turbina eólica para utilização em fazendas na região nordeste do
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
TURBINA EÓLICA PARA UTILIZAÇÃO EM FAZENDAS NA REGIÃO
NORDESTE DO BRASIL
Cristiana Socci Vianna
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador: Prof. Armando Carlos de Pina Filho
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
ABRIL DE 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
TURBINA EÓLICA PARA UTILIZAÇÃO EM FAZENDAS NA REGIÃO
NORDESTE DO BRASIL
Cristiana Socci Vianna
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
_______________________________________________
Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc. (Orientador)
_______________________________________________
Prof. Reinaldo de Falco, Eng.
_______________________________________________
Prof. Jules Ghislain Slama, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
ABRIL DE 2016
i
Vianna, Cristiana Socci
Turbina eólica para utilização em fazendas na região
nordeste do Brasil / Cristiana Socci Vianna – Rio de Janeiro:
UFRJ/ Escola Politécnica, 2016.
VII, 51 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Armando Carlos de Pina Filho
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso
de Engenharia Mecânica, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 47-51.
1. Introdução. 2. Turbinas Eólicas. 3. Análise da Planilha.
4. Estudos de Caso. 5. Conclusões. 6. Sugestões para futuros
trabalhos. I. de Pina Filho, Armando Carlos. II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Curso de Graduação em
Engenharia Mecânica. III. Turbina eólica para utilização em
fazendas na região nordeste do Brasil.
ii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
TURBINA EÓLICA PARA UTILIZAÇÃO EM FAZENDAS NA REGIÃO
NORDESTE DO BRASIL
Cristiana Socci Vianna
Orientador: Armando Carlos de Pina Filho
Curso: Engenharia Mecânica
Este trabalho tem como objetivo o projeto de uma turbina eólica a fim de suprir a
demanda elétrica de uma fazenda leiteira selecionada na região nordeste do Brasil. A
análise teórica leva em consideração fatores como velocidade do vento, forças atuantes
nos componentes da turbina, seleção de materiais que suportem os esforços envolvidos e
obtenção da geração de energia demandada. De modo a projetar uma turbina que
atendesse às exigências práticas do problema, foram considerados equipamentos de
empresas com histórico positivo nesta aplicação, largamente utilizados em turbinas
eólicas no mundo todo. O projeto conta ainda com o desenho esquemático da turbina
eólica, criado no programa Solidworks, bem como seus componentes principais.
Proporcionando assim, o projeto básico de uma turbina que atendesse aos requisitos da
situação inicial de geração de energia para a fazenda leiteira.
Palavras-chave: turbina eólica, energia renovável, projeto mecânico.
iii
Undergraduate Project Abstract presented to POLI/UFRJ as a partial fulfilment of the
requirements to obtain the degree of Mechanical Engineer.
WIND TURBINE FOR FARMS IN NORTHEAST REGION OF BRAZIL
Cristiana Socci Vianna
Advisor: Armando Carlos de Pina Filho
Course: Mechanical Engineering
This paper aims to design a wind turbine to meet the electricity demand of a dairy
farm selected in the northeast region of Brazil. Theoretical analysis takes into account
factors such as wind speed, actuating forces on the turbine components, materials
selection to support the efforts involved and obtaining the generation of energy required.
In order to design a turbine that would meet the practical requirements of the problem
were considered equipment companies with a positive track record, widely used in wind
turbines worldwide. The project also includes the schematic design of the wind turbine
and its main components in Solidworks program. Thus providing the basic design of a
turbine that meets the requirements of the initial situation of power generation for the
dairy farm.
Keywords: wind turbine, renewable energy, mechanical design.
iv
Sumário
1. Introdução.................................................................................................................. 1
1.1 Crise energética no Brasil ....................................................................................... 1
1.2 Por que energia eólica? ........................................................................................... 3
1.3 Energia eólica no Brasil .......................................................................................... 4
1.4 Objetivos do projeto ............................................................................................... 7
1.5 Organização dos capítulos ...................................................................................... 7
2. Turbinas eólicas......................................................................................................... 8
2.1 Turbinas de eixo horizontal .................................................................................... 9
3. Projeto da turbina eólica .......................................................................................... 14
3.1 Dados do projeto ................................................................................................... 14
3.2 Cálculo da potência ............................................................................................... 15
3.3 Velocidade rotacional do rotor ............................................................................. 21
3.4 Dimensionamento das pás .................................................................................... 21
3.5 Força axial e torque atuantes no rotor ................................................................... 23
3.6 Detalhamento das pás ........................................................................................... 25
3.7 Cubo ...................................................................................................................... 30
3.8 Eixo de baixa ........................................................................................................ 31
3.8.1 Dimensionamento das seções do eixo de baixa ........................................... 31
3.8.2 Rolamento do eixo de baixa ......................................................................... 34
3.8.3 Chaveta do eixo de baixa ............................................................................. 36
3.9 Motor elétrico e caixa de engrenagens ................................................................. 38
3.10 Nacele ................................................................................................................. 40
3.10.1 Rolamento da nacele .................................................................................. 31
3.11 Torre de sustentação ........................................................................................... 43
v
3.12 Desenho técnico da turbina................................................................................. 45
4. Conclusão ................................................................................................................ 46
4.1 Sugestões para trabalhos futuros .......................................................................... 46
5. Referências ................................................................................................................. 48
vi
Lista de Figuras
Figura 1 – Energia armazenada no Sistema Interligado Nacional [44] ............................ 2
Figura 2 – Bandeiras Tarifárias Mensais por Região do Brasil [1] .................................. 3
Figura 3 – Complementaridade entre a geração hidrelétrica e eólica [45] ....................... 5
Figura 4 – Os 10 países com maior capacidade eólica e instalada de 2014 [20] .............. 6
Figura 5 – Exemplos de Turbinas eólicas com eixo vertical e horizontal [22] ................ 9
Figura 6 – Exemplo de turbina eólica downwind e upwind [15] ................................... 10
Figura 7 – Ilustração dos sistemas componentes de uma turbina eólica [15]................. 13
Figura 8 – Atlas eólico do nordeste [33] ........................................................................ 14
Figura 9 – Ilustração do movimento do ar por uma área delimitada [10] ...................... 15
Figura 10 – Exemplo do escoamento do ar através de uma turbina eólica [10] ............. 16
Figura 11 – Ilustração dos pontos a serem considerados para o uso da equação de
Bernoulli [10] ................................................................................................................. 17
Figura 12 – Gráfico para encontrar o coeficiente de potência [46] ................................ 20
Figura 13 – Aerofólio NREL S-818 [47]........................................................................ 21
Figura 14 –Gráfico para encontrar a solidez [48] ........................................................... 22
Figura 15 – Cd/α [41] ..................................................................................................... 23
Figura 16 – Cd/α [41] ..................................................................................................... 24
Figura 17 – Projeto da Pá no Solidworks ....................................................................... 26
Figura 18 – Peso distribuído da pá ................................................................................. 26
Figura 19 – Diagrama de esforço solicitante .................................................................. 27
Figura 20 – Força normal atuante na pá ......................................................................... 28
Figura 21 – Diagrama de esforço solicitante .................................................................. 28
Figura 22 – Desenho do Cubo em Solidworks (vista isométrica e posterior) ................ 30
Figura 23 – Desenho do Eixo de Baixa em Solidworks ................................................. 31
Figura 24 – Seções do Eixo de Baixa ............................................................................. 31
Figura 25 – Dimensões do rolamento selecionado ......................................................... 35
Figura 26 – Folha de dados do rolamento selecionado .................................................. 35
Figura 27 – Forças atuantes no rolamento ...................................................................... 36
Figura 28 – Tabela para seleção da chaveta [39]............................................................ 37
Figura 29 – Motor WEG W22 IR4 Super Premium ....................................................... 39
Figura 30 – Especificações do motor selecionado.......................................................... 39
vii
Figura 31 – Desenho da Nacele no Solidworks .............................................................. 40
Figura 32 – Indicação do rolamento da Nacele .............................................................. 41
Figura 33 – Forças atuantes no rolamento da nacele ...................................................... 41
Figura 34 – Folha de dados do rolamento selecionado para a nacele............................. 42
Figura 35 – Resultado da simulação para a vida do rolamento ...................................... 43
1
1. Introdução
1.1 Crise energética no Brasil
A matriz energética do Brasil é baseada em hidroeletricidade, tendo essa uma
contribuição de aproximadamente 62,24% [1]. A opção brasileira pelo modelo
hidrelétrico se deve à existência de grandes rios de planalto, que são alimentados por
chuvas tropicais abundantes e constituem uma das maiores reservas de água doce do
mundo [2]. A geração dessa energia depende de níveis adequados de água nos
reservatórios do país, porém isso não é o que se tem observado ultimamente.
