oC e 1013 hPa, a massa especfica do ar 1,225 kg/cm2. Outro ponto a se ressaltar na Eq. (5) o fato da potncia do vento ser fortemente influenciada por sua velocidade.

2.1.4 Extraindo potncia do vento A figura a seguir mostra o fluxo de ar atravs de uma turbina elica de eixo horizontal. A vazo de

ar pode ser representada pelo tubo de vazo mostrado na Fig. (2.5).

16

Figura 2.5: Fluxo de vento atravs de uma turbina elica (Custdio, 2007).

Pela equao de Bernoulli, conclui-se que a vazo de fluido constante para diferentes

localizaes ao longo do tubo de vazo, considerando-se que no h fluxo de massa atravs dos limites

do tubo de vazes e assumindo-se que a massa especfica do ar constante, o que vlido para

velocidades do vento menores que 100 m/s (fluido incompressvel). Assim tem-se que a vazo dada

por: = = = (6) A turbina elica provocar a reduo da velocidade do vento na sada do rotor ao converter a

energia cintica do vento em energia eltrica. Isso resultar no aumento do dimetro do tubo de vazes

de acordo com a Eq (6).

A potncia do vento extrada pela turbina elica a diferena de potncia entre o fluxo de ar na

entrada e na sada do rotor elico, ou seja, = . Existe um limite terico para a potncia que a turbina consegue extrair do vento. Esse limite

representa 16/27 = 59,3% da potncia disponvel do vento antes de interagir com as ps. Tal valor

chamado de Mximo de Betz, ou Coeficiente de Betz. Contudo, esse limite s alcanado por uma

turbina ideal. Para turbinas reais, somente ocorrer a extrao de parte deste mximo, uma vez que h

perdas aerodinmicas na converso da energia elica.

O coeficiente de potncia Cp indica a relao entre a potncia realmente extrada do vento por uma

turbina elica e a potncia disponvel no vento, ou seja: = . (7) O coeficiente de potncia Cp de uma turbina elica varia de acordo com a velocidade do vento.

Esta variao deve-se ao fato das ps do rotor da turbina alterarem suas eficincias aerodinmicas em

funo da variao da velocidade do vento incidente. Assim sendo, existe um mximo Cp da turbina

em uma determinada velocidade do vento.

17

Dessa maneira, a partir da Eq (7), pode-se reescrever a potncia de uma turbina elica da seguinte

forma: = . (8) No caso do aerogerador estudado neste trabalho, a potncia da turbina ser transferida para um

eixo, que acionar um gerador eltrico, produzindo, desta forma, energia eltrica. A potncia eltrica

Pele produzida ser a potncia dissipada Pd (por perdas do sistema) subtrada da potncia da turbina,

podendo ser escrita como = . A potncia eltrica produzida dada por: = . (9) Sabe-se tambm que a resistncia eltrica dada por: = . (10) Dessa forma, substituindo a Eq. (10) na Eq. (9), obtm-se a Eq. (11): = (11) 2.2 TURBINAS ELICAS

2.2.1 Conceito Turbinas elicas so mquinas projetadas para converter a potncia do vento em potncia

mecnica, para realizao de trabalho ou converso em energia eltrica. H indicativos de uso do

vento para moagem de gros e elevao da gua pelos egpcios, por volta de 3000 AC. Os primeiros

registros de uso do vento no acionamento de mquinas datam aproximadamente de 300 AC na China,

e de 200 AC na antiga Prsia.

Existem dois tipos principais de famlias de turbinas elicas: as de eixo vertical e as de eixo

horizontal. Ambas podem utilizar a fora de arraste ou a fora de sustentao produzidas pelo vento

para se movimentarem. Na figura abaixo (Fig. 2.6) so mostrados alguns exemplos conhecidos de

turbinas.

18

Figura 2.6: Exemplos de turbinas elicas de eixo horizontal e vertical (Custdio, 2007).

2.2.2 Turbinas de eixo vertical Como o nome indica, este tipo de turbina possui seu eixo perpendicular direo do vento, no

necessitando, portanto, de mecanismos direcionais. As turbinas Darrieus e Savonius so exemplos

deste tipo de turbina.

As turbinas Savonius so movidas predominantemente por foras de arrasto, embora desenvolvam

alguma sustentao. Tem relativamente alto torque de partida, embora em baixa velocidade, sendo

usada no bombeamento e moagem. Possui uma grande rea para interceptar o vento, o que significa

mais material e problemas com a fora do vento para grandes velocidades. Sua maior vantagem a

facilidade de construo.

