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Faculdade de Tecnologia de Garça
CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
LUCAS FERNANDO GRANAI
MARCO ANTONIO NUNES DA SILVA
UTILIZAÇÃO DE GERADORES EÓLICOS DE PEQUENO PORTE
EM ÁREAS ISOLADAS
GARÇA 2013
Faculdade de Tecnologia de Garça
LUCAS FERNANDO GRANAI
MARCO ANTONIO NUNES DA SILVA
UTILIZAÇÃO DE GERADORES EÓLICOS DE PEQUENO PORTE EM ÁREAS ISOLADAS
Artigo Científico apresentado à Faculdade de
Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito
para a conclusão do Curso de Tecnologia em
Mecatrônica Industrial, examinado pela
seguinte comissão de professores:
Data da aprovação: 03/12/2013
Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes
Prof. Espec. Adalberto Sanches Munaro
Prof. Ms. José Augusto Ferraz de Campos
GARÇA
2013
¹ Alunos da Faculdade de Tecnologia de Garça-FATEC do Curso de Mecatrônica Industrial
² Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça-FATEC
UTILIZAÇÃO DE GERADORES EÓLICOS DE PEQUENO PORTE EM ÁREAS
ISOLADAS
Lucas Fernando Granai¹
Marco Antonio Nunes da Silva
Ulysses de Barros Fernandes² [email protected]
Abstract-This article describes the importance of renewable energy sources focusing
the study on wind power, through an application demonstrating its functionality.
Performing the scaling of a small wind generator in a residential application with
basic equipment, it is possible to get essential data such as diameter blade, for use
in localized areas or in isolated spots outside the cities, out of reach of broadcasts
grid.
Keywords : Renewable Energy, Wind Generator, Diameter blade.
Resumo-Este artigo descreve a importância das fontes de energias renováveis
focando o estudo na energia eólica, demostrando através de uma aplicação sua
funcionalidade. Realizando o dimensionamento de um gerador eólico de pequeno
porte em uma aplicação residencial com equipamentos básicos, torna-se possível
conseguir dados essenciais como diâmetro das pás, para a utilização em áreas
localizadas em pontos isolados ou fora das cidades, longe do alcance das
transmissões da rede elétrica.
Palavras chave: Energias Renováveis, Gerador Eólico, Diâmetro das Pás.
2
1 INTRODUÇÃO
A geração de energia elétrica por meio de fontes renováveis é um tema
relevante, levando em consideração às fontes convencionais (como exemplo, os
combustíveis fósseis) que, por sua vez, trazem consigo agressões ao meio ambiente
e ao planeta.
A qualidade de vida de uma sociedade está diretamente ligada ao seu
consumo de energia, tornando necessária uma conscientização maior no que diz
respeito à sua utilização.
As energias que são consideradas recursos não-renováveis, como o
petróleo e o carvão, com a utilização acabam se esgotando, além de causarem
efeitos colaterais ao planeta. É assim que surge a necessidade das fontes de
energias renováveis e limpas, entre elas se destacam a energia solar, biomassa,
eólica, entre outras.
Para desenvolvimento do projeto foi escolhida a energia eólica que se bem
aproveitada pode ser de grande utilidade, pois além de não poluir o meio ambiente e
quase não causar danos à natureza, também pode ser muito bem aproveitada no
Brasil onde há um potencial eólico grande e a ser considerado em algumas regiões.
A energia eólica para Chaves, Alves, Moreira et al:
É uma forma de energia cinética produzida pelo aquecimento diferenciado das camadas de ar, originando uma variação da massa específica e gradientes de pressão. Além disso, também é influenciada pelo movimento de rotação da Terra sobre o seu eixo e depende significativamente de influências naturais.
Sabendo dessa importante forma de produzir energia elétrica, pode se ver
no mundo atual, muitos países investindo em parques eólicos, moinhos de ventos e
principalmente em estudos que englobam todos esses fatores que implicam em um
futuro melhor para os descendentes, que poderão sofrer consequências menores
com a utilização dessa forma de geração de energia.
