CÉSAR BITTENCOURT MUELLER

SELEÇÃO DE UM AEROGERADOR PARA UTILIZAÇÃO EM UMA TORRE DE TRANSMISSÃO DE DADOS EM TAQUARI – RS

Monografia apresentada ao Departa-mento de Engenharia Mecânica da Es-cola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Engenheiro Mecânico.

Orientadores: Profª. Adriane Prisco Petry Área de Concentração: Térmica

Porto Alegre 2004

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Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecânica

SELEÇÃO DE UM AEROGERADOR PARA UTILIZAÇÃO EM UMA TORRE DE TRANSMISSÃO DE DADOS EM TAQUARI – RS

CÉSAR BITTENCOURT MUELLER

ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS RE-

QUISITOS PARA A OBTENÇÃO DO DIPLOMA DE ENGENHEIRO MECÂNICO

APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Prof. Flávio José Lorini Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica

Porto Alegre 2004

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de modo especial, aos meus pais Ivo e Linei que conquis-taram junto comigo mais uma vitória e à minha namorada Adriana que nunca falhou com carinho e incentivo nos momentos difíceis.

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AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar agradeço a esta universidade, que me acolheu e me ensinou a profissão de Engenheiro Mecânico. Aos meus professores um grande muito obrigado, por todo o conheci-mento que me transmitiram direta ou indiretamente. À minha orientadora, Profª Adriane Prisco Petry que me guiou no fim desta estrada. Aos meus pais Ivo e Linei, que apesar das dificuldades enfrentadas, sempre incentivaram meus estudos. À minha irmã Simoni, que sempre me apoiou. Às funcionárias da Biblioteca, que me disponibilizaram livros sempre que precisei. Às secretárias, que sempre muito gentis me apoiaram junto a esta universidade. À IEM (Intercâmbio Eletro-Mecânico) , em particular na pessoa do engenheiro Hans, e seu filho e colega Ralf, pelos dados utilizados no estudo de viabilidade econômica do caso e prin-cipalmente pela colaboração na solução de dúvidas pertinentes instalações eólicas e fotovol-taicas. À Aeogeradores Sul, em particular ao Engenheiro Sérgio Luiz Severo, pelos dados fornecidos sobre geração eólica. À Seitel Telecomunicações, em particular ao seu Diretor Paulo Seixas, por ceder os dados de estudo das torres de telecomunicações e suas características de montagem e instalação.

5

Existem homens que lutam um dia e são bons.

Existem outros que lutam um ano e são melhores.

Existem aqueles que lutam muito mais e são muito bons,

porém existem os que lutam toda a vida, esses são imprescindíveis.

B.Brecht

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MUELLER, C. B. Seleção de um Aerogerador para Utilização em uma Torre de Trans-missão de Dados em Taquari - RS. 2004. Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004. RESUMO

A energia eólica é uma fonte alternativa, limpa e renovável para a produção de energia elétrica. É atrativa do ponto de vista ambiental, pelo seu caráter não poluente e também do ponto de vista econômico, por caracterizar-se como uma fonte inesgotável. Neste trabalho foi desenvolvida uma análise da viabilidade técnica e econômica (preli-minar) do uso de turbinas eólicas de pequeno porte para fornecimento de energia elétrica à uma torre de transmissão de dados, baseado nos dados fornecidos pelo Atlas Eólico do Rio Grande do Sul. Foi realizado um estudo de caso no qual definiu-se um sistema de geração eólico isolado, incluindo o sistema de acumulação de energia, para uma torre localizada em Taquarí, RS. Finalmente apresenta-se de forma detalhada a metodologia visando a utilização do trabalho como base para o desenvolvimento de novos projetos. O estudo desenvolvido confirmou muitos aspectos positivos do sistema eólico, mas ain-da existem restrições a sua aplicação como um sistema único de fornecimento de energia elé-trica, pois os aspectos climáticos não podem ser controlados pelo homem. Para uma continua-ção deste trabalho, propõem-se a análise detalhada de um sistema híbrido (solar-eólico), bem como um sistema com banco de baterias monitorado, aumentando as possibilidades de um sistema isolado auto-suficiente e com alta confiabilidade. PALAVRAS-CHAVE: Energia Eólica, Turbinas Eólicas, Pequenos Sistemas Eólicos.

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MUELLER, C. B. Election of a Wind Turbines for Use in a Tower Data-communication in Taquari-RS. 2004. Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecâni-ca) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004. ABSTRACT The wind energy is an alternative, clean and renewable source for the production of electric energy. It is very attractive from the environment point of view, do to its not pollutant character and also of the economic point of view, for characterizing themselves as an inex-haustible source.

This work presents an analysis of the technique and economic viability of the use of small wind turbines of transport for supply electric energy to one tower data-communication, based in the wind data supplied for Atlas Wind of the Rio Grande do Sul. Finally a case study was carried through applying the presented concepts and the suggested methodology for the analysis of new problems. It was verified wind system possesses many positive aspects, but that still as an only system of supply of electric energy is not fully satisfactory, therefore the climatic aspects cannot be controlled for the man. For a continuation of this work, the detailed analysis of a hybrid sys-tem (solar-wind) of generation of electric energy would be interesting, increasing the possi-bilities of the existence of a self-sufficient isolated system and with high trustworthiness.

KEYWORDS: Wind Energy, Wind Turbines, Small Wind System.