O Brasil vive hoje uma crise grave no setor elétrico. O professor da Universidade
Federal do Rio de Janeiro e diretor do Centro Brasileiro de Infra Estrutura, Adriano Pires,
afirma: “O Brasil passa pela pior crise energética da história” [3]. Nos meses de Janeiro,
Fevereiro e Março de 2015, os valores de afluências brutas a todos os subsistemas foram
inferiores à média de longo termo - MLT, com exceção do Sul. No subsistema Nordeste,
a afluência foi a pior para o mês de Janeiro e Fevereiro do histórico de 83 anos e a segunda
pior no mês de Março para o mesmo histórico. Nos subsistemas Sudeste/Centro-Oeste,
as afluências foram as piores para janeiro do histórico de 83 anos e o Norte registrou o
oitavo pior valor. Destaca-se que no mês de janeiro choveu apenas 25% do esperado para
o mês na bacia do rio São Francisco, 30% na bacia do rio Paranaíba, 35% na bacia do rio
Grande e 45% na bacia do rio Tocantins, aproximadamente [4] [5] [6]. Pode ser observado
a partir da figura 1 que o primeiro trimestre do ano de 2015 apresenta valores de energia
armazenada no sistema interligado nacional muito inferiores quando comparados aos
anos anteriores.
2
Nesses três meses, foram verificados em média 16,4 MW médios de geração
térmica programada pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS considerando
todas as razões de despacho, contribuindo para minimizar a redução dos estoques dos
reservatórios [4] [5] [6]. As usinas termoelétricas, que têm sido acionadas de forma
frequente devido à crise hídrica, é uma fonte de energia mais cara do que as hidrelétricas.
Isso gera um grande aumento no preço médio da energia no mercado. Em 2015, o governo
decidiu repassar tais custos para as distribuidoras e consumidores, causando impactos na
tarifa de energia elétrica.
Segundo a Thymos Energia e a PSR, o aumento das tarifas das distribuidoras nos
primeiros três meses do ano foi de 39%. Desse total, segundo as duas instituições, a maior
parte, de 23 pontos percentuais, é relativa à revisão tarifária extraordinária (RTE) das
distribuidoras, que entrou em vigor no início de março. O restante é referente à bandeira
tarifária. Como nos primeiros três meses do ano, a bandeira foi da cor “vermelha”, em
todas as regiões do país, o índice de repasse foi no patamar mais elevado, de R$ 3 para
cada 100 quilowatt-hora (kWh) consumidos, nos dois primeiros meses do ano, e de R$
Figura 1 – Energia armazenada no Sistema Interligado Nacional [44]
3
5,50 para cada 100 kWh consumidos, a partir de março, segundo a Agência Nacional de
Energia Elétrica (Aneel) [7]. A figura 2 apresenta o histórico até março de 2015 da soma
do CMO (Custo Marginal de Operação) e do Encargo de Serviços do Sistema por
Segurança Energética - ESS_SE, por submercado na unidade de R$/MWh.
Figura 2 – Bandeiras Tarifárias Mensais por Região do Brasil [1]
1.2 Por que energia eólica?
Em meio à crise energética no país, discutida anteriormente, tende-se a pensar em
alternativas para que no futuro outra crise possa ser evitada. Investir em outras fontes de
energia para diversificar a matriz energética e ser menos dependente das hidrelétricas é
uma medida importante a ser tomada. Dentre as várias opções, a energia eólica se mostra
com um ótimo potencial a ser explorado.
A energia eólica é uma fonte limpa, renovável e abundante. Nenhum combustível
fóssil é utilizado para gerar eletricidade, não emite gases poluentes nem gera resíduos,
assim ajudando a diminuir a emissão de gases de efeito estufa [8] [9]. Uma turbina eólica
de 600kW, por exemplo, evita a emissão de 1200 toneladas de dióxido de carbono na
4
atmosfera por ano [10]. Só no Brasil, a produção de energia eólica já evita emissões de
11.629.536 toneladas de dióxido de carbono por ano [11].
Hoje a energia eólica é reconhecida mundialmente como uma alternativa
privilegiada para a geração de energia elétrica, e uma das fontes de energia mais barata e
que mais cresce no mundo, a uma taxa de 28,6% ao ano [12] [13]. Devido aos avanços
tecnológicos e de projeto na produção e instalação da turbina, o custo da energia eólica
em escala pública foi reduzido drasticamente nas últimas duas décadas. No início dos
anos 80, a energia eólica custava cerca de US$ 0,30 por kWh. Já em 2006, a energia eólica
custava de US$ 0,03 a 0,05 por kWh nas áreas de vento abundante [14]. O preço da
eletricidade gerada por usinas eólicas bem situadas é competitivo com o preço da
eletricidade proveniente de novas instalações de combustíveis fósseis. Além disso, não é
suscetível a aumentos de preços de combustível ou rupturas de abastecimento [9]. A
tendência é que a energia eólica continue a se desenvolver e consequentemente seus
custos continuem reduzindo [13].
No que se refere ao uso da terra, esse tipo de geração de energia utiliza um espaço
relativamente pequeno. Para obter a mesma produção anual de energia de uma turbina
eólica de 600kW, células fotovoltaicas ocupariam 400 vezes a área de terra e uma planta
típica de biocombustíveis ocuparia 40.000 vezes a área [10]. Além disso, os parques
eólicos são compatíveis com outros usos e utilizações do terreno como a agricultura e a
criação de gado [15]. Adicionalmente, turbinas eólicas podem ser instaladas em
localizações remotas, como montanhas, desertos e offshore [16].
1.3 Energia eólica no Brasil
No Brasil, a participação da energia eólica na geração de energia elétrica ainda é
pequena, sendo 4% da matriz energética brasileira [1]. Porém, apesar de ainda haver
divergências entre especialistas e instituições na estimativa do potencial eólico brasileiro,
vários estudos indicam valores extremamente consideráveis. Os diversos levantamentos
e estudos realizados e em andamento (locais, regionais e nacionais) têm dado suporte e
motivado a exploração comercial da energia eólica no País [17].
Essa fonte de energia foi impulsionada pelo governo federal a partir de 2002, por
meio do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia (Proinfa), como forma
de diversificar a matriz energética. Por ser uma forma de energia renovável e de baixo
5
custo, os parques eólicos cresceram rapidamente. Atualmente o país possui unidades nas
regiões Nordeste, Sudeste e Sul [2].
As aplicações mais favoráveis desta fonte energética no Brasil estão na integração
ao sistema interligado de grandes blocos de geração nos sítios de maior potencial. Em
certas regiões, como por exemplo, a região Nordeste, no vale do Rio São Francisco, pode
ser observada uma situação de conveniente complementariedade da geração eólica com
o regime hídrico, seja no período estacional ou na geração de ponta do sistema - ou seja,
o perfil de ventos observado no período seco do sistema elétrico brasileiro mostra maior
capacidade de geração de eletricidade justamente no momento em que a afluência
hidrológica nos reservatórios hidrelétricos se reduz, como pode ser observado na figura
3. Assim, a energia eólica se apresenta como uma interessante alternativa de
complementariedade no sistema elétrico nacional [18].
