GERADOR ELICO DE PEQUENO PORTE PARA ECONOMIA DE ENERGIA: DESAFIO PARA APLICAES

Carlos Eduardo de Oliveira carloseduardo1984@gmail.com

Centro Universitrio Newton Paiva

Cludio Castro Pradoccprado@link1000.com.br

Instituto Nacional de Telecomunicaes

Abstract It has been proposed development and economic feasibility study of a small wind generator, using an aero generator manufacturing craft and a simulation model that enables performance analysis using mathematical tools and part of the circuitry in laboratory experiments. The wind system used comprises a stepper motor that acts as a permanent magnet generator with a potential of up to 48 Watts associated with a system processing power. The economic feasibility analysis is performed in employment in the aero generator and battery charging in remote applications like boats and villas in places of difficult access for power utilities, with the help of a program that processes the data and provides the winds kinetic energy to the drive system.

Index terms: development, feasibility, wind generator.

Resumo Foi proposto o desenvolvimento e estudo de viabilidade econmica de um gerador de energia elico de pequeno porte, utilizando um aero gerador de fabricao artesanal, um modelo de simulao, que permite a anlise do desempenho utilizando-se de ferramentas matemticas, e parte dos circuitos em experimentos de laboratrio. O sistema elico utilizado formado por um motor de passo que desempenha o papel de gerador de im permanente com potencial de at 48 Watts, associado a um sistema de processamento de potncia. A anlise de viabilidade econmica realizada no emprego do aero gerador em carregamento de baterias e em aplicaes remotas como em barcos e moradias em locais de difcil acesso das concessionrias de energia, com o auxilio de um programa que processa os dados dos ventos e fornece a energia cintica ao conversor do sistema. Palavras chave: desenvolvimento, viabilidade e gerador de energia elico.

1. Introduo Trata-se da montagem e anlise de um sistema de gerao online de energia composto por: um captador elico, gerador CC, inversor half-bridge e controlador de carga CC/AC senoidal. 2. Foco do desenvolvimento A energia dos ventos j utilizada h sculos pelo homem, porm sua utilizao inicial focava-se em aplicaes domsticas para processamento de gros, como conhecidos os moinhos holandeses, ou at mesmo para bombear gua em fazendas. Uma das formas de energia primria abundante na natureza a Energia dos Ventos, denominada energia Elica. A tcnica de converso da energia dos ventos em energia mecnica primeiramente foi explorada para utilizao em propulso de navios, moinhos de cereais, bombas de gua e na idade mdia para mover a indstria de forjaria No inverno de 1887-1888 Charles F. Brush colocou em operao a

primeira turbina elica automtica com dimetro do rotor de 17m e 144 ps de madeira para gerar energia eltrica. [1]

Com a era das mquinas, o crescimento do uso das tecnologias relacionadas energia eltrica e a necessidade da Europa buscar fontes renovveis para substituio das Termoeltricas movidas a carvo e combustveis fosseis houve a ampliao do uso destes captadores de energia cintica para gerao de eletricidade no continente Europeu devido a sua caracterstica geogrfica favorvel a este tipo de captao de energia. Hoje podemos encontrar geradores com ps de 2(m) at aproximadamente 300(m) de dimetro.

Seguindo o princpio que os primeiros geradores elicos eram utilizados somente para captao de energia cintica de uso domiciliar nas fazendas, sendo devido a este conceito foi buscado um conjunto de tecnologias para este gerador cujo custo fosse vivel para proporcionar economia e no autonomia durante seu uso. Visto a grande parcela dos fabricantes de geradores no Brasil trabalham na gerao da ordem de MW (megawatt), foi foco o estudo de um gerador inferior a 2,0 kW (quilowatt) especificamente para uso residencial ou em aplicaes de baixo consumo, por exemplo, em pequenas embarcaes ou para domiclios distantes da malha da rede eltrica nacional.

3. Potencial elico brasileiro O Brasil, diferentemente de muitos pases desenvolvidos, possui um grande potencial elico, principalmente no litoral do nordeste. Nessa regio foram constatadas velocidades mdias anuais entre 6,0 e 8,5 m/s a 50 metros de altura, de direo predominantemente nordeste e pouca turbulncia durante o ano, sendo os estados do Cear e do Rio Grande do Norte os que possuem as reas de maior potencial do pas. Alm destes, foi verificado que no estado de Minas Gerais, mesmo a 100 km de distncia do mar, possui um bom potencial elico. [2] Tal fato foi comprovado em pesquisa do Centro de Pesquisas de Energia Eltrica, rgo do Ministrio de Minas de Energia em 2001 onde foi citado que o Brasil possui um potencial de mais de 140 (GW) de gerao de energia.