8

SUMÁRIO

ABSTRACT 7

1. INTRODUÇÃO 9

2. ENERGIA EÓLICA 9

2.1 A ENERGIA EÓLICA 9

2.2 A FORMAÇÃO DOS VENTOS 9

2.3 AEROGERADORES 10

2.4 SELEÇÃO DO LOCAL A SER INSTALADO UM AEROGERADOR 11

2.5 FATORES QUE INFLUENCIAM O PERFIL DE VELOCIDADES 11

2.6 A POTENCIA EÓLICA 13

2.7 FUNÇÃO DENSIDADE DE PROBABILIDADE DA VELOCIDADE DO VENTO 14

2.8 POTÊNCIA EXTRAÍDA POR UMA TURBINA EÓLICA 15

2.9 ACUMULADORES 16

3. SELEÇÃO DE UM AEROGERADOR PARA UTILIZAÇÃO EM UMA TORRE DE TRANSMISSÃO DE DADOS EM TAQUARI – RS – ANÁLISE DE CASO 17

3.1 APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA 17

3.2 POTÊNCIA REQUERIDA PELO SISTEMA X CONFIABILIDADE 17

3.3 DADOS DO PROJETO 19

4. ESTUDO DE VIABILIDADE 23

4.1 CUSTO DE UMA REDE ELÉTRICA PARA ALIMENTAÇÃO DO SISTEMA 23

4.2 CUSTO DO SISTEMA EÓLICO PARA ALIMENTAÇÃO DO SISTEMA 23

4. CONCLUSÕES 25

5. REFERÊNCIAS 26

6. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 26

9

1. INTRODUÇÃO A geração de energia elétrica através do uso do vento obteve um sensível aumento nos anos noventa a partir de vários programas de apoio em vários países, o que motivou investi-mentos e pesquisas, resultando num significativo desenvolvimento tecnológico de métodos e equipamentos. Um número expressivo de fabricantes de turbinas eólicas surgiu no mercado, melhorando rapidamente seu desempenho e reduzindo custos, tornando esta uma alternativa viável economicamente e muito atrativa do ponto de vista sócio-ambiental. Atualmente, em franco desenvolvimento, a energia eólica já é responsável , em alguns países, por mais de 10% da sua matriz de geração elétrica. No Brasil, temos uma capacidade instalada de 20MW distribuídas em cinco fazendas eólicas, de um potencial total de aproxi-madamente 143,5 GW, segundo o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, divulgado pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica. Mas esta realidade deve mudar em virtude do programa de incentivo PROINFA pelo qual a Eletrobrás comprará 3.300 MW de energia proveniente de fontes alternativas, dos quais 1.100 MW de eólica (DOU, 2002). Em virtude deste incentivo, muitas empresas deverão formar projetos nesta área, ampliando a rede eólica brasileira. Além dos grandes projetos, a energia dos ventos também vem sendo amplamente utili-zados nas áreas rurais, principalmente onde as linhas de distribuição da concessionária não estão presentes, como por exemplo no bombeamento de água para irrigação de lavouras e eletricidade para pequenas propriedades isoladas. Os aerogeradores aproveitam a energia ci-nética das massas de ar em movimento convertendo esta em energia elétrica, de uma forma limpa e renovável.

O objetivo deste trabalho é a análise da viabilidade técnica e econômica do uso de aero-geradores de pequeno porte para fornecer energia elétrica a um sistema de transmissão de dados isolado da rede elétrica. Apresenta-se a metodologia de análise do problema e baseado nos dados do Atlas Eólico faz-se a seleção do aerogerador e o dimensionamento do sistema de armazenamento (banco de baterias) para o caso analisado. Desenvolve-se então uma análise econômica preliminar, permitindo reunir informações para avaliar a viabilidade econômica do projeto.

2. ENERGIA EÓLICA 2.1 A ENERGIA EÓLICA A energia eólica é a energia cinética do ar em movimento. Este ar em movimento é chamado de vento que é provocado associação da radiação solar e da rotação planetária. Nesta primeira etapa, será apresentado o vento e suas características para o uso na pro-dução de eletricidade, além da potência disponível e das condições idéias de instalação de uma turbina eólica. 2.2 A FORMAÇÃO DOS VENTOS

A radiação solar é a principal causa da formação dos ventos, uma vez que o eixo de ro-tação da terra está inclinado 23º45’ com relação ao plano de órbita em torno do sol, o que faz com que a intensidade anual de radiação solar seja maior nas regiões equatoriais do que nas regiões polares. Este aquecimento desigual gera os ventos que sopram em escala planetária. O ar dos pólos desloca-se junto a superfície em direção ao Equador para substituir o ar quente que su-biu e a se desloca nas grandes altitudes em direção aos pólos. Evidentemente a rotação da terra influência na movimentação destas massas de ar, o que resulta em um sistema de ventos bastante complexo.

10

Esta diferença de irradiação solar sobre a superfície da terra gera movimentações de ar, em escala planetária e também regional ou local. Uma boa ilustração desta situação seria mé-todo de formação dos ventos locais sobre a faixa costeira. Durante o período diurno, o ar aci-ma dos continentes é mais aquecido do que o localizado acima dos oceanos e lagos, uma vez que nos oceanos e lagos, grande parte da energia proveniente do sol é utilizada na evaporação da água e no seu aquecimento. Sobre os continentes a evaporação é sensivelmente menor e, por conseqüente, há mais energia a disposição para o aquecimento do ar. Este ar atinge tempe-raturas mais elevadas e torna-se menos denso, adquirindo assim um movimento ascendente. Simultaneamente, o ar menos aquecido que se localiza sobre as grandes massas de água mo-ve-se para ocupar o espaço do ar que subiu. Este é a grosso modo o mecanismo que explica a brisa do mar nas zonas costeiras. Durante o período noturno, a direção das brisas se inverte e então o ar sopra em direção às massas de água, uma vez que a terra esfria mais rápido que a água. As circulações terciárias de vento, ou ventos regionais, são em pequena escala, caracte-rizadas por ventos locais. Estes são os ventos importantes para determinar o potencial eólico de uma região. Podem ser eles brisas marítimas e terrestre, ventos em vales e montanhas, ne-voeiros, temporais ou tornados.