Figura 3 – Complementaridade entre a geração hidrelétrica e eólica [45]
Atualmente, existem 266 empreendimentos de fonte eólica em operação no Brasil,
114 em construção e 317 com construção não iniciada [19]. A capacidade de
aproveitamento de energia eólica instalada no país é de 6,56 GW [11]. Em 2014, o Brasil
6
instalou 2,472 MW de capacidade se tornando líder no mercado de energia eólica da
América do Sul e sendo o país com a quarta maior capacidade instalada, entrando pela
primeira vez no top 10 de países com capacidade acumulada instalada do mundo, como
pode ser observado na figura 4 [20].
Figura 4 - Os 10 países com maior capacidade eólica e instalada de 2014 [20]
Com base nos contratos existentes, é esperada uma instalação de mais 12-13 GW nos
próximos 5 anos para o setor eólico brasileiro. Essa previsão é muito importante, tendo
em vista as secas recentes e a falta de confiabilidade associada as hidrelétricas, que são e
continuarão a ser a principal fonte de energia do país. Não obstante a crise econômica
atual e agitação política, o mercado eólico brasileiro parece sólido para o futuro próximo
[20].
7
1.4 Objetivos do projeto
O objetivo principal deste trabalho é apresentar o desenvolvimento do projeto
básico de uma turbina eólica que atenda aos requisitos de uma fazenda leiteira na região
nordeste do Brasil.
O projeto inclui as análises de esforços, seleção de materiais e o dimensionamento
e seleção dos principais componentes mecânicos a serem utilizados e o desenho técnico
da turbina a ser fabricada.
1.5 Organização dos capítulos
Este trabalho foi divido em quatro capítulos, que consistem em: discutir a posição
da energia eólica no Brasil, explicar o funcionamento e tipos de turbinas eólicas, explicar
o desenvolvimento e seleção dos componentes do projeto da turbina eólica em questão,
analisar os resultados obtidos e dar sugestões para trabalhos futuros.
O capítulo introdutório faz uma análise do sistema energético do Brasil e aponta
a importância de se diversificar a matriz energética do país. O mesmo ainda demonstra
como a energia eólica pode ser aplicada a certas regiões gerando bons resultados.
O segundo capítulo mostra uma análise do funcionamento de uma turbina eólica,
suas variações e tipos de aplicação.
O terceiro capítulo é a base do projeto mecânico da turbina eólica a ser
desenvolvida. Nele estão presentes os cálculos teóricos para o dimensionamento dos
componentes mecânicos da turbina. É realizada a seleção de materiais bem como a análise
de esforços sobre os mesmos, afim de obter um fator de segurança aceitável para o projeto
mecânico.
O quarto e último capítulo apresenta a análise do projeto e conclui sobre seus
resultados, aplicações e funcionalidades, além de propor sugestões para próximos
trabalhos, de modo a agregar maiores detalhes e complexidade ao projeto já desenvolvido.
8
2. Turbinas eólicas
Turbinas eólicas funcionam basicamente convertendo parte da energia cinética
dos ventos em energia mecânica que depois é transformada em energia elétrica. Existem
dois tipos de turbinas dependendo da posição do eixo do rotor, as de eixo vertical e as de
eixo horizontal.
As de eixo vertical podem ser movidas por forças de arrasto ou de sustentação
[21]. Os principais tipos de turbinas de eixo vertical são Darrieus, Savonius e turbina com
torre de vórtices [22]. A mais usada dentre essas é a Darrieus. A característica mais
atraente desse tipo de turbina é que tanto o gerador tanto os dispositivos de transmissão
são localizados no nível do solo. Além disso, elas são capazes de capturar o vento de
qualquer direção sem a necessidade de alterar a posição do rotor. Porém, esse tipo de
turbina tem uma captura de energia reduzida, pois o rotor intercepta ventos contendo
menos energia. Além disso, a manutenção não é tão simples, pois normalmente, requer
que o rotor seja retirado. Por esses motivos, o uso de turbinas de eixo vertical teve um
considerável declínio durante as últimas décadas [23].
As turbinas com rotor de eixo horizontal são as mais usadas atualmente, pois seu
rendimento aerodinâmico é superior aos de eixo vertical e estão menos expostas aos
esforços mecânicos, compensando seu maior custo. São predominantemente movidas por
forças de sustentação, ou seja, atuam perpendicularmente ao escoamento e devem possuir
mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas pás esteja sempre em posição
perpendicular ao vento [21]. Para essas turbinas o rotor é localizado no topo de uma torre
onde os ventos possuem maior energia e são menos turbulentos [23]. A figura 5
exemplifica esses dois tipos de turbinas eólicas.
9
.
Figura 5 - Exemplos de Turbinas eólicas com eixo vertical e horizontal [22]
2.1 Turbinas de eixo horizontal
Essas podem ser classificadas de acordo com diferentes parâmetros. Em relação
ao número de pás, podem ter de uma a mais de três pás. Rotores de 3 pás são os mais
comuns, pois constituem um bom compromisso entre coeficiente de potência, custo e
velocidade de rotação assim como um menor ruído [24]. Além disso, possuem uma
distribuição mais balanceada do peso sobre a área de varredura do rotor, desta forma são
dinamicamente mais estáveis [25].
Quanto à direção do vento, podem ser classificadas como upwind ou downwind.
Nas upwind o vento incide na área de varredura do rotor pela frente da turbina e nas
downwind, o vento incidi na área de varredura do rotor por trás da turbina eólica. A maior
parte das turbinas utilizadas atualmente são as upwind [26]. A sua principal vantagem
consiste em evitar o distúrbio causado pela torre no vento. Por sua vez, as turbinas
downwind podem dispensar o uso de um sistema para se orientarem com o fluxo do vento,
caso o seu rotor e nacele sejam projetados de modo a fazer o alinhamento de modo
passivo. Para grandes turbinas esta é uma vantagem algo duvidosa pois, para uma máxima
eficiência, o seu posicionamento tem de ser bastante preciso. Uma verdadeira vantagem
desta configuração é a maior flexibilidade com que se pode projetar o rotor. Assim reduz-
Eixo Vertical Eixo Horizontal
10
se o seu peso e a nível estrutural consegue-se aliviar a torre de alguns esforços, quando o
conjunto é sujeito a elevadas velocidades do vento, por flexão das pás da turbina. O efeito
de sombra do vento criado pela torre é no entanto um aspeto negativo, pois provoca
flutuações de energia cada vez que o rotor passa por esta. Isto pode provocar na turbina
cargas de fadiga maiores do que as que acontecem na configuração upwind [49]. Tais
turbinas estão exemplificadas na figura 6.
Em relação à operação podem ser de velocidade constante ou variável. Nas de
velocidade constante, o gerador é diretamente conectado à rede elétrica e a frequência da
rede determina a rotação do gerador e, portanto a da turbina. Nas de velocidade variável,
a conexão ao sistema elétrico é feita por meio de uma conversora de frequência eletrônica,
formada por um conjunto retificador/inversor. Como a frequência produzida pelo gerador
depende de sua rotação, esta será variável em função da variação da rotação da turbina
eólica [27].
Quanto ao controle de potência, existem basicamente dois tipos, o controle de
passo e o controle de estol. Esse controle é necessário para garantir a confiabilidade e
segurança aos equipamentos, pois quando a velocidade do vento supera o valor da
velocidade nominal pode haver a sobrecarga do sistema e desgaste dos mesmos [28]. No
controle de passo, existe um sistema que gira as pás posicionando-as perpendicularmente
ao vento, diminuindo a estrutura aerodinâmica e a rotação do rotor. No controle de stol,
Turbina downwind Turbina upwind
Figura 6 - Exemplo de turbina eólica downwind e upwind [15]
11
em altas velocidades de vento, há um desprendimento de fluxo de vento, no perfil
aerodinâmico, gerando vórtices e assim aumentando o arrasto e diminuindo a velocidade
angular ou rotação [29].
A turbina eólica é composta pelos seguintes componentes ilustrados na figura 7:
Torre: As torres são as estruturas responsáveis pela sustentação e posicionamento do
conjunto rotor–nacele a uma altura conveniente ao seu funcionamento. As torres podem
ser do tipo cônica ou treliçada e construídas a partir de diferentes materiais [30].
