gerador eólico de 24kw - bibl.ita.br · pdf filegerador eólico de 24kw ......
TRANSCRIPT
Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010
Gerador Eólico de 24kW
Daniela Vacarini de Faria Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP – Brasil Bolsista PIBIC – CNPq [email protected]
Lindolfo Araújo Moreira Filho Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias
CEP 12228-901 - São José dos Campos, SP – Brasil [email protected]
Resumo: Neste trabalho analisou-se dois projetos distintos de uma torre para emprego em gerador eólico, sendo uma cônica e outra telescópica. Ambas foram analisadas segundo o critério de Von Misses, para verificação do deslocamento e tensão máxima, sendo que as duas satisfaziam os requisitos do projeto. Na análise modal, porém, apenas a torre cônica possuía frequências naturais fora da faixa de frequências da sombra das pás do rotor. Palavras-chave: energia eólica, aerogerador.
1. Introdução
Em locais com velocidades de vento elevadas, as usinas eólicas competem com os custos das formas
de geração convencional, além de não poluir. Em locais isolados e distantes da rede elétrica, mesmo com
velocidades mais baixas, a energia eólica é competitiva devido aos altos custos de extensão da rede
convencional. Com a conscientização ecológica e o gradual esgotamento das reservas energéticas
convencionais, a energia eólica torna-se cada vez mais competitiva. Em países como Dinamarca e
Alemanha, por exemplo, a energia eólica já tem participação expressiva na matriz energética nacional. No
Brasil, além dos problemas energéticos comuns mundiais, a geração insuficiente de energia elétrica pode
comprometer a retomada do crescimento econômico e ainda existem várias localidades que ainda não
possuem acesso a energia elétrica, comprometendo a inclusão social. Neste contexto a energia eólica pode
cumprir importante papel, pois grande parte do litoral brasileiro e diversas áreas montanhosas no interior
são propícias para a geração eólica. Temos sete destas usinas em operação no Brasil, mas utilizando equipamentos importados. Além disso várias fazendas, vilas e cidades isoladas poderão obter o acesso à
energia elétrica, reduzindo o uso de geradores diesel e, o mais importante, abandonando a escuridão e a
exclusão social.
2. Objetivos
Avaliar teórica e numericamente a torre de um gerador eólico de 24 kW, de características
inovadoras, de baixo custo, para velocidades moderadas de vento, destinado a emprego individual em
residências ou instalações (micro usinas) e também para compor uma "fazenda de geradores", com
possibilidade de integração a outras fontes alternativas de energia e à rede de energia das operadoras. A
investigação concentra-se na aerodinâmica de turbinas eólicas tradicionais com hélice de eixo horizontal,
no armazenamento da energia por baterias de acumuladores e por capacitores especiais, no material e dinâmica de vibrações das torres e estruturas e no circuito de controle para inicialização, frenagem,
guinada, proteção contra ventos muito fortes e otimização da eficiência de geração. As facilidades e
recursos humanos do ITA e da empresa interveniente serão utilizados para a construção e teste do
protótipo, que poderá ensejar uma fabricação em larga escala.
3. Método
3.1. Requisitos do projeto
A torre deve ser projetada para ser instalada na região rural de São José dos Campos, se adequando
às condições climáticas da região. A nacele terá 600kg, sendo q o eixo das pás fica a 60cm de sua base. O
rotor é constituído de 3 pás, projetadas para funcionarem entre 60 e 100rpm. A torre deverá ter
aproximadamente 18m de altura.
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
3.2. Força exercida pelo vento
Os cálculos da força exercida pelo vento foram feitos de acordo com a norma NBR 6123 “Forças
devidas ao vento em edificações”, de Junho de 1988. De uma maneira geral, cada componente da força
exercida pelo vento pode ser expressa pela Eq. (1).
(1)
Onde q é a pressão dinâmica; Cf e A são, respectivamente, um coeficiente de força e a área de
referência, especificados em cada caso.
A pressão dinâmica será dada Eq. (2).
(2)
Sendo Vk, velocidade característica, obtida através da Eq. (3).
(3)
Onde V0 é a velocidade básica; S1, um fator topográfico; S2 , um fator que considera a influência da
rugosidade do terreno e das dimensões da edificação e de sua altura sobre o terreno; S3, um fator baseado
em conceitos probabilísticos
3.3. Análise
As torres projetadas foram analisadas usando-se o programa Nastran.
4.Resultados e discussão
3.1. Força exercida pelo vento
O cálculo da força exercida pelo vento encontra-se a seguir.
3.1.1. Velocidade Básica
A velocidade básica foi obtida através da figura 1.
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
Figura 1:Carta de ventos
Para a região do Vale do Paraíba, a velocidade básica é 30 m/s.
3.1.2. Fator topográfico, S1
Este fator considera o relevo do terreno, que deve ser classificado numa das seguintes categorias:
I. terreno plano ou fracamente acidentado;
II. taludes e morros;
III. vales profundos, protegidos de ventos de qualquer direção.
Considerando um terreno fracamente acidentadado, tem-se S1=1.
