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16 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 ENERGIA EÓLICA NO MUNDO O petróleo é uma das maiores fontes de poluição do ar e devido as suas reservas se concentrarem em poucos países é motivo de guerras e conflitos armados. A exploração e a queima do carvão mineral degradam o ecossistema, reduzem a biodiversidade e comprometem os recursos hídricos. Embora o gás natural seja menos poluente que os outros dois citados ele é finito, não-renovável e contribui para as mudanças do clima do planeta. Esses são uns dos motivos porque deve-se substituir as fontes sujas pelas limpas [03]. A energia eólica é advinda do movimento do ar, o vento, ou seja, da energia cinética contida nas massas de ar em movimento. Através da conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação que se dá o seu aproveitamento. O aproveitamento desta em turbinas eólicas, também chamadas de aerogeradores, por gerar eletricidade, pode ser utilizado para vários tipos de trabalhos mecânicos, dentre elas, o bombeamento de água. Em 1976, na Dinamarca, foi instalada de forma pioneira uma turbina eólica comercial ligada a uma rede elétrica. Tabela 1.1 Potencial Eólico Mundial [02]. ESTIMATIVAS DO POTENCIAL EÓLICO MUNDIAL Região África Austrália América do Norte América Latina Europa Ocidental Europa Ocidental & URSS Ásia Mundo Porcentagem Potencial Densidade Potencial de Terra Bruto Demográfica Líquido Ocupada (TWh/ano) (hab/km²) (TWh/ano)

17 2 Um dos entraves ao desenvolvimento das fontes de energia limpa até pouco tempo atrás era a pouca confiabilidade e desempenho do equipamento, assim como o seu elevado custo. Com o recente desenvolvimento tecnológico sistemas avançados de transmissão, melhor aerodinâmica, estratégias de controle e operação de turbinas, enfim esses problemas foram bastante reduzidos nas duas últimas décadas, favorecendo um crescente avanço. 1.2 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL Segundo o vice-presidente da Associação Mundial de Energia Eólica, Everaldo Feitosa, a energia eólica é um mercado em franca expansão e o Brasil despertou tarde para essa nova realidade. Uma das grandes vantagens do Brasil quando falamos de energia eólica é que aproximadamente 70% da população moram em região litorânea, área que se encontra, por sua vez, o maior potencial eólico. No geral, nossos ventos, em média, têm velocidades altas e são estáveis. O primeiro aerogerador instalado no Brasil deu-se em Fernando de Noronha em Embora existam muitas divergências quando o assunto é o potencial eólico do Brasil, isso se dá principalmente da falta de informações e do tipo de metodologia empregado, estima-se que, segundo a maioria dos estudos atuais, o valor seja maior que 60GW [04]. A topografia brasileira é bastante diversificada e cada uma delas está sendo citada na tabela 1.2 em função da velocidade média do vento Vm e da energia média gerada Em. As classes 1 e 4 apresentam baixo e alto potencial eólico respectivamente. As classes 2 e 3 podem ou não ser favoráveis para o aproveitamento do vento, dependendo da condição topográfica. Tabela 1.2 Classes de Energia [02]. Definição das classes de energia Classes Mata Vm Em Campo Aberto Zona Costeira Vm Vm Em Em Morros Vm Em Montanhas Vm Em > 6,0 > 200 > 7,0 > 300 > 8,0 > 480 > 9,0 > 700 > 11 > ,5-6, ,0-7, ,5-8, ,5-9, , ,0-4, ,5-6, ,0-6, ,0-7, ,0-8, > 3,0 < 25 < 4,5 < 80 < 5,0 < 100 < 6,0 < 200 < 7,0 < 300

18 3 A tabela 1.2 é referente ao mapa da figura 1.1. Os valores registrados da velocidade média anual do vento em m/s, altitude de 50m, e da densidade média de energia média em W/m2. Os valores foram obtidos em condições padrão altitude igual ao nível do mar, temperatura de 20oC e fator de forma de Weibull de 2,5. Figura 1.1 Velocidade média anual do vento a 50m de altitude [13].

19 4 Como podemos verificar de acordo com a figura 1.1, a região Nordeste possui velocidade de ventos propícios ao aproveitamento da energia eólica em larga escala e a região Norte é a menos propícia ao aproveitamento da energia eólica. Figura 1.2 Central Eólica Mucuripe Fortaleza/CE [13]. A figura 1.2 ilustra a Central Eólica Mucuripe situada em Fortaleza que foi repotenciada e passou a ter 4 turbinas eólicas E-40 de 600 kw somando um total de 2400kW. Antes disso, ela tinha uma potência de apenas 1200 kw e foi desativada em OBJETIVOS E ORGANIZAÇÃO DA MONOGRAFIA O projeto em estudo tem como objetivo avaliar um sistema de bombeamento de água através do acionamento elétrico de um gerador eólico de imã permanente de 1KW de fluxo axial. Para isso foram usados vários componentes que serão descritos mais adiante a fim de saber as curvas características do sistema. O capítulo 1 é uma introdução à energia eólica e sobre o potencial eólico nas regiões brasileiras. O capítulo 2 mostra como ocorre a formação do vento e o motivo dos tipos de formação dos ventos.