Rotor: É o componente que efetua a transformação da energia cinética dos ventos em
energia mecânica de rotação [21]. O rotor compreende basicamente as pás e o cubo onde
são fixadas [32].
Pás: As pás são perfis aerodinâmicos responsáveis pela interação com o vento,
convertendo parte de sua energia cinética em trabalho mecânico [33]. Podem ser feitas de
diversos materiais, como aço, alumínio, madeira, fibra de vidro e fibra de carbono [10].
Nacele: É a carcaça montada sobre a torre, onde se situam o gerador, a caixa de
engrenagens (quando utilizada), todo o sistema de controle, medição do vento e motores
para rotação do sistema para o melhor posicionamento em relação ao vento [33]. O
tamanho e o formato da nacele são variáveis de acordo com os componentes e sua
disposição em seu interior [30].
Caixa multiplicadora: Quando existente, possui a finalidade de transmitir a energia
mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador. Localiza-se entre o rotor e o gerador,
de forma a adaptar a baixa rotação do rotor à velocidade de rotação mais elevada do
gerador [33]. No caso de aerogeradores sem caixa de engrenagem, o gerador utilizado é
o de polos salientes (ou multipolos) com o estator em forma de anel [30]
Gerador: Usa a energia rotacional para gerar eletricidade utilizando eletromagnetismo
[24]. Diferentes tipos de geradores podem ser usados. Dentre eles, gerador de indução
(assíncrono) com rotor de gaiola, gerador de indução com rotor ventilado, gerador de
indução duplamente excitado, gerador síncrono de excitatriz com ímãs permanentes,
gerador síncrono excitado eletricamente com enrolamento de campo [34].
Anemômetro: Mede a velocidade do vento e transmite para o controlador [35].
Eixo: Transfere a energia de rotação para o gerador [24].
Freio: O freio a disco pode ser mecânico, elétrico ou hidráulico, e é utilizado como um
sistema auxiliar parar a turbina em condições adversas de operação [35].
12
Controlador: É utilizado para a partida e/ou desligamento da turbina, através do
monitoramento de todas as partes da turbina [35].
Medidor de direção do vento: Mede a direção do vento e comunica com o mecanismo
de orientação direcional [35].
Mecanismo de orientação direcional (Sistema de yaw): Tem a função de alinhar a
turbina com o vento [30].
13
Figura 7 – Ilustração dos sistemas componentes de uma turbina eólica [15]
14
3. Projeto da turbina eólica
3.1 Dados do projeto
Como já definido, a proposta desse trabalho é desenvolver um projeto de uma
turbina eólica capaz de produzir eletricidade suficiente para atender a demanda de uma
fazenda leiteira no nordeste do Brasil. Baseado em [40], estima-se a potência necessária
a ser entregue pela turbina de acordo com o número de vacas da fazenda. Será considerado
que a fazenda possui 800 vacas, sendo assim necessária uma potência elétrica para a
turbina de pouco mais de 90 kW. A turbina será uma turbina de eixo horizontal devido
ao fato de ser o tipo mais utilizado atualmente. A região escolhida para o projeto foi a
região nordeste em uma área de montanha com classe de energia 3. Logo a velocidade do
vento utilizada no projeto foi de 10 m/s, valor retirado da figura 8. O diâmetro do rotor
foi definido a partir de uma pesquisa sobre turbinas eólicas desse porte e de forma a
atender a potência demandada pela fazenda. Os outros parâmetros do projeto encontram-
se a seguir.
Figura 8 - Atlas eólico do nordeste [33]
15
Velocidade do vento: 10 m/s
Diâmetro do rotor: 20 m
Altura da torre: 24 m
Número de pás: 3
3.2 Cálculo da potência
Uma turbina eólica não é capaz de capturar toda a energia contida no vento. Existe
um limite máximo para o aproveitamento dessa energia, em condições ideias, calculado
pelo físico alemão, Albert Betz. Betz calculou que a conversão máxima da energia do
vento em energia mecânica para a rotação do eixo do aerogerador é de aproximadamente
59,3 %. Esse limite ficou conhecido como limite de Betz. Para um melhor entendimento,
o limite de Betz será demonstrado a seguir.
Considerando que o ar se move a uma velocidade constante com uma densidade
ρ, sabe-se que sua vazão mássica (�̇�) é dada por:
�̇� = 𝜌. 𝐴. 𝑣
Onde 𝐴 é a área da passagem de ar e 𝑣, a velocidade do vento, como pode ser visto na
figura 9.
Figura 9 – Ilustração do movimento do ar por uma área delimitada [10]
Sabe-se também que a energia cinética (𝐸𝑐) contida nessa massa de ar pode ser
calculada por:
𝐸𝑐 = 1
2𝑚𝑣²
Onde 𝑚 é a massa de ar considerada.
16
A potência (P) será a energia por unidade de tempo, que pode ser escrita da
seguinte maneira:
𝑃 = 1
2�̇�𝑣²
Substituindo �̇� na equação acima, tem-se a seguinte expressão para a potência
contida na massa de ar:
𝑃 = 1
2𝜌𝐴𝑣³
Para calcular a potência aproveitada pela turbina, assume-se o ar como um fluido
incompressível, em regime permanente, sem atrito e ausência de vórtices. Além disso,
considera-se um número infinito de pás, aproximando o rotor de um disco uniforme. A
figura 10 ilustra o escoamento do ar através de uma turbina eólica.
Figura 10 – Exemplo do escoamento do ar através de uma turbina eólica [10]
A montante, o ar possui velocidade v1 e passa por uma área A1 e a jusante
velocidade v4 e área A4. Considera-se que nesses dois locais (1 e 4), o ar encontra-se a
pressão atmosférica e que a velocidade logo antes da passagem pelas pás (v2) e logo após
a passagem pelas pás (v3) são iguais:
𝑝1 = 𝑝4 = 𝑝𝑎𝑡𝑚 𝑒 𝑣2 = 𝑣3
Onde pn significa a pressão do ar na região n, patm a pressão atmosférica e vn a
velocidade do ar na região n.
17
Pela lei da conservação de massa sabe-se que:
𝜌. 𝐴1. 𝑣1 = 𝜌. 𝐴2. 𝑣2 = 𝜌. 𝐴3. 𝑣3 = 𝜌. 𝐴4. 𝑣4 = �̇�
Onde 𝐴𝑛 significa a área da região n.
A força exercida pelo rotor sobre o vento (𝐹) pode ser calculada por:
𝐹 = 𝑚. 𝑎 = �̇�. 𝛥𝑣 = �̇�(𝑣1 − 𝑣4)
Figura 11 – Ilustração dos pontos a serem considerados para o uso da equação de Bernoulli [10]
Aplicando a equação de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 e entre os pontos 3 e 4,
como indicado na figura 11, tem-se as seguintes expressões:
𝑝1 + 1
2𝜌𝑣1
2 = 𝑝2 + 1
2𝜌𝑣2
2
𝑝3 + 1
2𝜌𝑣3
2 = 𝑝4 + 1
2𝜌𝑣4
2
Assumindo 𝑝1 = 𝑝4 e 𝑣2 = 𝑣3 acha-se a seguinte equação:
𝑝2 − 𝑝3 = 1
2𝜌(𝑣1
2 − 𝑣42)
Sabe-se que:
𝐹 = 𝑝. 𝐴 = 𝐴2(𝑝2 − 𝑝3)
Substituindo 𝑝2 − 𝑝3 na equação acima, acha-se a seguinte expressão:
18
𝐹 =1
2𝜌𝐴2(𝑣1
2 − 𝑣42)
Como:
𝐹 = �̇�(𝑣1 − 𝑣4)
Então:
1
2𝜌𝐴2(𝑣1
2 − 𝑣42) = �̇�(𝑣1 − 𝑣4)
Sabe-se que:
𝜌. 𝐴2. 𝑣2 = �̇�
Logo:
1
2𝜌𝐴2(𝑣1
2 − 𝑣42) = 𝜌. 𝐴2. 𝑣2
𝑣2 =𝑣1 + 𝑣4
2
Para o cálculo da potência, pode-se utilizar a seguinte expressão:
𝑃 = 𝐹. 𝑣2
𝑃 =1
2𝜌𝐴2(𝑣1
2 − 𝑣42). (
𝑣1 + 𝑣4
2)
Para achar o ponto de operação com máxima potência deve-se calcular 𝑑𝑃
𝑑𝑣4= 0
Resolvendo essa operação acham-se as seguintes relações:
𝑣4 =1
3𝑣1
𝑣2 =2
3𝑣1
Substituindo essas relações na expressão da potência, acha-se então a expressão
para a potência máxima (𝑃𝑚𝑎𝑥):
19
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 1
2𝜌𝐴2 (
𝑣1 +13 𝑣1
2) . (𝑣1
2 − (1
3𝑣1)
2
) =8
27𝜌𝐴𝑣1
3
Logo, a máxima eficiência (𝜂𝑚𝑎𝑥) pode ser achada:
𝜂𝑚𝑎𝑥 =𝑃𝑚𝑎𝑥
𝑃1=
827 𝜌𝐴𝑣1
3
12 𝜌𝐴𝑣1
3=
16
27= 59,3%
Porém, em todo processo de conversão de energia do vento em energia elétrica,
existem perdas associadas que devem ser consideradas. Assim, o coeficiente de potência,
que indica o aproveitamento da energia do vento em energia elétrica gerada pela turbina,
terá um valor diferente do limite de Betz. A fórmula para calcular a potência fornecida
pela turbina será então:
𝑃 = 1
2𝐶𝑝. 𝜌. 𝐴. 𝑣³
Onde 𝐶𝑝 significa coeficiente de potência que será menor que o coeficiente de
Betz, pois considera tais perdas.