3.1.3. Fator de rugosidade e geometria, S2
No cálculo do fator S2 leva-se em consideração os efeitos da rugosidade do terreno, da variação da
velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimensões da torre.
“Em ventos fortes em estabilidade neutra, a velocidade do vento aumenta com a altura acima do terreno. Este aumento depende da rugosidade do terreno e do intervalo de tempo considerado na
determinação da velocidade.
Este intervalo de tempo está relacionado com as dimensões da edificação, pois edificações
pequenas e elementos de edificações são mais afetados por rajadas de curta duração do que grandes
edificações. Para estas, é mais adequado considerar o vento médio calculado com um intervalo de tempo
maior.”
Com base nas características da zona rural do Vale do Paraíba e das classificações fornecidas na
pág8 da NBR 6123 foi escolhida a classificação que se segue:
I. Rugosidade do terreno
Categoria III: Terrenos planos ou ondulados com obstáculos, tais como sebes e muros, poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas.
II. Dimensões da edificação
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
Classe A: Todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças individuais de estruturas
sem vedação. Toda edificação na qual a maior dimensão horizontal ou vertical não exceda 20 m.
Figura 2: Tabela do fator S2
A partir das considerações feitas, o valor adotado para o fator S2 será igual a 1,06.
3.1.4. Fator probabilístico, S3
O fator estatístico S3 considera o grau de segurança requerido e a vida útil da edificação., para este
projeto S3=1.
3.1.5. Pressão dinâmica
Apartir dos dados obtidos, a pressão dinâmica será calculada pelas Eq.(1) e (2).
3.1.6. Coeficientes aerodinâmicos
A tabela a seguir fornece os coeficientes aerodinâmicos em uma edificação cilíndrica de seção
circular. Estes coeficientes aplicam-se somente para número de Reynolds Re > 420000 (acima da região
crítica) e com vento incidindo perpendicularmente ao eixo do cilindro, de diâmetro d. O número de
Reynolds é obtido a partir da Eq.(4).
(4)
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
Tabela 1- Coeficientes de arrasto, Ca, para barras prismáticas de seção circular e de comprimento infinito
Considerando que o diâmetro da torre será da ordem de 1m, tem-se a partir da Eq.(4):
A partir do Reynolds obtido, tem-se que: Ca=0,7.
Os coeficientes acima referem-se a barras prismáticas de comprimento. Para barras de comprimento
finito, os coeficientes de força devem ser multiplicados por um fator K. Este fator depende da relação
entre comprimento da barra (l) e de sua largura (d) medida na direção perpendicular à do vento. A tabela
a seguir fornece os valores de K em função de l/d.
Tabela 2 - Valores do fator de redução, K, para barras de comprimento finito
Considerando que l é da ordem de 18m e d da ordem de 1m, tem-se :
Para barras de seção circular em regime acima de Re=4,2.105 e razão l/d=20, a tabela fornece
K=0,9.
3.1.7. Cálculo da pressão na Torre
A partir dos valores calculados nas seções anteriores, tem-se pela Eq. (5):
(5)
3.2. Planta da Torre
Foram analisadas as duas torres representadas na figura 3. As duas torres foram analisadas para uma
chapa de aço com 4mm de espessura.
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
Figura 3: Projeto da torre cônica e telescópica.
3.3. Análise dos projetos
3.3.1. Análise estrutural
As torres foram analisadas pelo critério de Von Misses, usndo-se o Nastran. Os resultados
encontram-se nas figuras 4 e 5.
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
Figura 4:Tensões na torre cônica
Figura 5: tensões na torre telescópica
Ambas estruturas possuem tensão máxima inferior a 200MPa, limite de escoamento do aço.
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
3.3.2. Analise de frequências naturais
O resultado da análise modal das estruturas encontra-se nas figuras 6 e 7.
Figura 6:Primeiro modo de vibração
Figura 7:Primeiro modo de vibração
A estrutura telescópica apresenta primeiro modo de vibração igual a 5,05Hz, enquanto a torre cônica
apresenta primeiro modo igual a 6,16Hz. A frequência das pás vai de 60rpm a 100rpm, ou seja, 1Hz a
1,7Hz. Considerando um rotor com 3 pás, as sombras na torre serão de 3Hz a 5Hz, portanto a torre cônica é mais adequada ao projeto.
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
5. Conclusão
Por satisfazer tanto o critério de Von Misses quanto os requisitos referentes a frequência das
sombras das pás, a torre cônica é a mais indicada para este projeto.
6. Agradecimentos
Agradeço ao Cnpq, aos professores Lindolfo Araújo Moreira Filho e Alfredo Faria e ao colega Elder
Soares Rodrigues.
7. Referências
Comitê Brasileiro de Construção Civil, 1988, “Forças devidas ao vento em Edificações”, Associação
Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, Brazil, pp. 4 -35.