J a turbina Darrieus, desenvolvida em 1927 pelo francs G.J.M Darrieus, movida basicamente

por foras de sustentao. Podem atingir alta velocidade, mas o torque de partida aproximadamente

nulo. Assim, so mais utilizadas para gerao de energia eltrica, movendo-se mais rpido do que o

vento. Uma grande vantagem que o aerogerador montado no solo, facilitando a montagem e

manuteno. Abaixo so mostradas algumas fotos (Fig. 2.7) deste tipo de turbina.

19

Figura 2.7: Exemplos de aerogeradores com turbinas tipo Darrieus (UFPE, 2011)

2.2.3 Turbinas de eixo horizontal Este tipo de turbina o mais usado atualmente, especialmente nas instalaes de maior potncia

para produo de energia eltrica. Seu rotor possui eixo horizontal, precisando se manter

perpendicular direo do vento para capturar o mximo de energia. O gerador instalado no alto,

junto turbina. Um exemplo mostrado na figura a seguir (Fig. 2.8). Este tipo de turbina ser

estudado em maiores detalhes neste projeto.

Figura 2.8: Comparao das dimenses de um aerogerador de turbina de eixo horizontal de 2,5 MW com um Boeing 747-400 (UFPE, 2011).

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2.2.4 Turbinas de arraste So aquelas em que o vento empurra as ps, forando o rotor a girar. Ao se chocar contra as ps e

fluir sobre as mesmas, o vento provocar o surgimento de uma fora de arraste, a qual dada por = , onde a massa especfica do fluido, v a velocidade do escoamento no perturbado, A a rea projetada do aeroflio no plano perpendicular direo do escoamento e Ca o coeficiente

de arrasto, o qual pode ser obtido experimentalmente ou atravs de simulaes numricas.

Simplificadamente, o vento incide na p e sua desacelerao resulta no surgimento de uma fora

de arraste, que agir perpendicularmente superfcie da p, empurrando-a. O coeficiente de arrasto Ca

depende da forma da p, variando de acordo com sua configurao e dimenses, sendo que geralmente

apresenta valores inferiores a 2,0.

Neste tipo de turbina, a velocidade das ps no pode exceder a velocidade do vento, o que limita

sua eficincia. Por esse motivo so normalmente utilizadas para bombear pequenos volumes de gua

com ventos de baixa velocidade. Apresentam potncia em torno de 0,5 kW para um rotor com

dimetro da ordem de 5 metros.

2.2.5 Turbinas de sustentao Este tipo de turbina usa aeroflios como ps, seguindo o mesmo princpio da sustentao que

acontece na asa de um avio. A figura a seguir (Fig. 2.9) mostra o escoamento de um fluido invscido

em torno de um cilindro teoricamente infinito. Tal cilindro um corpo rombudo, sendo o contrrio de

um corpo aerodinmico.

Figura 2.9: Escoamento de um fluido invscido em torno de um cilindro teoricamente infinito (Van Dyke, 1982).

A direo do escoamento nesta imagem da esquerda para a direita. Esta figura mostra como seria

o escoamento em torno de um cilindro de acordo com a teoria potencial, a qual despreza a viscosidade

do fluido. Dessa forma no h diferena entre o escoamento antes e depois do cilindro, e o atrito de

presso, portanto, no existe.

v

21

Figura 2.10: Escoamento de um fluido viscoso em torno de um cilindro teoricamente infinito (Van Dyke, 1982).

J a Fig. (2.10) mostra um escoamento mais realista em torno do cilindro, considerando a

viscosidade do fluido como no-nula e o fluxo da esquerda para a direita. No gradiente favorvel de

presso, ou seja, enquanto o fluido est percorrendo a metade esquerda do cilindro, o fluido est

acelerando e sua presso diminuindo. Contudo, no gradiente adverso de presso, isto , na metade

direita do cilindro, o fluido est sendo desacelerado. Essa desacelerao se d de maneira caracterstica

dentro da camada limite, produzindo o que se denomina capotamento do escoamento. Com esse

capotamento, a camada limite descola do cilindro, o que produz uma esteira de vrtices atrs do

mesmo, fato que pode ser visto nitidamente na figura em anlise.