Outro importante vento regional no sul é o vento pampeiro, conhecido no sul do Brasil como minuano. Está associado ao deslocamento de massas de ar polar, frio e forte, e que no Rio Grande do Sul flui do sudoeste. A figura abaixo mostra a formação planetária do vento na América do Sul.

Fig. 1 – Formação dos ventos planetários (fonte: Atlas Eólico RGS).

2.3 AEROGERADORES

Uma turbina eólica tem por função, de acordo com Golding e Harris, 1977, transformar a energia cinética em energia mecânica. Para tanto, dispõe-se de uma gama muito ampla de modelos de turbinas eólicas. Na figura abaixo, podemos visualizar alguns destes modelos.

11

Fig. 2– Turbinas eólicas de eixo vertical e horizontal (Fonte: Custódio, 2002).

Entretanto, quando se fala de geração de energia elétrica, são muito utilizadas turbinas

horizontais tipo hélice de uma, duas ou três pás. Este modelo se perpetuou no mercado, visto que possui vantagens do ponto de vista de fabricação, montagem e manutenção. Atualmente, as turbinas de três pás são as mais usadas, pois conseguem um melhor balanceamento e uma velocidade de partida mais baixa.

2.4 SELEÇÃO DO LOCAL A SER INSTALADO UM AEROGERADOR A seleção do local a ser instalado, deve passar por uma minuciosa análise, a fim de ob-ter um bom rendimento do sistema instalado. Segundo Golding e Harris, 1977, e Sadhu, 1981, deve-se verificar a existência de vento suficiente que possibilite a extração de energia. Esta verificação deve ser feita através de medições com instrumentos específicos realizadas no local por um tempo não inferior a um ano. Os dados coletados pela medição devem ser sepa-rados em quatro grupos, referentes as estações do ano, a fim de obter a freqüência de aconte-cimentos em função da época do ano. Além disto, deve ser considerado o tipo de serviço a ser executado. Em caso de locais remotos, desprovidos de outras fontes de energia, pode ser con-veniente a utilização de energia eólica independentemente da intensidade do vento local, con-tanto que seja observada a restrição quanto a existência de árvores e irregularidades do relevo. Para a execução deste trabalho tomaremos por base os dados fornecidos pelo Atlas Eólico do Rio Grande do Sul, desenvolvido pela Secretaria de Energias, Minas e Comunicações do Es-tado do Rio Grande do Sul, 2002, tendo em vista de que a obtenção destes dados, especifica-mente para o caso em análise, seria muito dispendiosa e lenta. 2.5 FATORES QUE INFLUENCIAM O PERFIL DE VELOCIDADES 2.5.1 A camada limite As características topográficas influenciam diretamente no comportamento do vento e, conseqüentemente, na produção de energia elétrica. A rugosidade do terreno afeta a camada limite atmosférica, pois o atrito do ar com a superfície da terra resulta numa força horizontal sobre o movimento do ar que produz um retardo do fluxo nas proximidades do solo. Esta for-ça decresce com o aumento da altura, tornando-se desprezível acima de uma determinada al-tura, chamada de camada limite, onde há o balanço de forças sem o atrito e se estabelece o fluxo de vento com a velocidade do vento de gradiente ao longo das isobáricas. A fig. 3 ilustra

12

este comportamento do vento, mostrando a camada limite atmosférica. A atmosfera acima da camada limite é chamada de atmosfera livre.

Fig. 3 –Camada limite atmosférica, onde o vento muda com a altura (Fonte: Petterssen, 1951). A camada limite atmosférica atinge o nível de 1000 metros de altura acima do solo (Pet-terssen, 1951). A diferença de rugosidade do solo afeta diretamente a velocidade do vento próximo a superfície. Sobre a terra, por exemplo, a velocidade do vento alcança em torno de 40% do vento geostrófico, enquanto que sobre a água chega a 70%. Observa-se que a camada limite tem um comportamento que pode ser representado por uma função logarítmica, dada pela expressão abaixo, onde é possível determinar a velocidade do vento ν (m/s), na altura h (m) acima do nível do solo (Plate, 1971), (Rohatgi e Nelson, 1994), (DEWI, 1998):

���

����

�=

0

*

lnZh

Kνν (1)

onde: *ν = velocidade de atrito (m/s);

K = constante de Von Karman (K=0,4) [adimensional]; 0Z = comprimento de rugosidade do solo (m). O comprimento de rugosidade (Z0) é a altura média das saliências do solo, responsáveis pela força de atrito que se opõe ao movimento da massa de ar, resultando em redução da velo-cidade do vento próximo da superfície do solo. A velocidade de atrito representa a tensão de cisalhamento do chão com a camada sub-laminar, ou seja, com a primeira camada de ar, junto ao solo. A tensão de cisalhamento trata-se da força de atrito ν* oferecida pela rugosidade do solo ao movimento do ar, sendo:

ρ

τν W=* (2)

onde τW é a tensão de cisalhamento na superfície do solo (N/m2) e ρ é a massa específica do ar (kg/m3). O comportamento logarítmico da velocidade do vento pode ser usado para determinar a velocidade do vento numa determinada altura, sabendo-se sua velocidade em outra altura, através da expressão abaixo, obtida através da equação (1)

13

���

����

�

���

����

�

=

0

2

0

1

2

1

ln

ln

Zh

Zh

νν

(3)

onde: h1 = altura no ponto 1 (m); h2 = altura no ponto 2 (m); ν1 = velocidade no ponto 1 (m/s); ν2 = velocidade no ponto 2 (m/s); Z0 = comprimento de rugosidade no local (m). Porém para alturas superiores a 50m, o comportamento logarítmico do vento sofre des-vios, tais como a diminuição da influência da rugosidade. 2.5.2 A influência dos morros no comportamento do vento O vento que circula no topo de colinas e morros, segundo Custódio, 2002, tem maior velocidade devido à maior altura, estando menos afetado pela rugosidade do chão das áreas anteriores ao morro. Além disso, quando o morro é inclinado, há um aumento da velocidade do vento no topo, porque o morro atua como uma espécie de concentrador das linhas de cor-rente, acelerando o vento, como representado na figura 4 abaixo:

Fig. 4 – Aceleração do vento sobre um morro (Fonte: Custódio, 2002).

A aceleração é obtida quando o cume é suave, sem degraus, planos ou irregularidades grandes. Segundo Lysen, 1991, o ideal é uma inclinação de 16º, mas ângulos entre 6º e 16º são bons. Formas triangulares são melhores que circulares. O acréscimo obtido na velocidade do vento pode ser entre 10% e 20%. Entretanto, grandes inclinações, como ângulos superiores a 27º devem ser evitados, pois o efeito é o deslocamento do fluxo no topo, provocado pela turbulência. 2.6 A POTENCIA EÓLICA

Consideremos um fluxo de ar, movendo-se a velocidade ν1, através da seção transversal de um cilindro imaginário (aerogerador), como representado na fig. 5:

14

Fig. 5 - Seção transversal de um cilindro imaginário para cálculo da potência eólica.

Pode-se demonstrar que a potência disponível do vento que passa pela seção A, trans-versal ao fluxo de ar, é dada por:

312

1 νρAP = (4)

onde: P = potência do vento [W]; ν1= velocidade do vento que incide na turbina eólica [m/s]; ρ = massa específica do ar [kg/m3]; A = área da seção transversal [m2].

Verifica-se que a potência eólica depende de três fatores: da massa específica do ar em

movimento, que varia com a altitude e condições atmosféricas, da área da seção transversal por onde o ar flui e com o cubo da velocidade do vento. Estes três fatores devem ser muito bem analisados, pois influenciam bastante no valor final da potência eólica disponível. Ao nível do mar, em CNTP, a massa do ar é 1,29 Kg/m3. Para condições extremas esta pode assumir valores que vão de 1,31Kg/m3 a 1,10 Kg/m3. Veri-fica-se então que este fator pode aumentar 19,1% pela simples variação das condições climá-ticas do local. Em locais elevados, a pressão atmosférica e a temperatura diminuem, fazendo com que a massa específica seja menor do que na CNTP. A velocidade do vento é o fator de maior influência na potência eólica, visto que sua influência se dá numa razão cúbica. Um aumento de 10% na velocidade, acarreta em 33,1% de aumento na potência. Daí a importân-cia de selecionar-se um lugar adequado para a instalação do gerador eólico. 2.7 FUNÇÃO DENSIDADE DE PROBABILIDADE DA VELOCIDADE DO VEN-TO

A função estatística densidade de probabilidade da velocidade do vento é utilizada para aproximar através de uma curva os dados aleatórios de medição de vento, criando uma função contínua de melhor visualização.

Utilizando então a função densidade de probabilidade f(v), temos que a velocidade mé-dia é dada por:

�∞

=0

)(. ννν dfV (5)

15

onde v é a velocidade do vento [m/s]. Justus et all (1979), analisaram 100 estações metereológicas e verificaram que a função

de densidade de probabilidade mais adequada à distribuição do vento é a função de Weibull. Este resultado é confirmado pelas referências Henessey (1977), Ale (1987), Lysen (1991) e Rohatgi e Nelson (1994). A função de Weibull é dada pela seguinte expressão:

k

ck

ecc

kf

��

���

�−−

��

���

�=ννν

1

)( (6)

onde: v = velocidade do vento [m/s]; c = fator de escala [adimensional]; k = fator de forma [adimensional]. O fator de escala c pode ser calculado a partir da relação entre a função Gama e os pa-râmetros de forma de Weibull pela equação abaixo conforme anexo A

)

11(

k

vc

+Γ= (7)

O fator de escala c está relacionado com a velocidade média no local, sendo expresso

em unidades de velocidade. O fator de forma k, por sua vez, está relacionado com a variância da velocidade do vento em torno da velocidade média, ou seja, representa a forma da distribu-ição de probabilidade. Como o monitoramento dos ventos no local à ser instalado o aerogerador levaria no mínimo 2 anos, utilizaremos os dados fornecidos pelo Atlas Eólico do Rio Grande do Sul, desenvolvido pela Secretaria de Minas e Energia.