Fig. 1. Potencial Elico Brasileiro - Atlas do Potencial Elico Brasileiro CEPEL 2001.

4. Tecnologia e viabilidade Como mencionado anteriormente s tecnologias dos geradores atuais so voltadas para escalas na ordem de centenas ou milhares de quilowatts (kW), onde devido magnitude certas perdas tornam-se considerveis, porm j com recursos e solues, mas ao citar aplicaes de baixa escala temos condies que se tornam menos favorveis, como: a mecnica pouco desenvolvida, a rea de captao

menor, o alto custo das torres em relao a quantidade de energia gerada, enfim uma relao custo benefcio crtica, porm, como proposto solues ainda pouco exploradas e desenvolvidas para reduo de custos e viabilizao em relao a estes fatores acima descritos.

Fig. 2. Evoluo dos aerogeradores desde 1985 at 2005 (DEWI, 2005).

A Figura 2 mostra a evoluo da escala em grandes propores, entretanto aplicaes de baixo

potencial, inferior a 3,0 (kW) de gerao, a relao custo benefcio tende a ser crtica, conforme ser mostrado adiante.

TABELA I

CUSTO DE ENERGIA ELTRICA GERADA R$/KWH (M. M. REIS -2003). Curva de potncia do fabricante Curva de potncia simulada Carregamento de baterias Bombeamento Carreg. de baterias Bombeamento Litoral 0,96 0,42 0,68 0,36 Interior 1,86 0,80 1,58 0,68

Levando em considerao que no perodo em que o levantamento dos dados da Tabela 1 foi realizado,

o custo mdio do kWh era de R$0,56. Fica claro que o custo somente vivel em situaes de uso no litoral, onde a incidncia dos ventos mais constante. Para as demais condies, segundo o fabricante, tem-se uma condio fora do ponto de equilbrio.

Utilizando estes dados e o perfil de explorao em mbito nacional obtm-se uma condio favorvel para aplicaes de pequeno porte. Porm a tecnologia para esta magnitude no Brasil possui pouca explorao, sendo um nmero restrito de empresas atuando atualmente no mercado brasileiro com equipamentos 100% nacionais. Numa breve consulta entre 10 empresas do seguimento, foi constatado que todas trabalham com pelo menos em 90% das instalaes de aerogeradores com tecnologias vindas da Europa, onde grande o desenvolvimento de equipamentos neste setor e consequente diferencial de custo. Somente o bloco de baterias e os cabos so de origem nacional em alguns casos e com potencial para competitividade no valor de venda.

Para tal cenrio o desenvolvimento demonstrou ser de grande valia, sendo o aerogerador proposto na

ordem de 100,0 (W), podendo ser redimensionado para at 2 (kW). O projeto pode ser descrito em sete blocos, sendo: captadores (ps de fluxo axial direto ou frontal), controlador de velocidade (freios aero mecnicos - por fora centrfuga), gerador (motor de passo at 12Vdc/10A ou 120W), controlador de carga (circuito com LM338), bateria (12Vdc/40Ah) , inversor e sincronismo de rede.

Fig. 3. Blocos do aerogerador proposto Fig. 4. Blocos do aerogerador de base para o projeto A energia cintica ou Potncia captada pelas ps definida por:

2

22

1v

LcAPv (1)

Onde: Pv: potncia do vento em Watts; : densidade do ar; A: rea das ps; Lc: comprimento das ps; v: velocidade do vento.

Sendo ao nvel do mar e a 15 C, de acordo com a ISA (International Standard Atmosphere), o ar tem uma densidade de cerca de 1, 225 kg/m.

Para mensurar a velocidade dos ventos pode-se utilizar um equipamento digital denominado anemmetro para avaliar a condio ambiental do local onde se deseja aplicar o gerador.

O ideal so ventos acima de 5,0 m/s para uma condio favorvel de gerao, conforme figura 5, assim possvel conseguir a potncia desejada neste projeto (100,0 W), o que j considerado satisfatrio para gerao de baixa escala de potncia devido as limitaes da captao como pequena rea das ps e baixa altitude das torres, sendo que para sistemas de grande porte as torres so acima de 50 metros em relao ao solo.