Essa esteira de vrtices uma regio de muito baixa presso, o que produz uma diferena de

presso entre a metade esquerda do cilindro e a direita. Essa diferena de presso produz o arrasto de

presso, que tende a deslocar o cilindro para a direita. Caso o cilindro se desloque para a esquerda e o

fluido permanea com velocidade nula, essa diferena de presso tambm ir existir e tender a

desacelerar o cilindro. Alm deste arrasto de presso, entre a superfcie do cilindro e o fluido existe o

atrito viscoso. O atrito viscoso a parte do arrasto que provocada pela tenso de cisalhamento que o

fluido escoando provoca sobre o objeto (Munson, 2004).

Para evitar esse descolamento da camada limite e, consequentemente, o surgimento desse arrasto

de presso, se utiliza corpos aerodinmicos, como o perfil de uma asa de avio ou de uma p elica

aerodinmica. O escoamento em torno de um aeroflio alinhado com o escoamento mostrado na

figura a seguir (Fig. 2.11).

Figura 2.11: Escoamento em torno de um aeroflio (NASA, 2011).

Devido ao fato de ser um corpo aerodinmico, o escoamento em torno do perfil mais suave, no

ocorrendo o descolamento da camada limite. Portanto, o arrasto de presso minimizado, restando o

atrito viscoso. Neste perfil mostrado, o escoamento passa livremente por baixo do aeroflio. Contudo,

parte do fluido tem de subir sobre a parte de cima e depois descer.

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Figura 2.12: Fluxo na seo da p de um rotor de uma turbina elica de sustentao (Custdio, 2007).

Quando um corpo se move atravs de um fluido, h uma interao entre o corpo e o fluido. Esta

interao pode ser descrita por foras que atuam na interface fluido-corpo. Estas foras, por sua vez,

podem ser escritas em funo da tenso de cisalhamento na parede, provocada pelos efeitos viscosos, e

da tenso normal que devida a presso.

Um aeroflio um dispositivo dedicado a produzir sustentao, sendo, portanto, projetado de

modo que a distribuio de presso na superfcie inferior do dispositivo seja diferente daquela na

superfcie superior. As asas dos avies (tais como as ps elicas utilizadas neste trabalho), por

exemplo, so modeladas e posicionadas especificamente para gerar sustentao com um mnimo de

arrasto (engel, 2007).

Pela Fig. (2.12), pode-se verificar que o campo de presso do escoamento acelera o fluido na parte

superior do aeroflio. Pela equao de Bernoulli, constata-se que a presso, portanto, diminui nesta

regio. Dessa forma, as distribuies de presso e de tenso cisalhante na superfcie do aeroflio,

como ilustra a Fig. (2.13), so tais que geram uma fora resultante. A componente da fora resultante

que atua na direo do escoamento denominada fora de arrasto, Fa (Fig. 2.12), e a que atua na

direo normal ao escoamento denominada fora de sustentao, Fl (Munson, 2004).

Os dispositivos geradores de sustentao mais comuns (tais como ps elicas, aeroflios de carros

e de avies, etc.) operam numa faixa larga de nmero de Reynolds na qual o escoamento apresenta

camada limite (os efeitos viscosos ficam confinados nas camadas limite e na esteira). A maior parte da

sustentao devida a distribuio de presso na superfcie (Munson, 2004).

Fl

Fc

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Figura 2.13: Foras num objeto bidimensional submerso: (a) fora de presso, (b) fora viscosa e (c) foras de arrasto e sustentao (Munson, 2004).

O aeroflio tipicamente dividido em bordo de ataque (parte frontal por onde o fluido incide) e

bordo de fuga (parte posterior por onde o fluido deixa de ter contato com o aeroflio). A corda de um

aeroflio (ilustrada na Fig 2.12 como uma linha tracejada) definida como a linha imaginria que

passa pelo bordo de ataque e o bordo de fuga desse aeroflio. O ngulo de ataque o ngulo entre a

corda de um aeroflio e a direo da velocidade do fluido incidente.

O aeroflio simtrico no pode gerar sustentao a menos que o ngulo de ataque seja no-nulo.