Para se obter tal coeficiente, é preciso saber a razão de velocidade de ponta de pá
ou Tip Speed Ratio (𝜆). Esse parâmetro relaciona a velocidade da ponta da pá com a
velocidade do vento no ambiente e é de fundamental importância para o projeto. Se o
rotor da turbina rodar muito devagar, a maior parte do vento vai passar por esse sem
interagir com o mesmo, havendo um desperdício de energia. Por outro lado, se o rotor
rodar muito depressa, as pás atuarão quase como uma parede sólida sobre o vento,
oferecendo uma enorme resistência e também tendo um menor aproveitamento de
energia. Para turbinas horizontais contendo 3 pás, a razão de velocidade de ponta de pá
ótima é de aproximadamente 7 [36].
Tendo-se definido a razão de velocidade de ponta de pá, acha-se o coeficiente de
potência a partir do gráfico da figura 12.
20
Figura 12 – Gráfico para encontrar o coeficiente de potência [46]
Pode-se observar pelo gráfico da figura 12 que o coeficiente de potência de uma
turbina com 3 pás e com razão de velocidades 7, é de aproximadamente 0,49. Tendo esse
coeficiente e considerando a densidade do ar como 1,2256 kg/m³ (ar em pressão
atmosférica e temperatura ambiente de 25°C), pode-se então calcular a potência gerada
por essa turbina.
𝑃 = 1
2𝐶𝑝. 𝜌. 𝐴. 𝑣³
𝑃 =1
20,49.1,2256. 𝜋. 102. 10³
𝑃 = 94333𝑊
𝑃 = 94 𝐾𝑊
21
3.3 Velocidade rotacional do rotor
A velocidade rotacional do rotor (𝜆) pode ser calculada a partir de parâmetros já
definidos anteriormente, usando a seguinte fórmula:
𝜆 =𝜔𝑅
𝑣
7 =𝜔. 10
10
ω = 7 rad/s
ω = 67 rpm
Onde R é o raio do rotor.
3.4 Dimensionamento das pás
Para esse projeto, foi escolhido o aerofólio NREL S-818, ilustrado na figura 13,
por mostrar-se eficiente e amplamente utilizado em turbinas eólicas horizontais com 3
pás desse porte. Foi determinado para o projeto um diâmetro de cubo de 1m.
Figura 13 – Aerofólio NREL S-818 [47]
Para dimensionar as pás é necessário definir outro parâmetro, a solidez (𝜎). A
solidez é definida como a razão entre a área sólida das pás pela área formada pela rotação
das pás. A solidez pode ser determinada a partir da razão de velocidade usando-se o
gráfico da figura 14.
22
Figura 14 – Gráfico para encontrar a solidez [48]
Logo, a partir do gráfico acha-se uma solidez de aproximadamente 5%. Tendo
esses parâmetros definidos, é possível então calcular a corda (c) através da seguinte
fórmula:
𝑐 = 𝜎. 𝜋𝑅2
𝑛(𝑅 − 𝑅𝑐𝑢𝑏𝑜)
𝑐 = 0.05. 𝜋102
3(10 − 0,5)
𝑐 = 0,55𝑚
Onde 𝑅𝑐𝑢𝑏𝑜 é o raio do cubo e n o número de pás.
23
3.5 Força axial e torque atuantes no rotor
Para calcular a força axial e o torque atuantes no rotor, é necessário,
primeiramente, calcular o número de Reynolds (𝑅𝑒) do escoamento, da seguinte maneira:
𝑅𝑒 =𝑣 . 𝑐
𝜗=
10 . 0,55
1,5.10−5 = 366666,7
𝑅𝑒 ≌ 0,36 x 106
Onde 𝜗 é a viscosidade cinemática em m²/s.
Tendo-se definido o número de Reynolds e o aerofólio, utiliza-se a ferramenta airfoil
tools [41] para determinar o ângulo de ataque (α) a ser utilizado no projeto e os
coeficientes de arrasto e sustentação para tal ângulo. As figuras 15 e 16 representam os
gráficos obtidos para o coeficiente de arrasto (Cd) e coeficiente de sustentação (Cl).
Figura 15 – Cd/α [41]
24
Figura 16 - Cd/α [41]
Baseado nos gráficos é escolhido um ângulo de ataque de 9,5º para o projeto, por
esse ser o ângulo com a melhor razão de sustentação por arrasto. Dessa maneira, têm-se
os coeficientes de sustentação e arrasto:
𝐶𝑙 = 1,5
𝐶𝑑 = 0,018
Outro parâmetro a ser determinado para possibilitar o cálculo de força e torque é
a velocidade relativa (W), calculada a seguir:
𝑊 = √𝑣2 + (𝜔𝑅)2
𝑊 = √102 + (7.10)2
𝑊 = 70,7 m/s
Além disso, é necessário saber o ângulo de escoamento (∅), que pode ser
determinado da seguinte maneira:
25
∅ = tan−1 (𝑣
𝜔𝑅)
∅ = tan−1 (10
7.10)
∅ = 8,10
Com essas informações, calcula-se a força axial (𝐹𝑎) e o torque (T) atuantes no
rotor a partir das seguintes fórmulas:
𝐹𝑎 = 1
2. 𝜌. 𝑊2. 𝑐. 𝑛(𝐶𝑙. 𝑐𝑜𝑠∅ − 𝐶𝑑. 𝑠𝑒𝑛∅)(𝑅 − 𝑅𝑐𝑢𝑏𝑜)
𝐹𝑎 = 71180,3 N = 71,2 KN
𝑇 = 1
4. 𝜌. 𝑊2. 𝑐. 𝑛(𝐶𝑙. 𝑠𝑒𝑛∅ − 𝐶𝑑 . 𝑐𝑜𝑠∅)(𝑅2 − 𝑅𝑐𝑢𝑏𝑜
2)
𝑇 = 48783,8 𝑁.m = 48,8 KN.m
3.6 Detalhamento das pás
O material utilizado para as pás é o FRP (Fiberglass Reinforced Plastic),
amplamente utilizado em turbinas eólicas modernas. Sua escolha deve-se ao fato de ser
um material leve e resistente, relativamente fácil de fabricar em formas complexas e por
possuir uma excelente resistência à corrosão e à fadiga. Sua massa específica (µ) é 1800
kg/m³ [42] e seu limite de escoamento (𝑆𝑦) 4000 MPa.