No Brasil se encontram instalados 248 MW de capacidade de energia eólica
derivados de dezesseis empreendimentos em operação.
A figura 1 mostra algumas usinas em operação no Brasil no ano de 2007.
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Figura 1 - Usinas em operação no Brasil
Fonte: www.aneel.com.br (2007)
Sabe-se também que a energia eólica não é uma energia fixa e que tende a
variar, não sendo constante como as demais e por isso é necessário o controle de
potência dos aerogeradores. Outra opção é o armazenamento em baterias, que é o
mais viável em instalações de baixa potência.
A utilização dessa opção energética em áreas isoladas pode ser de
grande ajuda já que em algumas regiões, famílias ainda não podem usufruir da
energia por não terem transmissão das redes elétricas até suas residências.
1.1 OBJETIVO
Desenvolver um projeto teórico de um gerador eólico de pequeno porte para
suprir necessidades básicas de uma residência em locais onde não se tenha
transmissão de energia por redes elétricas e em lugares onde haja potencial eólico
que satisfaça a necessidade do projeto, apresentando também através de um
protótipo experimental a validação e demonstração da energia eólica.
1.2 JUSTIFICATIVA
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Todos precisam da energia elétrica e é impossível pensar no mundo atual
sem ela. Com isso tornam-se importantes os meios alternativos de geração de
energia.
A produção da eletricidade através da energia eólica é uma ótima opção
para nosso país que tem um grande potencial eólico em algumas regiões.
Levando em conta uma residência com equipamentos básicos para uma
localidade, com ventos que supram os requisitos para movimentação das pás, pode-
se produzir energia elétrica, diminuindo um problema e ainda colaborando com o
meio ambiente pelo fato de se utilizar de uma fonte renovável e limpa de geração de
energia.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 AEROGERADORES
O aerogerador é um dispositivo que capta a energia contida nos ventos
através de suas pás e pelo movimento de rotação de seu eixo, acoplado á um
gerador elétrico, transforma a energia cinética gerada pelo rotor em energia elétrica.
Entretanto os geradores elétricos acoplados a eles não produzem energia suficiente
girando na mesma rotação em que as pás do rotor giram, pois não alcançam altas
rotações, geralmente entre 100 RPM, dependente do diâmetro de suas pás, já os
geradores produzem energia acima de 1000 RPM.
Existem hoje vários tipos de aerogeradores, sendo que cada um tem uma
funcionalidade e características diferentes. Para que se haja um aproveitamento
melhor é necessário entende-los e saber para que, como e onde serão utilizados.
Entre os geradores eólicos pode-se dizer que o mais conhecido é o de eixo
horizontal.
Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns, e grande parte da experiência mundial está voltada para a sua utilização. São movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação (lift) e forças de arrasto (drag). Um corpo que obstrui o movimento do vento sofre a ação de forças que atuam perpendicularmente ao escoamento (forças de sustentação) e de forças que atuam na direção do escoamento (forças de arrasto). CRESESB (2008)
A figura 2 mostra um modelo esquemático de um aerogerador de eixo
horizontal.
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Figura 2 – Esquemático de um aerogerador
Fonte: Andrade, 2007
A pá é um dos equipamentos mais importantes, pois é através da sua
movimentação, causada pelo vento que passa por ela, que se pode gerar energia
elétrica.
Para saber qual a quantidade de energia que pode ser gerada é necessário
entender quatro fatores que influenciam no sistema que são: a quantidade de vento
que passa pelas pás, o diâmetro das pás, a dimensão do gerador e o rendimento de
todo o sistema.
O princípio para geração de energia é simples, o gerador é ligado por meio
de um conjunto acionador e um rotor, constituído de um cubo e um grupo de pás. O
vento aciona o rotor girando o gerador, que por sua vez, converte a energia
mecânica das pás em energia elétrica.
2.2 COMPONENTES DE UM SISTEMA EÓLICO CONVENCIONAL
2.2.1 Vento
É o principal elemento, ele determina a disponibilidade energética do local
destinado à instalação do sistema eólico.