Para aeroflios assimtricos, as distribuies de presso nas superfcies superior e inferior so

diferentes e uma sustentao produzida, mesmo que o ngulo de ataque seja nulo. Ao aumentar o

ngulo de ataque do aeroflio (simtrico ou assimtrico), o fluido que escoa pela parte superior mais

intensamente acelerado, intensificando os gradientes de presso em torno do aeroflio, o que aumenta

a fora de sustentao. Na prtica de engenharia, a fora de sustentao calculada como = , em que A a rea projetada do aeroflio no plano paralelo direo do escoamento e Cl o coeficiente de sustentao, o qual pode ser obtido experimentalmente ou atravs de simulaes

numricas.

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Figura 2.14: Descolamento da camada limite em um escoamento em torno de um aeroflio com elevado ngulo de ataque (MIT, 2003).

Se aumentarmos ainda mais o ngulo de ataque, como mostrado na Fig. (2.14), o gradiente de

presso adverso ser muito intenso e a camada limite ir descolar do aeroflio. Isso produzir uma

regio turbulenta, vista atrs do aeroflio mostrado na figura. Consequentemente o arrasto de presso

ir aumentar muito mais fortemente do que a sustentao, ou seja, o aeroflio perder sustentao.

Esse o princpio de funcionamento simplificado de uma turbina de sustentao. Neste trabalho,

estudam-se turbinas de sustentao e de eixo horizontal, pois essas representam a vasta maioria das

mquinas elicas bem-sucedidas, tanto antigas quanto modernas.

Cada turbina elica possui uma velocidade de rotao ideal para trabalhar, na qual a potncia

extrada do vento mxima. Alm disso, caso se exceda sua velocidade limite, a turbina pode vir a se

danificar, interrompendo o seu uso. Para manter a turbina funcionando no melhor regime possvel,

existem trs tipos principais de controle de potncia e de velocidade: controle por stol, controle de

passo e controle por stol ativo.

2.2.6 Controle por stol um sistema passivo que reage velocidade do vento. As ps do rotor so fixadas e no podem

ser giradas em torno de seu eixo longitudinal. O ngulo de passo, ou seja, o ngulo de ataque do

aeroflio em relao ao fluxo de ar escolhido de tal maneira que, para velocidades de ventos maiores

que a nominal, o fluxo em torno do perfil da p do rotor se descola da superfcie (o que se denomina

stol, como visto anteriormente). Isto reduz a fora de sustentao e aumenta a de arrasto, controlando a

potncia e a velocidade de sada da turbina.

So turbinas mais simples do que as com controle de passo, possuindo como vantagens a

inexistncia de sistemas de controle de passo, estrutura de cubo do rotor simples, menos manuteno

devido a um nmero menor de peas mveis e auto-controle da potncia. Este o tipo de controle

utilizado nas turbinas deste trabalho.

2.2.7 Controle de passo um sistema de controle ativo, que necessita de um sinal do gerador de potncia. Sempre que a

potncia nominal do gerador for ultrapassada, devido ao aumento das velocidades do vento, as ps do

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rotor sero giradas em torno de seu eixo longitudinal, mudando o ngulo de passo para aumentar o

ngulo de ataque do fluxo de ar. Isso diminui as foras aerodinmicas atuantes e a extrao de

potncia do vento pela turbina.

A tentativa na mudana do ngulo de ataque encontrar o ponto ideal em que a turbina produza a

potncia nominal. Este tipo de controle, apesar de mais complexo, possui algumas vantagens, tais

como: permitem controle de potncia ativa sob todas as condies de vento, podem alcanar a

potncia nominal mesmo sob condies de baixa massa especfica do ar (como em grandes altitudes e

altas temperaturas), possuem maior produo de energia sob as mesmas condies sem diminuio da

eficincia na adaptao ao stol da p, entre outras.

2.2.7 Controle por stol ativo O sistema de controle de potncia e velocidade hbrido, mesclando os controles por estol e de

passo, chamado de estol ativo. Neste caso, o rotor girado de forma que as ps atinjam uma menor

sustentao, girando em ngulos bem inferiores s turbinas com controle de passo.

As vantagens desse sistema que so necessrias pequenssimas mudanas no ngulo do passo

para controlar a potncia, tendo possibilidade de controle de potncia sob condies de potncia

parcial (no caso de ventos baixos) e construo mais simples do que turbinas com controle de passo.