2.8 POTÊNCIA EXTRAÍDA POR UMA TURBINA EÓLICA Serão estudadas apenas as turbinas de eixo horizontal, adequadas ao escopo deste tra-balho. As pás dos rotores de uma turbina eólica transformam a energia cinética disponível em trabalho mecânico através da aplicação da segunda Lei de Newton que demonstra que sempre que um fluido mudar de direção haverá uma variação de velocidade, implicando no surgimen-to de uma força que convenientemente direcionada (sentido da rotação das pás) realizará um trabalho ou torque (força X deslocamento) que deverá ser transmitido pelo eixo através de um movimento circular, como pode ser visto através da fig. 6. A fig. 7 ilustra esta transformação energética. Antes do rotor da turbina, o vento tem velocidade ν1 e, após a conversão de parte de sua energia cinética em energia mecânica o vento terá velocidade ν2, menor, após a turbi-na.

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A potência Pt , em watts, extraída por uma turbina eólica é dada pela expressão abaixo:

312

1 υρη ACP tpt = (8)

onde: =pC coeficiente aerodinâmico de potência do rotor. (Possui um valor máximo teórico de 0,593, mas na prática atinge somente 0,40 e variável com o vento, rotação e parâmetros de controle da turbina. [adimensional] =tη eficiência da turbina eólica. Eficiência do conjunto gerador/transmissões mecâni-cas ( ~0,93-0,98) [adimensional] =ρ massa específica do ar [Kg/m3] =A área da seção transversal do rotor da turbina eólica [m2]

=1ν velocidade do vento que incide na turbina eólica [m/s] 2.9 ACUMULADORES A principal função de um acumulador dentro de um sistema eólico é adaptar uma gera-ção intermitente a uma demanda contínua ou semi-contínua. A energia produzida e não con-sumida nos períodos em que o vento excede o seu valor médio é armazenada para posterior utilização em situações de ventos abaixo da média. Desta forma se garante um fornecimento constante de energia. Dentre os inúmeros tipos de acumuladores existentes no mercado, daremos atenção es-pecial aos acumuladores eletroquímicos, mais especificamente as baterias chumbo-ácido, de-tentoras de 90% do mercado. Tem a seu favor seu baixo custo, simplicidade de fabricação e a faixa de temperatura de operação. Esta bateria é a mais utilizada em aplicações convencionais, como em automóveis, veículos elétricos, sistemas fotovoltaicos, por realizar reações reversí-veis nos eletrodos, aceitando ciclos de carga e descarga, muito comuns em sistemas eólicos. Nas aplicações eólicas as baterias de acumulação funcionam continuamente em ciclos de carga e descarga como resultado da superposição de um ciclo diário, cujo perfil e a ampli-tude depende da potência e energia diária fornecida pelo gerador eólico e da potência e ener-gia requerida pelo consumo. Segundo Kresinger, 2004, a descarga de uma bateria chumbo-ácido deve ser de no máximo 30% em 90% do seu tempo de uso total, mas podendo atingir descargas de até 80% em situações esporádicas sem comprometer sua durabilidade. Conseqüentemente, as baterias devem resistir a cargas e descargas irregulares, períodos prolongados em baixo estado de carga, sobrecargas, sobredescargas e grandes variações de

Fig. 6 – Fluxo na seção da pá de um rotor de uma turbina eólica de sustentação. (Fonte: Ocácia, 1998).

Fig. 7 – Fluxo de vento através de uma turbina eólica. (Fonte: Custódio, 2002).

17

temperatura. Além disso, devem apresentar alto rendimento energético, confiabilidade e mí-nima manutenção, principalmente quando se trata de aplicações remotas e de difícil acesso. 3. SELEÇÃO DE UM AEROGERADOR PARA UTILIZAÇÃO EM UMA TORRE DE TRANSMISSÃO DE DADOS EM TAQUARI – RS – ANÁLISE DE CASO 3.1 APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA A torre de transmissão de dados em análise será instalada em Taquari, cidade localizada no Estado do Rio Grande do Sul sob coordenadas geográficas latitude 29º08´ e longitude 51º08´. Seu sistema de rádios transmissores consomem uma potência de 35 W que devem ser alimentados de energia elétrica 12 volts 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano, evitando interrupções, mesmo que momentâneas. Para tanto, este trabalho propõe uma eletri-ficação a partir de um sistema eólico com o auxílio de um banco de baterias. É importante ressaltar que a empresa em questão além de atuar na área de retransmissão de dados, também é fabricante de equipamentos de transmissão de dados totalmente nacionais e que este é um importante ponto de marketing. Por tanto, o equipamento escolhido para atuar junto a esta empresa deve ser de fabricação nacional. Abaixo, na fig. 8 uma foto do terreno em torno do morro a serem instaladas as antenas e ao lado, as antenas a serem alimentadas pelo sistema eólico.

Fig. 8 – Foto do tipo de terreno e da antena a ser energizada eolicamente.

Serão analisados então os dados locais do terreno e dos ventos, baseados no Atlas Eóli-co, a potência eólica disponível e as potencias geradas e consumidas com o sistema proposto. Se necessário, será proposto um sistema auxiliar, complementando a energia requerida através de painéis fotovoltaicos. 3.2 POTÊNCIA REQUERIDA PELO SISTEMA X CONFIABILIDADE

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Para a realização do cálculo de potência requerido pelo sistema, cabe ressaltar que quando se fala em transmissão de dados, não se pode dar margem a erros. Entretanto, também não se pode dar garantias sobre os fatores climáticos, por exemplo o vento. Pensando nisto, a capacidade de acumulação foi projetada de forma a suportar a pior condição possível prevista pelo Atlas Eólico: os três meses relativos ao Outono, onde o vento médio diminui para 4,5 m/s. Então através da curva gerada pelo software Alwin na fig 9 podemos verificar que em 14 % dos 90 dias desta estação os ventos são inferiores a velocidade de partida do aerogerador. Isso indica que o banco de acumulação deve possuir autonomia para 13 dias, considerando que o período de falta de vento relativo a esta estação ocorram seqüencialmente.