De acordo com informações obtidas anteriormente, as pás foram projetadas no
programa Solidworks e seu volume (𝑉𝑜𝑙) foi achado através de tal programa como sendo
como 0,4 m³. A figura 17 ilustra a pá da turbina eólica.
26
Figura 17 – Projeto da Pá no Solidworks
Com esses dados pode-se calcular a massa total de uma pá como:
Massa de uma pá = µ.𝑉𝑜𝑙 = 720 kg
µ = 1800 kg/m³
𝑉𝑜𝑙 = 0,4 m³
Logo, o peso de cada pá (P) será 7200 N. Com esses dados calcula-se o peso
distribuído (p) da pá, ilustrado na figura 18, da seguinte forma:
𝑝 =𝑃
𝑙=
720
9,5= 75,8 𝑁/𝑚
Onde l é o comprimento da pá em metros.
Figura 18 - Peso distribuído da pá
27
Para calcular o momento fletor máximo (M) e o esforço cortante máximo (V)
devido ao peso e a força axial, aproxima-se a pá de uma barra com seção retangular com
mesmo volume. Suas dimensões são: 0,55m de largura e 0,077m de altura. O diagrama
de esforços está ilustrado na figura 19.
Figura 19 - Diagrama de esforço solicitante
Momento fletor máximo devido ao peso (𝑀𝑝):
𝑀𝑝 =𝑝 .𝑙²
2=
75,8 𝑋 9,5²
2= 3420,5 N.m
Esforço cortante máximo devido ao peso (𝑉𝑝):
𝑉𝑝 =𝑝 . 𝑙
2=
75,8 𝑋 9,5
2= 360,5 𝑁
28
Os mesmos cálculos serão feitos para a força axial (figura 20) com diagrama de
esforços ilustrado na figura 21:
Figura 20 - Força normal atuante na pá
Figura 21 - Diagrama de esforço solicitante
Momento fletor máximo devido a força axial (𝑀𝐹𝑎):
𝑀𝐹𝑎=
𝐹𝑎
3. 𝑙 =
71180,3
3. 9,5 = 225404,3 N.m = 225,4 KN.m
Esforço cortante máximo devido a força axial (𝑉𝐹𝑎):
𝑉𝐹𝑎=
𝐹𝑎
3=
71180,3
3= 23726,8 𝑁 = 23,7 KN
𝐹𝑎
3
29
A partir desses dados pode-se calcular a tensão normal máxima (σ) e a tensão
cisalhante máxima (𝜏) utilizando as seguintes fórmulas:
𝜎 =𝑀𝑦
𝐼
Onde 𝑦 é a distância da linha neutra até a extremidade em metros e 𝐼 o momento
de inércia em 𝑚4:
𝑦 =0,077
2= 0,0385 𝑚
𝐼 =𝑏.ℎ³
12 = 2,09 . 10−5 𝑚4
A tensão normal máxima (σ) será a soma da tensão normal devido ao peso (𝜎𝑝) e
da tensão normal devido à força axial (𝜎𝐹𝑎):
σ = 𝜎𝑝 + 𝜎𝐹𝑎=
3420,5 . 0,0385
2,09 . 10−5+
225,4 . 103. 0,0385
2,09 . 10−5= 415,8 𝑀𝑃𝑎
A tensão cisalhante máxima (𝜏) pode ser calculada a partir da seguinte fórmula:
𝜏 = 1,5𝑉
𝐴
Onde A significa área da seção transversal em metros.
Da mesma forma que a tensão normal máxima (σ), a tensão cisalhante máxima
será a soma da tensão cisalhante devido ao peso (𝜏𝑝) e da tensão cisalhante devido à força
axial (𝜏𝐹𝑎):
𝜏𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜏𝑝 + 𝜏𝐹𝑎 = 1,5360,5
0,55∗0,077+ 1,5
23,7.103
0,55∗0,077= 13,6 𝐾𝑃𝑎
Tendo esses dados calculados, pode-se então achar a tensão de Von Mises da
seguinte maneira:
𝜎𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠 = √𝜎𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙2 + 3𝜏𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
2
30
𝜎𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠 = 415,8 𝑀𝑃𝑎
E o fator de segurança (FS) é calculado por:
FS = 𝑆𝑦
𝜎𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠=
4000
415,8= 9,6
Logo, a pá projetada resistirá às condições de operação as quais ela será
submetida.
3.7 Cubo
O cubo é o item responsável pela fixação das pás ao eixo de baixa rotação e está
ilustrado na figura 22. O material selecionado para sua fabricação é a liga de alumínio da
ALCOA 7075, devido a sua resistência mecânica, boa usinabilidade e baixo peso.
A fixação das pás ao cubo será feita através de parafusos sextavados DIN 931
M48 com comprimento de 260 mm do fabricante Razemfix parafusos. O eixo, por sua
vez, será fixado ao cubo por meio de um rasgo de chaveta, conforme pode ser visto na
vista posterior da figura 22. O formato do mesmo foi projetado de modo a ser uma
estrutura aerodinâmica, robusta e economizar material. Seu peso foi calculado pelo
programa Solidworks e é de aproximadamente 2300 N.
Figura 22 – Desenho do Cubo em Solidworks (vista isométrica e posterior)
31
3.8 Eixo de baixa
O eixo é a estrutura responsável por transmitir a energia cinética das pás para o
variador de velocidades. Tal componente da turbina eólica está ilustrado na figura 23. De
modo a evitar a sobrecarga de forças sobre o variador de velocidades, o eixo e seus
rolamentos atuam como neutralizadores de forças externas que possam agir sobre o
sistema. Para o estudo considerado as forças atuantes são a força normal e o peso do
sistema. O material escolhido para o eixo foi o aço SAE 4340. Seu limite de escoamento
(Sy) é 1590 Mpa e seu limite de resistência à tração 1720 Mpa.
Figura 23 - Desenho do Eixo de Baixa em Solidworks
3.8.1 Dimensionamento das seções do eixo de baixa
A figura 24 representa o eixo a ser considerado e suas seções a serem
dimensionadas.
Figura 24 - Seções do Eixo de Baixa
32
Onde:
𝑙1 = Comprimento do eixo em contato com o cubo. Foi determinado que esse
comprimento será 70% do comprimento do cubo, o que significa que terá 7 cm.
𝑙2 = Comprimento do eixo que se encontra livre dentro do cubo. Essa seção terá
16 cm.
𝑙3 = Comprimento do eixo apoiado no mancal. Seu valor é 6,5 cm, conforme será
explicado posteriormente.
𝑙4 = Comprimento do eixo que se encontra entre os dois mancais de apoio. Foi
determinado que essa seção será quatro vezes maior que a seção 𝑙1, logo seu comprimento
é 28 cm.
De acordo com [38], a seção mais solicitada do eixo será a seção 2 e por esse
motivo, essa será dimensionada primeiro. As forças que atuam no sistema são a força
axial e o peso do rotor (𝑃𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟), que será o peso das três pás mais o peso do cubo (obtido
pelo Solidworks).
𝐹𝑎 = 71,2 𝐾𝑁
𝑃𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑃𝑝á𝑠 + 𝑃𝑐𝑢𝑏𝑜 = 3 . 7200 + 2300 = 23,9 KN
Para estimar o diâmetro mínimo da seção utiliza-se a seguinte fórmula:
𝑑 = √32. 𝐹𝑆
𝜋. 𝑆𝑦
√𝑀2 +3
4𝑇²
Onde CS é o fator de segurança que será selecionado como 2 [38], Sy o limite de
escoamento do material usado no eixo, M o momento fletor máximo e T o torque já
calculado anteriormente.
O momento fletor máximo pode ser achado da seguinte forma:
𝑀 = 𝑃𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑥 𝑙𝑠1 = 1673 N.m
33
Com essa estimativa obtêm-se um diâmetro de 9 cm. Esse diâmetro será
inicialmente usado para o cálculo do limite de resistência à fadiga para vida infinita do
material conforme fórmula a seguir [39].