2.3 AEROGERADOR

2.3.1 Conceito As turbinas elicas retiram energia cintica do vento e a transferem para um eixo. Com esta

energia, pode-se realizar trabalho ou transform-la em outros tipos de energia. Os dispositivos

responsveis por transformar energia cintica do vento em energia eltrica so denominados

aerogeradores. Seus principais componentes so a turbina elica e o gerador, incluindo tambm outros

equipamentos, dispositivos e sistemas.

Os diversos componentes e sistemas de um aerogerador podem ser vistos em maiores detalhes no

esquema mostrado a seguir. Uma breve descrio dos principais componentes feita a seguir.

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Figura 2.15: Principais componentes de um aerogerador (UFPE, 2011).

2.3.2 Ps O uso de compsitos em estruturas tem permitido uma significativa reduo no peso destas, bem

como contribudo para melhorar as resistncias corroso e fadiga de uma infinidade de

componentes de aeronaves de ltima gerao, foguetes, veculos automotores, entre outras aplicaes

(Levy Neto, 2006). Atualmente, grande parte das ps elicas feita de compsitos, especialmente

aqueles reforados com fibra de vidro. Sua composio e seu perfil so segredos industriais, sendo que

cada empresa possui sua prpria concepo de p elica.

As ps so os perfis aerodinmicos que interagem com o vento, convertendo parte da energia

cintica desse vento em trabalho mecnico. Elas podem ser fabricadas com diferentes materiais, mas

normalmente so feitas de resina epxi e/ou madeira, reforadas com fibra de vidro.

Figura 2.16: Empresa de produo de ps elicas em Sorocaba, So Paulo - Tecsis (Tecsis, 2012).

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2.3.3 Eixo a estrutura que transfere a potncia mecnica produzida nas turbinas para o acionamento do

gerador. Normalmente feito em ao ou liga metlica de alta resistncia.

Figura 2.17: Eixo de uma turbina elica produzido pela empresa chinesa Zenkung (ZENKUNG, 2011).

2.3.4 Nacele a carcaa onde se situam o gerador, caixa de acoplamento e os demais componentes do

aerogerador localizados no topo, junto turbina. montada sobre a torre, no ponto mais alto, onde o

ar possui menos interferncia na regio onde est situado o aerogerador.

Figura 2.18: Vista esquemtica do interior de uma nacele da empresa Nordex (Power, 2011).

2.3.5 Torre Estrutura cuja funo elevar a turbina at o ponto mais alto possvel, onde o vento mais rpido

e possui menor influncia do meio que circunda o aerogerador. Pode ser de dois tipos: tubular cnica

ou treliada.

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Figura 2.19: Partes de torres de turbinas elicas sendo transportadas (Portstrategy, 2011).

2.3.6 Caixa de engrenagens Normalmente, os geradores necessitam de uma alta rotao para comearem a gerar corrente

eltrica. Contudo, as turbinas giram naturalmente a uma baixa rotao. Assim, faz-se necessria uma

caixa de engrenagens que multiplique a rotao da turbina e permita que o gerador produza energia

eltrica.

Figura 2.20: Planta de montagem de transmisses para turbinas elicas da empresa Hansen (HANSEN, 2011).

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2.3.7 Gerador o equipamento responsvel por produzir energia eltrica. Podem ser sncronos ou assncronos,

dependendo do modelo, da potncia e das condies de uso. Normalmente acopla-se um inversor ou

um controlador que adequam as freqncias rede eltrica.

Figura 2.21: Manuteno de um gerador elico realizada pela empresa Hansen (HANSEN, 2011).

2.4 RUGOSIDADE

2.4.1 Conceito Mesmo superfcies que aparentam ser perfeitamente lisas possuem irregularidades se analisadas

em detalhe. Tais irregularidades so provocadas por sulcos ou marcas deixadas pela ferramenta que foi

utilizada para usinar a superfcie. Quanto maior a preciso necessria para ajustes entre peas, por

exemplo em acoplamentos, mais importante se torna o estudo dessas irregularidades.

Os desvios da superfcie real em relao superfcie geomtrica ideal tm relao com o do tipo

de acabamento, da mquina-ferramenta e/ou do processo de fabricao utilizado. As irregularidades

geomtricas que caracterizam a superfcie podem ser divididas em:

- Erros macro-geomtricos ou erros de forma: A forma geral da superfcie, desprezando-se

variaes devido rugosidade e ondulaes, mais conhecida como erro de forma. As causas para tais

problemas poderiam ser falta de rigidez da mquina ou na forma de fixao da pea (Piratelli Filho,

2002). Podem ser medidos com instrumentos de medio convencionais.