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2.2.2 Rotor
Componente responsável por captar a energia cinética dos ventos e
transformá-la em energia mecânica de rotação. É o componente que mais
caracteriza um sistema eólico, pois ele influencia diretamente no rendimento do
sistema.
2.2.3 Transmissão e caixa multiplicadora
A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de
transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador adequando a
rotação do rotor compatível com a rotação do gerador elétrico.
2.2.4 Gerador Elétrico
Responsável pela transformação da energia mecânica de rotação em
energia elétrica através de equipamentos de conversão eletromecânica.
2.2.5 Mecanismo de Controle
Destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao controle de
carga, etc. Pela variedade de controles, existe uma enorme variedade de
mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos
(posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da carga).
2.2.6 Torre
As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma altura
conveniente para o seu funcionamento. Em geral, as torres são fabricadas de metal
(treliça ou tubular) ou de concreto e podem ser ou não sustentadas por cabos
tensores.
2.2.7 Sistema de Armazenamento
Também chamado de banco de baterias, pode ser necessária à utilização
desse sistema devido à mudança de comportamento do vento ao longo do tempo,
ele garante o fornecimento de energia adequado à demanda.
2.2.8 Transformador
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Responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede
elétrica.
2.2.9 Acessórios
Englobam todos os itens de apoio necessários ao funcionamento do sistema
eólico como freios, embreagens, acoplamentos, eixos e mancais.
2.3 POTENCIAL EÓLICO
Levantamentos de estudos feitos e de alguns ainda em andamento (locais,
regionais e nacionais), têm dado suporte e motivado a exploração comercial da
energia eólica no País. Os primeiros estudos foram feitos na região Nordeste,
principalmente no Ceará e em Pernambuco.
De acordo com informações da Secretaria de Energia de São Paulo (2012),
cidades como Bauru, Campinas e Sorocaba destacam-se no Atlas Eólico do Estado
de São Paulo, tendo a possibilidade de gerar 13 TWh de energia limpa e renovável
por ano que implica no atendimento de cinco milhões de residências durante doze
meses.
Com o apoio da ANEEL e do Ministério de Ciência e Tecnologia - MCT, o
Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE, da Universidade Federal de
Pernambuco – UFPE, publicou em 1998 a primeira versão do Atlas Eólico da Região
Nordeste. A continuidade desse trabalho resultou no Panorama do Potencial Eólico
no Brasil.
Os recursos apresentados a seguir, referem-se à velocidade média do vento
e energia eólica média a uma altura de 50m acima da superfície para 5 condições
topográficas distintas:
Zona costeira – áreas de praia, normalmente com larga faixa de areia,
onde o vento incide predominantemente do sentido mar-terra;
Campo aberto – áreas planas de pastagens, plantações e /ou
vegetação baixa sem muitas árvores altas;
Mata – áreas de vegetação nativa com arbustos e árvores altas mas
de baixa densidade, tipo de terreno que causa mais obstruções ao fluxo de vento;
Morro – áreas de relevo levemente ondulado, relativamente complexo,
com pouca vegetação ou pasto;
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Montanha – áreas de relevo complexo, com altas montanhas.
A tabela 1 demonstra os dados para cada uma das condições.
Tabela 1 - Definição das classes de energia
Fonte: http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_3.htm
Apesar de toda potência do vento, somente parte dela pode ser extraída
para geração de energia, e essa parcela é determinada pelo coeficiente de potência,
Cp, isto é, a relação entre a potência possível de se extrair do vento e a quantidade
total nele contida (FARRET, 1999, p.70).
O coeficiente de potência máximo teórico que uma turbina pode extrair do
vento, segundo o limite de Betz, é de aproximadamente 59% (Cp de 0,59), mas para
aplicações práticas utilizam-se valores inferiores.