𝑆𝑒 = 𝑆𝑒′ . 𝑘𝑎. 𝑘𝑏 . 𝑘𝑐. 𝑘𝑑. 𝑘𝑒
Onde 𝑆𝑒′ =
𝑆𝑢𝑡
2= 860 𝑀𝑃𝑎
Para o fator de acabamento superficial (𝑘𝑎), considerando uma superfície usinada,
utiliza-se a seguinte fórmula [39]:
𝑘𝑎 = 𝑎 𝑆𝑢𝑡𝑏 = 4,51 𝑆𝑢𝑡
−0,265 = 0,893
Para o fator de tamanho (𝑘𝑏), usa-se a seguinte fórmula [39]:
𝑘𝑏 = 1,51𝑑−0,157 = 0,745
Para o fator de carregamento (𝑘𝑐), considera-se flexão e dessa maneira obtêm-se
[39]:
𝑘𝑐 = 1
Para o fator de temperatura (𝑘𝑑), é considerada temperatura ambiente e dessa
maneira acha-se [39]:
𝑘𝑑 = 1
Para o fator de confiabilidade (𝑘𝑑) é considerada uma confiabilidade de 99% e
dessa forma, seu valor é [39]:
𝑘𝑒 = 0,814
Tendo todos esses parâmetros definidos, pode-se então achar o limite de
resistência à fadiga:
𝑆𝑒 = 860 𝑥 0,893 𝑥 0,745 𝑥 1 𝑥 1 𝑥 0,814
𝑆𝑒 = 465,7 𝑀𝑝𝑎
34
A partir desses valores e usando o critério de Soderberg como critério de
dimensionamento, visto que o eixo está sob carregamento dinâmico, serão feitas iterações
para se achar o diâmetro mínimo. O critério de Soderberg diz que:
𝑑 = √32 . 𝐹𝑆
𝜋√(
𝑀
𝑆𝑒)
2
+ (𝑇
𝑆𝑦)
2
Considerando o mesmo fator de segurança de 2 e fazendo as iterações, observa-se
que o resultado para o diâmetro mínimo de eixo converge para 8,57cm. Para esse
diâmetro, acha-se 𝑘𝑏 = 0,751 e 𝑆𝑒 = 469,5 𝑀𝑝𝑎. Visando um maior tempo de vida
para o rolamento do eixo de baixa, escolhe-se o diâmetro para as seções 1, 2 e 3 de 18
cm. O diâmetro da seção 4 foi escolhido de acordo com especificações do fabricante do
rolamento selecionado e detalhado na Seção 3.8.2. O diâmetro mínimo dessa seção
segundo o fabricante é de 19,7 cm, logo foi determinado um diâmetro de 22 cm para seção
4 do eixo.
3.8.2 Rolamento do eixo de baixa
O eixo de baixa será apoiado em dois mancais idênticos com os mesmos
rolamentos. O mancal será apoiado na seção 3 do eixo, como dito anteriormente. O
rolamento foi escolhido de acordo com recomendações do fabricante SKF para uso em
turbinas eólicas. O rolamento escolhido foi o 6336/HC5C3PS0VA970, que é um
rolamento rígido de esferas híbrido com uma carreira. Suas especificações estão
detalhadas nas figuras 25 e 26.
35
Figura 25 – Dimensões do rolamento selecionado
Figura 26 – Folha de dados do rolamento selecionado
36
As forças que atuam no rolamento estão ilustradas na figura 27.
Figura 27 - Forças atuantes no rolamento
A partir dessas forças e utilizando uma simulação computacional disponível no
próprio site do fabricante SKF [43], pode-se achar a vida do rolamento. O resultado obtido
foi de 81800 horas, equivalente a aproximadamente 9 anos.
3.8.3 Chaveta do eixo de baixa
O acoplamento do cubo com o eixo de baixa será feito através de uma chaveta
paralela. A chaveta é o elemento responsável pela transmissão do torque do cubo para o
eixo de baixa. Seu dimensionamento foi feito de acordo com a norma DIN 6885. O
material escolhido para tal componente foi o aço SAE 4340 e seu limite de escoamento
encontra-se abaixo:
𝑆𝑦 = 1590 𝑀𝑝𝑎
Como citado anteriormente, o diâmetro do eixo o qual a chaveta será fixada é de
18 cm. De acordo com a figura 28, podem-se extrair as dimensões recomendadas para
essa, como demonstrado a seguir.
𝑃
𝐹𝑎
37
Figura 28 – Tabela para seleção da chaveta [39]
Diâmetro do eixo (d) = 18 cm
Largura da chaveta (b) = 45 mm = 4,5 cm
Altura da chaveta (h) = 25 mm = 2,5 cm
Altura do rasgo (t) = 10,5
Comprimento da chaveta (l) = 60 mm = 6 cm
Calcula-se a seguir a resistência ao escoamento por cisalhamento da seguinte
forma:
𝑆𝑠𝑦 = 0,577. 𝑆𝑦 = 917,43 𝑀𝑝𝑎
Para calcular as tensões de cisalhamento e de compressão na chaveta, é necessário
achar primeiro a força tangencial. A força tangencial (𝐹𝑡) pode ser calculada da seguinte
maneira:
𝐹𝑡 =𝑇
𝑅= 542,2 𝐾𝑁
38
Logo, a tensão de cisalhamento (τ) será:
τ =𝐹𝑡
𝑏. 𝑙= 241 𝑀𝑝𝑎
E a tensão de compressão (σ):
σ =𝐹𝑡
𝑙. 𝑡= 1153,7 𝑀𝑝𝑎
Tendo esses valores determinados, calcula-se os fatores de segurança para o
cisalhamento e para compressão como demonstrado a seguir:
𝐹𝑆𝑐𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝑆𝑠𝑦
τ= 4,7
𝐹𝑆𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 =𝑆𝑠𝑦
σ= 1,7
3.9 Gerador elétrico e caixa de engrenagens
O gerador elétrico tem por função transformar a energia rotacional do eixo movido
pelo movimento das pás em energia elétrica. A seleção do gerador foi feita de modo a
obter uma potência nominal próxima a de projeto. Desse modo, o equipamento escolhido
foi o motor da WEG W22 IR4 Super Premium que será utilizado como gerador para o
presente projeto. A ilustração do motor no Solidworks pode ser observada na figura 29 e
suas especificações na figura 30.
A rotação do eixo de baixa é de apenas 67 rpm, de maneira que é necessária uma
caixa de engrenagens afim de atingir a velocidade de rotação de 1190 rpm para o motor
elétrico. Para atender tal especificação, a razão de transmissão da caixa de engrenagens
deverá ser de aproximadamente 1:20. Para isso foi selecionado o multiplicador de
velocidades da Moventas Kilowatt Class.
39
Figura 29 – Motor WEG W22 IR4 Super Premium
Figura 30 – Especificações do motor selecionado
40
3.10 Nacele
A nacele é o elemento que envolve os eixos, mancais, sistema de transmissão,
gerador e outras partes mecânicas do sistema. Seu objetivo é a proteção desses
componentes contra agentes externos, como chuva, vento, poeira e sol. Dessa maneira o
uso da nacele aumenta o tempo de vida útil dos componentes citados e diminui o custo
de manutenção do equipamento.
No projeto em questão foi desenvolvida uma nacele de espessura fina e curvada
de modo a reduzir seu custo de fabricação. O material a ser selecionado deve ser leve e
apresentar boa resistência, o mais usado é a fibra de vidro ou de carbono. A ilustração
desse componente pode ser observada na figura 31.
Figura 31 – Desenho da Nacele no Solidworks
3.10.1 Rolamento da nacele
O rolamento da nacele é o responsável por permitir o giro do equipamento em
torno de seu eixo vertical. Seu objetivo é alinhar o rotor da turbina com a direção do
vento. A figura 32 ilustra o uso do rolamento citado, que faz a conexão da torre com toda
a estrutura suspensa.
41
Figura 32 – Indicação do rolamento da Nacele
A figura 33 ilustra as forças atuantes no rolamento da nacele. O peso da estrutura
atuando em tal rolamento foi retirado do programa Solidworks.