Fig. 9 – Freqüência de ventos para o Outono.

3.2.1 Cálculo da potência requerida pelo sistema O consumo de energia elétrica dos rádios transmissores é de 35Wh, operando sob uma tensão de 12 volts. Estes rádios operam 24 horas por dia durante todo o ano, então através da equação (9), podemos estimar o consumo de potência diário, mensal e anual. TPE alnoRD min= (9) onde:

RDE = Energia requerida [Wh] alnoP min = Potência de consumo dos rádios [W] T = Tempo [h]

então obtemos: Consumo diário: 0,84 KWh Consumo mensal: 25,20 KWh Consumo anual: 306,60 KWh 3.2.2 Cálculo da capacidade de acumulação

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O cálculo da capacidade de acumulação deverá levar em conta a utilização de baterias do tipo chumbo-ácido de 100A, 12 volts e livre de manutenção (selada). Cabe ressaltar que o dimensionamento deve ser executado lembrando da capacidade de descarga suportada por este tipo de bateria, que é de 30%, podendo chegar a 80% esporadicamente sem danos. Então o período de garantia de acumulação utilizando coeficiente de descarga 0,3 é de 6 dias, po-dendo chegar até 13 dias para descargas de até 0,8, conforme a equação que segue:

Consumo em 6 dias = 0,84 x 6 = 5,04 KWh

IVOLTAGEM

CONSUMO

BATERIA

DIAS =6 (10)

onde I é a corrente necessária em amperes para 6 dias. Então,

AVWh

42012

5040 = , (11)

considerando que cada bateria só pode sofrer 30% de descarga, então devemos multiplicar a corrente elétrica por três, o que resultaria em 1260A. Como o projeto consiste em baterias de 100A, então para fins de cálculo foi considerada uma corrente de 1300A, o que pode ser obti-do com o uso de 13 baterias de 100A. Levando-se em conta que esporadicamente as baterias podem sofrer descarga de até 80%, então poderemos obter períodos de até 13 dias de segurança. 3.3 DADOS DO PROJETO 3.3.1 Dados do local

Para um bom desempenho do sistema projetado, é muito importante a determinação de

alguns parâmetros gerados a partir da sua localização como rugosidade do terreno, altura mé-dia do local, altura de captação eólica e densidade do ar. A seguir os dados aplicados a Taqua-ri. Localização: Latitude 29º08´ Longitude 51º08´ Rugosidade: Zo = 0,8 (Anexo C) Altura em relação ao nível do mar: 50m (Anexo B) Altura de captação do aerogerador: 50m Densidade do ar a 50m: 1,2 Kg/m3 (Anexo A) Fator de forma K: 2,3 (Anexo E) 3.3.2 Cálculo do fator de escala c O cálculo do fator de escala c é feito a partir da relação entre a função Gama (Anexo G) e o fator de forma k do terreno pela equação (7), conforme abaixo:

)1

1(k

+Γ = 0,886, então: 64,5886,0

== vc (12)

3.3.3 Dados do vento

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As características do vento são variáveis em relação ao tempo e ao espaço e sendo a velocidade a principal característica, o conhecimento de seu comportamento em um determi-nado local é de primordial importância para a instalação de uma turbina eólica. Também é importante o estudo do vento no espaço, verificando suas características em todas as direções. Em Taquari, cidade localizada no estado do Rio Grande do Sul, sob coordenadas geo-gráficas latitude 29º08´ e longitude 51º08´ podemos observar, segundo o Atlas Eólico, a pre-sença de um vento médio anual de 5m/s medidos à 50m, como pode ser visto no Anexo D. A direção do vento é em sua maioria Leste ou Sudeste. Velocidade média a 50m: 5 m/s Incerteza nas medidas: 5 a 10% (Anexo F)

Para fins de cálculo, utilizaremos uma velocidade média de 5m/s, levando-se em conta a incerteza máxima de 10 % e o ganho com o tipo de terreno (morro) conforme descrito no item 2.5.2, que segundo Lysen, 1991 proporciona um aumento mínimo de 10% na velocidade do vento. Abaixo, a curva de velocidade média de vento de Weibull realizada no softwrae Alwin conforme o fator de forma k registrado no Atlas Eólico (Anexo E) e o fator de escala c calcu-lado a partir da equação (12).

Fig. 10 – Distribuição da velocidade do vento em função da freqüência.

3.3.4 Escolha do Aerogerador Para a escolha do aerogerador, foram analisados três modelos encontrados no mercado nacional com potências diferentes entre si. Um modelo de 1500W fabricado pela Aerogerado-res Sul, outro de 1000W fabricado pela Enersud Energias, e por fim um aerogerador de 500 W, modelo Batuíra 500 fabricado pela Cooperativa de Energias Alternativas sediada na cida-de de Búzios no Rio de Janeiro, que no escopo deste projeto foi o que melhor se adaptou. Na fig. 11 pode ser visualizada a sua foto:

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Fig 11 - Foto aerogerador Batuíra 500 (Fonte: Altercoop, 2003).