- Ondulao ou textura secundria: o conjunto das irregularidades causadas por vibraes ou

deflexes do sistema de produo ou ainda por tratamento trmico. A rugosidade pode apresentar-se

sozinha ou superposta ondulao (Piratelli Filho, 2002).

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- Rugosidade ou erros micro-geomtricos: o conjunto das irregularidades causadas pelo processo

de produo da superfcie (Piratelli Filho, 2002). So medidos com instrumentos especiais, tais como

rugosmetros e perfilgrafos. Estes podem ser ticos, a laser ou eletromecnicos.

O acabamento superficial medido atravs da rugosidade superficial. A rugosidade de uma

superfcie basicamente quantificada atravs de parmetros relacionados altura (amplitude) e largura

(ou espaamento) das irregularidades ou uma combinao desses atributos (Piratelli Filho, 2002). No

Brasil, os conceitos de rugosidade so definidos pela norma ABNT NBR 6405-1985. Dentre as classes

de rugosidade superficial, destacam-se as apresentadas a seguir.

2.4.2 Rugosidade mdia Ra Dado um comprimento L de uma superfcie qualquer, o perfil mdio a linha tal que a soma das

reas cheias acima da linha horizontal igual soma das reas vazias abaixo.

Figura 2.22: Desenho esquemtico da rugosidade de uma superfcie arbitrria (MSPC, 2011).

A rugosidade superficial mdia Ra definida como a mdia aritmtica dos valores absolutos dos

desvios do perfil a partir da linha mdia (Catlogo da Mitutoyo no40 2005, Mitutoyo), e pode ser

descrita por = ( ) . A figura a seguir (Fig. 2.23) mostra alguns valores de Ra tpicos de processos de usinagem.

Figura 2.23: Exemplos de valores tpicos de Ra de processos de usinagem (MSPC,2011).

Esse o mtodo mais utilizado para medio de rugosidade. Contudo, duas superfcies podem

apresentar o mesmo valor de Ra e serem completamente diferentes em sua aplicao. Um exemplo

apresentado na figura a seguir (Fig. 2.24), onde ambas as superfcies possuem mesmo valor de Ra e

apresentam, visivelmente, perfis de rugosidade diferentes. Alm disso, os picos e os vales mais

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pronunciados so colocados dentro de uma mdia, perdendo grande parte da informao de sua

influncia na superfcie. Assim sendo, deve-se utilizar outros tipos de classes de rugosidade superficial

para uma boa avaliao das irregularidades de superfcies.

Figura 2.24: Duas superfcies com mesmo valor de Ra, porm com perfis de rugosidade diferentes (MSPC, 2011).

2.4.3 Rugosidade mdia quadrtica Rq Como o nome indica, uma mdia quadrtica de todas as irregularidades do perfil. Sua definio

mais formal dada pela igualdade = ( ) . Quando comparado com Ra, o valor de Rq mais sensvel a picos e vales, ou seja, as amplitudes

maiores, quando elevadas ao quadrado, tero um peso maior no clculo da mdia das amplitudes.

2.4.4 Rugosidade de profundidade mdia Rz a mdia aritmtica das cinco maiores distncias entre picos e vales do comprimento medido, ou

seja, = . Algumas vantagens desse mtodo so: desconsidera picos e vales que no sejam representativos da superfcie, caracteriza muito bem uma superfcie que mantm certa

periodicidade do perfil ranhurado e de fcil obteno com equipamento que fornea grfico.

Algumas desvantagens que podem ser destacadas so: no possibilita informao sobre a forma do

perfil nem sobre a distncia entre ranhuras, poucos equipamentos fornecem o parmetro de forma

direta e pontos isolados podem mascarar os resultados.

Figura 2.25: Desenho esquemtico mostrando as cinco maiores distncias entre picos e vales de um dado comprimento de medio (CEFET/SC, 2011).

2.5 DETERMINAO DO NGULO DE PASSO E DO NMERO DE REYNOLDS

Para determinao do nmero de Reynolds de um aeroflio, utilizar-se- o mtodo proposto pelo

artigo de S. J. Miley (Miley, 1982). Para determinao do ngulo de passo ideal das ps de turbinas

elicas ser utilizando o livro Aerodynamics of Wind Turbines, de Martin Hansen (Hansen, 2008).