Outro fator a ser levado em consideração é distribuição dos ventos no país, o qual pode ser observado na figura 3:
Figura 3 - Distribuição dos Ventos no Brasil
Fonte: G1, 2011
9
2.4 Utilização da energia eólica isolada
Com o uso da energia eólica isolada torna-se possível utilizar–se de
sistemas de pequeno porte, onde um armazenamento posterior à geração, que pode
ser feito através de baterias, torna-se necessário.
Esse sistema necessita de um controle de carga e um inversor para
utilização em corrente alternada (CA).
Os geradores eólicos são uma ótima opção de geração de energia elétrica
para pontos isolados, pois um pequeno aerogerador pode abastecer uma residência,
sendo bastante viável comparando-o com outros tipos de geradores (geradores á
diesel ou á gasolina).
Na figura 4 é demonstrada uma exemplificação de um sistema eólico
residencial.
Figura 4 - Sistema Eólico Residencial
Fonte: Andrade, 2007
2.5 Dimensionamento do gerador eólico de pequeno porte
2.5.1 Cálculo da demanda
Antes de dimensionar o aerogerador é necessário conhecer a demanda e a
carga na qual ele será submetido para que não haja sobrecarga no sistema.
Na tabela 2 é calculada, para uma residência com equipamentos básicos, a
demanda total para o dimensionamento através do cálculo de demanda:
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Onde: D= Demanda total P= Potência em watts FD = Fator de demanda FP = Fator de Potência N= rendimento do equipamento
Tabela 2 - Demanda de uma pequena residência
Fonte: Os autores
O chuveiro elétrico deve ser evitado para aplicações de pequeno porte, pois
consome muita energia e implica em um grande acréscimo de custo neste sistema e
sabe-se que existem outras formas de aquecimento de água muito mais viáveis.
Tendo já calculada a demanda total é necessário também determinar o
tempo de uso de cada aparelho para conseguir dimensionar a bateria para fornecer
a energia necessária para o consumo diário total. A tabela 3 determina o valor
através do cálculo de demanda para bateria:
(
)
Onde : D= demanda P = potência em watts V= tensão da bateria T= tempo de uso do equipamento
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Tabela 3 - Consumo de Bateria
Fonte: Os autores
Nessas condições de uso torna-se necessário um banco de baterias com
carga disponível em torno de 202 Ah (ampere hora).
2.5.2 Cálculo da pá necessária
Para a demanda total de 588 W e o consumo de carga de 202 Ah
encontram-se alternadores bem próximos dos valores obtidos como, por exemplo,
um alternador de 55 A e 12 V, totalizando 660 W de potência que supri o
abastecimento da residência.
Para se obter o tamanho das pás que movimentará o aerogerador é preciso
conhecer a força necessária para o funcionamento e esse valor é obtido pela
seguinte expressão:
Onde:
Aplicando na fórmula tem-se que:
Para acionar o gerador, é necessário cerca de 0,965 CV de potência a ser
extraída do vento por suas pás.
Conversão de unidades de cavalo vapor (CV) para watts (W):
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Onde:
Totalizando um montante de 704 W a ser extraído do vento.
Com base nessas informações, é possível determinar o diâmetro das pás
que impulsionarão o gerador eólico.
Através do cálculo do potencial eólico tem-se que:
Sendo:
Isolando a área (S) da fórmula, obtem-se:
Assim é possível determinar a área varrida pelas pás.
Como descrito anteriormente, necessita-se de uma potência a ser extraída
do vento de 704 W.
Convertendo unidades: 704/9,81= 71,76 kgm/s
Substituindo na fórmula utilizando um coeficiente de potência (CP) de 0,25 e
com velocidade média de ventos de 4,5 m/s:
Obtendo assim, uma pá que tenha 4,87 m² de área varrida.
Sendo:
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Isolando r:
√
Colocando os dados na fórmula tem se que:
√
Transformando para diâmetro: , ,
Após todo o procedimento chega-se á pás com 2,5 m de diâmetro para que
se acione o gerador eólico com potência de 660 W.