O motivo da escolha, foram os seguintes:

- equipamento de fabricação nacional. - facilidade de obtenção. - potência adequada para o fim desejado. - prevê baixa manutenção, pois não utiliza os sistemas convencionais de dínamo ou

alternadores que requerem freqüentes manutenções mas sim um sistema de gerador de magnetos permanentes o que gera menor custo de manutenção.

- custo adequado no escopo deste projeto. O aerogerador Batuíra 500 possui os seguintes dados técnicos: Tabela 3.1 – Dados técnicos do aerogerador Batuíra 500 Diâmetro da hélice 1,52m Potência a 12 m/s 500 Watt Número de pás 3 Tipo de pás Torcida (5 aerofólios) Velocidade de partida 2,2 m/s Torque de partida 0,3 N.m. Controle de velocidade Stall Proteção da hélice (abrasão) Fita aeroespacial Tensão de saída 14 volts Topologia Fluxo axial Peso do gerador 07 Kg Peso Total 14 Kg Material anti oxidante Alumínio / Inox Custo US$ 700,00

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Sua curva de potência, fornecida pelo fabricante, pode ser visualizada abaixo:

Fig. 12 – Curva de potência do aerogerador Batuíra 500 (Fonte: Altercoop, 2003).

3.3.5 Potência extraída pelo aerogerador Batuíra 500 O Batuíra 500, começa sua geração de energia com ventos de 2,2 m/s. Conforme sua curva de potência, com velocidade de trabalho de 5 m/s, este equipamento é capaz de gerar 135W, o que demonstra uma inconsistência nos dados fornecidos pelo fabricante do equipa-mento. Pois apesar do vento disponibilizar 135W, existem perdas devido a eficiência da turbi-na que é de aproximadamente 0,9 e ao coeficiente aerodinâmico, que em situações práticas é de aproximadamente 0,40 reduzindo a potência extraída pela turbina para algo em torno de 49W, o que não pode ser visto na curva. Além disto, a potência da turbina depende cubica-mente da velocidade, o que resulta em uma curva do tipo x3, que não é a curva apresentada. Como até o término deste trabalho o fabricante do equipamento não se pronunciou e em vir-tude da inconsistência aparente da curva do fabricante, empregou-se a equação (8) para gerar uma curva teórica. Na falta de dados precisos, considerou-se Cp=0,40=cte e tη =0,9=cte. En-tão a potência extraída do aerogerador pode ser visualizada abaixo a partir do gráfico gerado pelo software Alwin:

Fig. 13 – Potência gerada em função da velocidade do vento (teórica).

3.3.6 Energia eólica prevista para o sistema a partir da curva do aerogerador

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Através do software Alwin, foi possível determinar um gráfico da energia eólica previs-ta em função da distribuição das velocidades do vento, levando em conta o fator de forma, o fator de escala e a rugosidade do terreno. Esta curva pode ser visualizada na fig. 14 abaixo:

Fig. 14 – Disponibilidade de energia em função da potência do aerogerador.

Pode-se verificar através da curva da fig. 14 que o aerogerador Batuíra 500 é capaz de gerar 700KWh de energia em um ano, suprindo a demanda dos rádios transmissores que é de 306,60KWh. Como a energia gerada é maior que a energia consumida, deve-se montar um sistema elétrico auxiliar que descarregue as baterias quando o nível de carga se elevar além do limite. 4. ESTUDO DE VIABILIDADE 4.1 CUSTO DE UMA REDE ELÉTRICA PARA ALIMENTAÇÃO DO SISTEMA A rede elétrica para a alimentação da torre, distante 1 km da linha, foi orçada junto a Cooperativa Permissionária de Serviço Público de Energia e Desenvolvimento Rural Taquari Jacuí Ltda., através do Engenheiro José Arino Azevedo da Rosa. Foi estimado um valor inici-al de: R$ 7.000,00 de mateirais; R$ 4.000,00 de mão-de-obra. Considerando uma rede monofásica com transformador de 10 kVA, totalizando um in-vestimento inicial de : R$ 11.000,00 (Onze mil reais). 4.2 CUSTO DO SISTEMA EÓLICO PARA ALIMENTAÇÃO DO SISTEMA O custo de instalação do sistema eólico, consiste no aerogerador, na torre suporte, bate-rias de armazenamento de energia e mão-de-obra, conforme descrito abaixo: R$ 2.300,00 referente ao aerogerador Batuíra 500 (US$ 700,00); R$ 2.795,00 referente a 13 baterias 100A (R$ 215,00 cada); R$ 4.000,00 referente a torres suporte e mão-de-obra. Totalizando um custo de R$ 9.095,00 (Nove mil e noventa e cinco reais).

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4. CONCLUSÕES A análise deste trabalho identificou que a energia eólica é uma excelente alternativa para a produção de energia elétrica no caso em estudo. Já está sendo utilizada no mundo intei-ro com um bom nível tecnológico, mas como visto ainda enfrenta dificuldades, principalmen-te por não consistir um sistema de fornecimento estável. Como esta geração está associada a fatores climáticos, não é possível uma definição precisa sobre sua operação. Pode-se prever, com base na análise dos dados de regime de ventos, o comportamento do sistema e buscar a garantia de fornecimento através de um banco de acumuladores, projetado a partir da situação mais crítica provável.