Figura 33 - Forças atuantes no rolamento da nacele
Sendo:
𝐹𝑎 = 71,2 𝑘𝑁
𝑃 = 100 𝑘𝑁
Para o rolamento da nacele foi utilizado o mesmo processo de seleção realizado
no rolamento para o eixo de baixa. Dessa forma foi selecionado o rolamento 60/600 MA
da SFK, conforme especificado na figura 34.
𝑃
𝐹𝑎
42
Figura 34 – Folha de dados do rolamento selecionado para a nacele
Para o cálculo de vida desse rolamento, foi utilizada uma simulação
computacional disponível no próprio site do fabricante SKF [43]. Conforme a figura 35,
o resultado obtido foi de 398900 horas, o que equivale à aproximadamente 45,5 anos.
43
Figura 35 – Resultado da simulação para a vida do rolamento
3.11 Torre de sustentação
A torre de sustentação deve suportar todos os outros componentes da turbina
eólica que se localizam acima dela. A fixação da base no solo não será abordada nesse
projeto.
A torre será formada por tubos cilíndricos que serão unidos por flanges afim de se
obter a altura desejada. O material selecionado para os tubos é o aço 4340 laminado. Seu
limite de escoamento (𝑆𝑦) e módulo de elasticidade (𝐸) encontram-se a seguir:
𝑆𝑦 = 1590 𝑀𝑝𝑎
𝐸 = 200𝐺𝑃𝑎
Tendo esses dados, pode-se então realizar os cálculos de resistência à flambagem
da torre, detalhados a seguir.
Primeiramente calcula-se a área da seção transversal da torre (𝐴𝑠𝑒çã𝑜):
44
𝐴𝑠𝑒çã𝑜 =𝜋(𝐷𝑒
2 − 𝐷𝑖2)
4= 0,03 𝑚²
Onde 𝐷𝑒 é o diâmetro externo e 𝐷𝑖, o diâmetro interno.
𝐷𝑒 = 0,63𝑚
𝐷𝑖 = 0,60𝑚
O momento de inércia (𝐼) pode ser calculado da seguinte forma:
𝐼 =𝜋(𝐷𝑒
4 − 𝐷𝑖4)
64= 0,001 𝑚4
Através do Solidworks, sabe-se que a torre deve suportar uma massa estimada (M)
de 10.000 Kg. Logo, calcula-se a carga crítica da torre (𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡) como:
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 =𝜋2𝐸𝐼
4𝐿2= 1174,6 𝑘𝑁
Onde L é o comprimento da torre.
Pode-se então avaliar o fator de segurança à flambagem devido ao peso do
aerogerador.
𝐹𝑆𝑝𝑒𝑠𝑜 =𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡
𝑀𝑔= 12
Onde g é a aceleração da gravidade.
O próximo passo é a análise das tensões na torre. Sendo a força axial 𝐹𝑎 = 100 𝑘𝑁
e a força normal 𝐹𝑛 = 71,2 𝑘𝑁 pode-se calcular o momento fletor (𝑀𝑓𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟) como:
𝑀𝑓𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟 = 𝐹𝑛𝐿 = 1708800 𝑁𝑚
45
A partir desses valores acha-se a tensão devido à flexão (𝜎𝑓𝑙𝑒𝑥ã𝑜) e a tensão devido
à compressão (𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜):
𝜎𝑓𝑙𝑒𝑥ã𝑜 =𝑀𝑓𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟𝐷𝑒
2𝐼= 392,6 𝑀𝑃𝑎
𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 =𝑀. 𝑔
𝐴𝑠𝑒çã𝑜= 3,5 𝑀𝑃𝑎
A tensão devido ao cisalhamento (𝜏) é calculada da seguinte forma:
𝜏 =𝐹𝑛
𝐴𝑠𝑒çã𝑜= 2,5 𝑀𝑃𝑎
Com isso, acha-se a tensão de Von Mises (𝜎𝑉𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠):
𝜎𝑉𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠 = √𝜎² + 3𝜏2 = 396 𝑀𝑃𝑎
Pode-se então calcular o fator de segurança em relação ao limite de escoamento
(𝐹𝑆𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜):
𝐹𝑆𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝑆𝑦
𝜎𝑉𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠= 4
3.12 Desenho técnico da turbina
Terminados os cálculos do projeto da turbina, será apresentada a documentação
gráfico do projeto. Atendendo às normas vigentes relativas a desenho técnico, foi
realizado no programa SolidWorks o desenho de projeto mecânico da turbina eólica, com
seus principais componentes e especificações. O desenho encontra-se em anexo no final
do projeto.
46
4. Conclusão
A evolução de projetos de energia renovável tem papel essencial para o
desenvolvimento de qualquer país no mundo, objetivando suprir as demandas elétricas
com menor custo, de modo sustentável e deixar de depender de poucas e finitas fontes de
energia como o petróleo ou o carvão. Dentre as diversas tecnologias já existentes, a
energia eólica tem papel importante em muitos lugares do globo, como uma fonte de
energia limpa, confiável e de bom retorno econômico.
O trabalho apresentado teve como objetivo o desenvolvimento de uma turbina
eólica para atender as necessidades energéticas de uma fazenda leiteira. Esse tipo de
empreendimento, caso possua um bom regime de ventos, apresenta uma boa chance de
viabilidade e aplicação, visto que em geral apresenta grandes extensões de área onde a
turbina pode ser instalada sem que cause perturbações.
Para a execução do projeto foram necessários conhecimentos de cálculo de
esforços mecânicos, aerodinâmica e desenho mecânico. Na parte prática foi necessária a
obtenção de informações de fornecedores de equipamentos mecânicos, mancais, motores,
materiais a serem utilizados. Visando a obtenção de um projeto viável, os materiais e
desenhos das peças foram selecionados de modo a ter um custo reduzido com boa
confiabilidade de operação.
O resultado final foi satisfatório, tendo em vista que o projeto supre a demanda
elétrica previamente dimensionada, com confiabilidade, segurança e facilidade de
implantação.
4.1 Sugestões para trabalhos futuros
Próximos trabalhos envolvendo esse tema podem evoluir em certos aspectos não
discutidos no presente projeto. Tais como:
Projeto elétrico da turbina eólica;
Projeto do perfil da pá considerando uma redução de área da base até a ponta;
Cálculo e projeto da fundação para a sustentação da torre;
47
Avaliação da viabilidade de implantação de um sistema Direct Drive, que não
utiliza caixa de engrenagens, comumente utilizado em turbinas eólicas desse
porte, objetivando um decréscimo de peso da turbina.
Análise de vibrações e ressonância
48
5. Referências
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A
25,
42
20
4,67
DETALHE AESCALA 1 : 25
11
15
12
14
13
1617
18A
A
CORTE A-A ESCALA 1 : 40
1
2
10
6 7
8
4
9
5
3
A2Cristiana Socci Vianna
Prof. Armando Carlos de Pina FilhoData: 05/04/2016 Conjunto Aerogerador
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
1Núm Qnt. Especificação
LISTA DE PEÇAS
Projeto Final de Graduação
3 Pá Observação
Aerofólio NREL S-818 - Material: FRP
Unidades: m
Primeiro Diedro
Escala: 1:200
2 Liga de Alúminio ALCOA 7075
Aço SAE 4340Chaveta eixo e cubo
4
311
Parafuso de Fixação Parafusos sextavados DIN 931 M48
Aço SAE 4340Caixa de Engrenagens
Chaveta flange91
65
17 1
18GeradorSuporte
WEG W22 IR4 Super PremiumMoventas Kilowatt Class
Aço SAE 4340SKF 60/600 MARolamento da Nacele1
109
1 Nacele Fibra de VidroAço SAE 4340 Eixo de baixa
2111
12 Rolamento do Mancal SKF 6336/HC5C3PS0VA970
Elemento comercialMancalFlange
21
131415 1 Torre
Elemento comercial
SAE 4340 Laminado
Cubo
16
17
18
4
4
6
Parafuso de fixação do mancalParafuso de fixação da caixa de engrenagens
Parafuso de fixação do gerador
Elemento comercial
Elemento comercial
Elemento comercial