Fig. 5. Curva de potncia de um aerogerador (Fonte: IVONI, C. Acunha Jr, 2006-FURG- RS)

Para o controle de carga, foi simulado o controlado LM338, com capacidade at 5,0 A, sendo

dimensionado para 4,0 A, visando evitar danos bateria utilizada nos testes, nesta escala de regulao necessrio o dimensionamento de dissipadores de potncia, sendo utilizado um perfil de alumnio, onde sua rea calculada por:

)( TfTshAQ (2) Onde: Q = Taxa de calor dissipado (C/W); h=coeficiente de transporte de calor (W/mK);

A= rea do dissipador (m); Ts= Temperatura da superfcie de contato (C); Tf= Temperatura do fluido (do ar). O dissipador foi calculado para faixa 20% acima da nominal de operao do inversor, ou seja, 120(W)

para assegurar pleno funcionamento, o mesmo se aplica aos elementos chaveadores do circuito inversor.

Fig. 6. Controlador de carga (Datasheet LM338-Texas Instruments -2012)

O circuito inversor em estudo foi o da configurao de meia-ponte foi desenvolvido com a tecnologia

de microprocessamento para controle de dois Mosfets, cuja finalidade a substituio das chaves S1 e S2,sendo controladas pelo microcontrolador Risc PIC16F913 para o controle do inversor de frequncia, onde a partir de um sinal contnuo (fornecido por baterias tipo estacionria 12Vdc/40Ah) possvel fornecer um sinal alternado (senoidal 120Vac/60Hz) aplicando um processo de derivao e integrao para gerar o sinal da rede eltrica, baseado no conceito matemtico de Transformada Rpida de Fourier, dado por:

uxN

N

x

WxfN

uF )(1

)(1

0

(3)

Fig. 7. Inversor de meia-ponte (ESPINOZA, Jose R., Power Electronics Handbook, 2001 pg.227).

Sendo um processo de somatria dos sinais que compem a onda senoidal fundamental de 60(Hz),

que por sua vez integrada e amplificada no inversor de meia-ponte para resultar no sinal equivalente ao da rede eltrica de 127,0 (Vac)/60(Hz), onde o sinal de controle pode ser observado pela figura 8, a seguir:

Fig. 8. Formas de onda de um inversor de meia ponte (ESPINOZA, J. R, Power Electronics Handbook,

2001 p.228) Um recurso adicional ao projeto foi o captador de cruzamento de zero, cuja finalidade foi de indicar ao

processamento qual instante dever ser liberado o sinal eltrico para sada, visando evitar falta de sincronismo com a rede eltrica acoplada ao gerador, caso seja utilizado em conjunto com a rede para reduo de consumo, conforme ilustrado na Figura 8.

Fig. 9. Circuito de cruzamento de zero (Fonte: AN05- Sound.westhost - 2012)

Pode-se ainda utilizar o aerogerador como fonte isolada de energia, limitando-se a autonomia do

sistema. Para esta aplicao o circuito cruzamento de zero pode ser descartado, reduzindo o custo do projeto. Um exemplo que pode ser mencionado o de aplicao em pequenas embarcaes para utilizao de eletrodomsticos a bordo.

5. Ensaios, simulaes e custos O desempenho de cada bloco, sua eficincia e compatibilidade ao sistema como um todo foi avaliado, onde o melhor desempenho constatado foi no bloco inversor com uma eficincia de 76% da potncia entregue, ou seja, ao se fornecer uma potncia de 100,0(W), foram necessrios 124,0(W), sendo 24,0 (W) consumidos pelo sistema de gerao. Isso devido ao calor produzido pelo fluxo de corrente intenso causado pelo bloco inversor half-bridge. O controlador de carga demonstrou-se eficaz sendo que mesmo para variaes de tenso na faixa de 6,0 a 26,0 (Vdc) o fluxo de corrente permaneceu abaixo do ponto de proteo dimensionado. O circuito de cruzamento de zero foi simulado em ferramentas virtuais e avaliou-se que seu funcionamento e eficcia para sinalizao do ponto de sincronismo com a rede aplicada possibilitaria o uso em um sistema de suprimento para falhas da rede eltrica j existente.. A isolao galvnica do transformador utilizado no inversor half-bridge outro ponto relevante, pois proporciona mais segurana devido sua isolao fsica da rede.

A somatria do conjunto caixa, ps, gerador (motor de passo), bateria (12Vdc/40Ah-automotiva), circuito inversor, circuito controlador de carga e cross-over, resultou em um custo final de R$517,00, se considerarmos que para aumentar sua capacidade para 250,0 (W), que o valor dos geradores comercializados atualmente, resulta no custo de aproximadamente R$700,00. Em comparao com um Aerogerador de 250,0(W) de distribuio nacional, obtm-se um diferencial de custo de R$2300,00, ou seja, uma taxa de atratividade de mais de 200%, demonstrando um panorama favorvel para abertura de um empreendimento. Porm vale ressaltar o custo peridico das baterias, no caso uma bateria estacionria no conjunto resultaria num custo somatrio de R$550,00, o que para o custo final de produo seria R$1250,00, ainda dentro de uma faixa de atratividade para comercializao acima de 150%.