Na análise de caso, fez-se a seleção do local a ser instalado o sistema, obteve-se os pa-râmetros estatísticos da função de Weibull a partir do Atlas Eólico do RGS, determinando a freqüência de ocorrência das diferentes velocidades do vento e selecionando-se um modelo de aerogerador. Definida a turbina, determinou-se a potência eólica disponível e a potência eóli-ca extraída, possibilitando prever a viabilidade da instalação. Também foi projetada a capaci-dade de acumulação, a fim de garantir o fornecimento de energia ao sistema de transmissão de dados durante o maior período previsto de velocidade do vento inferior à velocidade de parti-da da máquina, estabelecendo uma metodologia para utilização em novos projetos. Como pode ser observado no Atlas Eólico, a análise do local é determinante no cálculo de potência eólica, podendo viabilizar ou inviabilizar projetos em virtude da região onde serão instalados. No Rio Grande do Sul, a região costeira é onde tem o maior potencial eólico, mas este trabalho mostrou que mesmo no interior do Estado, a geração eólica pode vir a ser inte-ressante. A metodologia de seleção prevê uma margem de 13 dias de autonomia, sem produção eólica, através do banco de acumuladores, mas devido a variações climáticas e a falta de da-dos mais precisos não pode-se afirmar que este sistema não terá momentos de falha. O ideal, seria coletar-se dados no local a ser instalado o aerogerador por no mínimo um ano levando em consideração a época do ano para o cálculo da potência eólica. Desta forma, poderíamos projetar o sistema para a pior situação possível maximizando sua eficácia. Cabe ressaltar, que para otimizar o desempenho do sistema e torná-lo mais confiável, seria necessário obter melhores informações sobre a máquina e analisar outros modelos dis-poníveis, inclusive importados, buscando dados mais precisos sobre o fornecimento de ener-gia previsto pela turbina eólica. Como continuidade deste projeto, além do aprofundamento de tópicos da seleção de turbinas descritos acima, seria importante analisar a utilização de sistemas híbridos solar-eólicos e comparar com os custos e confiabilidade do sistema eólico isolado. Outra proposta que deverá ser analisada é a de aproveitar a característica do sistema a ser alimentado, uma torre de transmissão de dados, e desenvolver um sistema monitorado. Este sistema enviaria os dados sobre carga de baterias e em casos críticos a recarga das baterias seria feita por um ge-rador de emergência (possivelmente móvel) empregando um combustível tradicional. Finalmente vale ressaltar que, além do estudo do caso proposto, onde foi desen-volvida uma análise e definição de um sistema eólico isolado de geração de energia elétrica para alimentar uma torre de transmissão de dados em Taquari, este trabalho procura apresen-tar de forma clara e sucinta a metodologia para o desenvolvimento de outros projetos simila-res. Tendo em vista os valores de investimentos iniciais apresentados, a possibilidade de pro-jetos piloto serem implementados é bastante realista.

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5. REFERÊNCIAS ALÉ, J. A.V. Estudo da Velocidade do Vento como Fenômeno Aleatório. Grupo de Ener-

gia Eólica. UFRGS. 1987. CUSTÓDIO, Ronaldo S. Parâmetros de Projeto de Fazendas Eólicas e Aplicação Especí-

fica no Rio Grande do Sul. Dissertação de Mestrado. Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS. Porto Alegre, Brasil. 2002.

DEWI – Instituto Alemão de Energia Eólica (tradução ELETROBRÁS). Energia Eólica. Wilhelmshaven, Germany. 1998.

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HENESSEY JR, J.P. Some Aspects of Wind Power Statistics. J. Appl. Meteorology. P. 119-128. 1977.

JUSTUS, C.G.; MANI, K. e MIKHAIL. Interannual and month to month variations of wind speed. J. Appl. Meteor., 18, 913 – 920. 1979.

KRESINGER, Arno. Células Fotovoltaicas. Laboratório de Energia Solar. Promec, UFRGS. 2002.

LYSEN, E. H. Introduction to Wind Energy. TOOL - Transfer of Technology for Devel-opment. Third Edition. Amsterdam. The Netherland 1991.

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PETTERSSEN, S. Introducción a la Meteorología. Ed. Espasa – Calpe Argentina. 2ª Edição. Buenos Aires, Argentina. 1951.

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SADHU, D. P. Estudos sobre Energia Eólica. Dep. De Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 1981.

6. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

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ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica – Resoluções. www.annel.gov.br, 2004. CERTAJA – Cooperativa Permissionária de Serviço Público de Energia e Desenvolvimento

Rural Taquari Jacuí Ltda. Informações do setor elétrico obtidas por entrevista e comu-nicação eletrônica com técnicos. 2004

SEMC: Secretária de Energias, Minas e Comunicações do Estado do Rio Grande do Sul. A-tlas Eólico do Rio Grande do Sul. Porto Alegre. 2002.

www.altercoop.hpg.ig.com.br www.ammonit.de/english www.aneel.gov.br www.eletrobras.gov.br www.eletrovento.com.br www.em.pucrs.br/~nutema www.wind-energie.de

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ANEXO A – Atlas Eólico: Densidade do Ar Anual

ANEXO B – Atlas Eólico: Modelo de Relevo

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ANEXO C – Atlas Eólico: Modelo de Rugosidade

ANEXO D – Atlas Eólico: Vento Médio Anual a 50m de Altura

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ANEXO E – Atlas Eólico: Weibull, Fator de Forma k Anual

ANEXO F – Atlas Eólico: Incertezas nas Velocidades Médias

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ANEXO G – Relações entre a função Gamma e o parâmetro de forma de Weibull