2.6 Custo estimado
Após consultas de preços dos principais componentes do aerogerador
obtém os seguintes valores conforme indicado na tabela 4.
Tabela 4 - Custo estimado do gerador
Fonte: Os autores
2.7 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO
Para demonstração da energia eólica foi desenvolvido um protótipo
experimental em menor escala contendo alguns dos principais itens de um sistema
eólico convencional como: rotor, gerador trifásico e retificador.
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Figura 5 – Protótipo Experimental de Aerogerador
Fonte: Os autores
Em testes realizados em túnel de vento, verificou-se a geração de energia
com esse equipamento em torno de 8,5V com uma carga aplicada de 21W (uma
lâmpada de 12V e 21W). Para utilização em condições reais de aplicação torna-se
necessário um multiplicador de velocidades, pois o gerador que foi utilizado no
protótipo necessita de rotação elevada para gerar energia em sua potência nominal.
Figura 6 - Aerogerador Experimental
Fonte: Os autores
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3 CONCLUSÃO
Com o desenvolvimento deste artigo conclui-se que as fontes de energias
renováveis, como a energia eólica, vem ganhando espaço no mundo atual onde a
busca por energias limpas é um grande desafio para as próximas décadas.
A utilização eólica torna-se uma ótima opção de geração de eletricidade em
locais onde não se tem redes de transmissão de energia elétrica.
Sua instalação implica primeiramente conhecer alguns fatores determinantes
como é o caso da disponibilidade dos ventos, sua intensidade e frequência. Logo
após é preciso conhecer o consumo da residência para que se dimensione o
gerador eólico e o banco de baterias capaz de suprir a demanda sem que haja
sobrecarga no sistema.
O protótipo desenvolvido é em menor escala e foi verificada a necessidade
de um multiplicador de velocidade, pois o gerador, ao qual o rotor está acoplado
diretamente, precisa girar em maior rotação para que produza energia conforme o
especificado (potência nominal do gerador).
Futuros estudos e o surgimento de novas tecnologias poderão implicar em
novos projetos para utilização de aerogeradores mais acessíveis e com maior
eficiência e consequentemente a redução de uso de fontes de energias não-
renováveis e nocivas ao meio ambiente.
REFERÊNCIAS ANDRADE, José Roberto Junior. Energia eólica e aerogeradores. 2007.
Apresentação (Disciplina tópicos de mecânica) – Faculdade Tecnológica do Paraná – UTFPR. ATLAS DE ENERGIA ELÉTRICA DO BRASIL/Agência Nacional de Energia
Elétrica. Ed. Brasília: Aneel, 2008. CAMPOS, Fabio Galizia Ribeiro, Gerador de energia a partir de fonte eólica com gerador assíncrono conectado a conversor estático duplo, 2004, Dissertação
(Mestrado em Engenharia), Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, 2004. CHAVES, Anderson Martins. SANTOS, Sheila Alves dos. MOREIRA, Maicon Roberto. GODOI Luciano de. Gerador eólico. Projeto, Universidade Paulista, UNIP,
Limeira, SP, 2010.
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CRESESB, Tipos de geradores para geração de Energia Eólica, 2008, Disponivel
em: http://www.cresesb.cepel.br/content.php?cid=231, acesso em 02 de nov. 2013. FARRET, Feliz Alberto. Aproveitamento de pequenas fontes de energia elétrica-
Santa Maria Ed. da UFSM, 1999 245 p. MARTINS, F., R., GUARNIERI, R., A., PEREIRA, E., B... O aproveitamento da energia eólica. Artigo (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Centro de
Previsão do Tempo e Estudos Climáticos), São José dos Campos, SP, 2007. MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE - Energia Eólica. Disponível em:<
http://www.mma.gov.br/clima/energia/energias-renovaveis/energia-eolica>. Acesso
em: 05/11/2013. SECRETARIA DE ENERGIA DE SÃO PAULO, Atlas Eólico de São Paulo é lançado< http://www.energia.sp.gov.br/lenoticia.php?id=396>. Acesso em: 27 de out.
de 2013.