Avaliando o projeto no aspecto econmico para abertura de um empreendimento na prtica temos o seguinte panorama: investimento inicial, somando-se uma estimativa de 25 peas/ms, gastos fixos e variveis totalizando aproximadamente R$42.000,00. Sendo o preo unitrio inicial para este panorama de R$1500,00/unidade e decaindo cerca de 7% ao ano, com este perfil o negocio atingiria a taxa interna de retorno em cerca de 8 meses sendo financiado o capital total inicial para 60 .

Fig.10 Formao de custo do aerogerador.

Avaliando a composio de custos e como ilustrado na Figura 9, o preo unitrio foi formado considerando os valores fixos como materiais e mo de obra e custos variveis como juros (CPMF, IPI e salrios). Os custos iniciais podem referir-se aos gastos com o estudo de viabilidade tcnica, negociaes e desenvolvimento, projetos de engenharia, custos dos equipamentos, infraestrutura e despesas diversas. J os de operao e manuteno correspondem aos gastos com operao, reparo e reposio de equipamentos, arrendamento do terreno, entre outros [7].

Para tal podemos citar ainda que: Os fatores acima citados referem-se principalmente ao estudo da viabilidade de grandes parques elicos. Neste caso, algumas das caractersticas e custos envolvidos podem ser alterados ou, at mesmo, desconsiderados, dependendo da localizao e tamanho.

Outra avaliao que pode ser citada seria que para um gerador elico de 1,0 (kW) funcionando de forma autnoma temos: os gastos iniciais reduzidos como: despesas com avaliao do potencial elico do local, instalao do gerador, custos de equipamento. [7]

Relembrando que custos de operao e manuteno so provenientes da manuteno preventiva e que possveis reposies de componentes, como o caso das baterias podero ser necessrias, pois sua vida til de apenas trs anos, segundo informaes de alguns fabricantes. Para avaliao do potencial elico o estudo das velocidades e da variao da direo dos ventos por um perodo mnimo de um ano faz-se necessrio podendo ser realizado com auxilio das fontes meteorolgicas nacionais e equipamentos como anemmetros (medidor de velocidade dos ventos) e avaliao do terreno ao qual o equipamento ser instalado. Estes custos no esto inclusos nos clculos citados anteriormente j que se trata de custos de servios e no do projeto em si e que provem de uma fonte secundria de renda a contribuir para a abertura do negcio como diferencial a ser oferecido.

Fig. 11. Potncia em funo dos ventos [7]

Outro ponto que vale ressaltar que a aerodinmica das ps acaba por ser o grande impasse do

processo, pois exige ferramental de preciso para uma boa eficincia e no caso este custo foi adotado como mo de obra terceirizada, numa faixa de 3 horas de trabalho de um marceneiro convencional. No entanto este antigo aborda somente a avaliao dos blocos eletroeletrnicos.

Partindo para o perfil do cliente, um exemplo de reduo de consumo que pode ser utilizado para entendimento da aplicao do sistema seria: o custo do kWh fornecido pela CEMIG para classe residencial (B1) de R$ 0,40423 avaliado em dezembro de 2012, onde para um consumo de um conjunto TV + uma lmpada fluorescente + Notebook+ ventilador pequeno por 5h/dia, sistema com consumo mdio de 249(W), tem ao final do ms um consumo de 37,35kWh/ms resultando num valor de R$15,0979. Para que o Aerogerador de 250(W) seja pago, teramos de aguardar 96 meses (8 anos), avaliando a economia de consumo numa aplicao na poupana a 0,55% a.m. , considerando ainda que no tenhamos manuteno e levando em considerao a vida til da bateria que em mdia 3 anos, nesses 3 anos teramos mais de R$625,00 de rendimento na poupana a uma taxa mdia de 8%a.a., suficiente para troca da bateria, alm destes fatores ainda temos o fator de mercado deste tipo de equipamento, ainda pouco explorado para aplicaes domiciliares, que pode ser considerado mais um fator adverso a viabilidade de fabricao como uma barreira comercial a ser vencida.

6. Concluses O sistema de converso apresentou grande eficincia, acima de 75%, estabilidade, com frequncia fixa e custo mdio atrativo para empreendimento comercial, pois considerando o custo de confeco possvel

obter lucro na fabricao deste tipo de equipamento. Estima-se que em um perodo oito anos o sistema dever apresentar retorno econmico ao cliente. Do ponto de vista do consumidor final, e em relao vida til das baterias encontradas no mercado (trs anos em mdia) teramos um custo intermedirio na troca destas acima do ideal para tornar a aplicao vivel, porm aplicando o valor pago na energia anteriormente a companhia de energia em uma poupana com mdia de rendimento de 8% a.a. possvel anular o gasto com a troca da bateria. Um fator que pode ser considerado um opositor para comercializao a adaptao e falta mo de obra especializada para instalao da torre em residncias e do sistema como um todo, somando mais um custo ao sistema, porm em edificaes temos um perfil favorvel e avaliando o conceito cultural ainda no se pode considerar a gesto da fonte de energia a cargo do consumidor, pois atualmente o mercado advm de uma estrutura baseada na terceirizao, ou seja, a comodidade de se ter servios de reparo e manuteno na responsabilidade das concessionrias de distribuio de energia.

Mesmo com diversos fatores adversos a energia elica ainda tem demonstrado ser um recurso em crescimento e desenvolvimento, sendo incentivado pelas comunidades cientificas e governamentais, oferecendo concorrncia com as atuais tecnologias de gerao de energia. Visando um campo em escassez nacional de potencial para explorao um mercado de grande potencial a ser explorado seria o de geradores para pequenas embarcaes, cujo mercado brasileiro vem crescendo segundo dados do jornal Estado, em notcia do dia 10 de outubro de 2010: Brasil vira mercado emergente de iates no caderno de Economia e Negcios, demonstrando o interesse de empresas do setor no mercado brasileiro. Neste setor o investimento necessrio e os custos so mais competitivos para aplicao de aerogeradores, alm de ser mais eficiente devido constncia de fluxo ventos martimos. Com este estudo fica ainda mais evidente a capacidade de utilizar a energia elica no cenrio brasileiro, dado a variedade de tecnologias e de aplicaes.

Como propostas para continuao e avano deste projeto, podem ser desenvolvidos estudos de melhorias para os recursos acumuladores (baterias), tecnologias alternativas para o processo inversor CC/CA e at mesmo no processo mecnico de confeco de ps para captao dos ventos, todo como premissa para melhoria da eficincia.

Espera-se que este estudo possa auxiliar novos projetos e estudos para a aplicao de sistemas sustentveis e melhoria da qualidade do ambiente das geraes futuras.

7. Discusso Em uma avaliao das simulaes realizadas em laboratrio o Aerogerador demonstrou grande eficincia, porm ainda distante para tornar o sistema vivel para comrcio. Fatores como aquecimento por efeito Foucault, efeito Joule, mecnica para aerodinmica ainda so condies adversas para utilizao deste recurso no processo de integrao e amplificao do inversor de pequeno porte. Como mencionado por M. M. Reis o custo dos geradores elicos influenciado por diversos fatores, tais como: caractersticas do sistema e caractersticas dos ventos no local da instalao. Considerando isto se pode dizer que este trabalho trs novos dados para auxiliar os estudos de novos sistemas geradores. O Atlas da Energia Brasileira divulgado pela Aneel em 2006 2 edio ainda trs uma noticia de incentivo a explorao desta tecnologia: No Brasil, a participao da energia elica na gerao de energia eltrica ainda pequena. Espera-se com isso que novos estudos sejam realizados somando mais recursos para a comunidade cientifica.

Agradecimentos com imensa gratido que cito minha companheira, Miqueline Pivoto F. Dias pelo apoio e pacincia na longa jornada para concluso deste trabalho e aos colegas Engenheiros Cludio Castro Prado e Reinaldo Andrade pelo apoio e discusses sobre o tema das quais resultaram no fechamento deste trabalho.

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Dados dos Autores

Carlos Eduardo de Oliveira, Esp., Bsc. - Centro Universitrio Newton Paiva - Campus Buritis: Rua Jos Cludio Rezende, 26 e 420 Estoril Belo Horizonte Minas Gerais CEP: 30411-325 Tel.: (31) 9497-0689. Cludio Castro Prado, Dr., Msc., . Instituto Nacional de Telecomunicaes - Av. Joo de Camargo, 510 Centro - CEP Santa Rita do Sapuca - Minas Gerais CEP: 37540-000 - Tel.: (35) 3471-9200.