20 5 O capítulo 3 fala sobre os tipos de terreno e a influência que eles causam à velocidade do vento. No capitulo 4 é abordado sobre a arquitetura de uma turbina eólica, assim como seus componentes. No capítulo 5 apresentamos a metodologia usada no projeto. O capítulo 6 é a conclusão do trabalho.

21 6 CAPÍTULO 2 O VENTO E A POTÊNCIA EÓLICA 2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS Neste capítulo será discutido sobre o aquecimento desigual que gera alguns tipos de movimentos das massas de ar. Por fim far-se-á uma análise do potencial eólico de uma turbina qualquer analisando o comprimento das pás, densidade do ar e velocidade do vento. 2.2 O VENTO E A SUA IMPORTÂNCIA É de fundamental importância no potencial eólico de qualquer região ou país. O vento ocorre quando duas massas de ar de densidade e pressão diferentes interagem. Numa tentativa de igualar essas pressões surge um fluxo de ar da região de maior pressão para a de menor pressão [09]. Figura 2.1 Formação do vento [09]. Parte dos raios solares ao chegar à atmosfera sofre reflexão e outra parte sofre refração. Essa energia solar que chega à Terra não é recebida de forma homogênea,

22 7 portanto é um dos fatores predominantes para a formação do vento, pois daí surge a diferença de densidades e pressões em cada região de ar. O processo de formação inicial do vento é realizado pela força, também chamado de gradiente de pressão que são causados pelo aquecimento distinto da atmosfera, que leva a massa de ar da alta para a baixa pressão. À medida que o vento aumenta a velocidade a influencia da rotação da terra começa a interferir. Outro quesito bastante importante para compreender esses movimentos de ar é o efeito coriolis. 2.3 EFEITO CORIOLIS Em um sistema de referência em rotação uniforme, os corpos presentes nesse referencial estão sujeitos a uma força perpendicular à direção do seu movimento conhecida por Coriolis. Também conhecido por força de Coriolis é uma aceleração aparente provocada pela rotação da Terra que faz com que os objetos movam-se de forma livre e atua sobre o deslocamento do vento, mudando sua velocidade e principalmente direção do movimento [09]. Figura 2.2 Efeito Coriolis na Terra [05].

23 8 A força de Coriolis por unidade de massa é representada através da seguinte expressão matemática: C 2. T.VP.sen (2.1) Em que: T Velocidade angular da Terra rad/s. VP Velocidade da partícula em m/s. Latitude em graus. Uma massa que se desloque de um ponto a outro no planeta terá a trajetória do seu movimento angular alterado e também será alterada em outra direção com proporção inversa, devido a quantidade de movimento, de modo que haja uma quantidade de movimento transversal ao seu movimento, por isso são movimentos tipicamente circulares [05]. 2.4 O VENTO GEOSTRÓFICO De acordo com a fórmula 2.1, quando a latitude for 0o teremos que a componente sen será zero, portanto a força Coriolis será praticamente nula na região do equador. Isso implica que as massas de ar farão um deslocamento retilíneo uniforme devido às diferenças de pressão [09]. O vento geostrófico é resultante do equilíbrio entre a força de gradiente de pressão horizontal e a força de Coriolis, portanto o fluxo de ar é horizontal, não acelerado e retilíneo. Figura 2.3 Gradiente de pressão e Coriolis agindo numa partícula de ar [17].

24 9 A figura 2.3 representa uma partícula de ar saindo de uma região de alta pressão para uma região de baixa pressão devido ao gradiente de pressão que é sempre perpendicular as linhas isobáricas. A partícula está sujeita a uma força resultante, portanto ela está acelerada. O movimento do ar faz com que a força de Coriolis seja contra a rotação da Terra, note também que ela é sempre perpendicular à trajetória da partícula. Do ponto A ao ponto C a força de Coriolis vai aumentando até atingir o equilíbrio. Até chegar ao ponto C a trajetória foi ficando cada vez mais acentuada devido ao aumento da velocidade. Então, no ponto C as forças se anulam e a partícula fica com o movimento horizontal sem aceleração, ou seja, retilíneo e uniforme. A partir daí recebe o nome de vento geostrófico. 2.5 TEMPERATURA E CIRCULAÇÃO GERAL DO VENTO A diferença entre a densidade em regiões de ar se deve principalmente às diferenças de temperatura e a desigualdade da radiação solar no planeta. Como dito anteriormente, parte dos raios solares sofre reflexão. A parte que sofre refração na atmosfera chega da seguinte forma. Figura 2.4 Raios chegando ao planeta de acordo com a latitude [05].

25 10 A figura 2.4 deixa bem claro que os raios chegam mais rápidos e mais intensos na linha equatorial, latitude próxima de 0o, do que nos pólos. O fato dos raios solares chegarem mais intensos na região equatorial implica que o ar é mais quente e menos denso do que nos pólos. O ar quente da linha equatorial sobe deixando uma pressão menor, quando chega a uma latitude próxima de 30o a força Coriolis impede que ele continue subindo, essa região que por sua vez tem a pressão maior força que o ar quente desça e volte a fechar o ciclo. Esse movimento é conhecido por convecção e pode ser observado na figura 2.5, o movimento que está ilustrado de vermelho é composto pelo ar quente e o de azul é composto pelo ar frio [09]. Lembrando que a figura 2.5 ilustra apenas os movimentos do ar de levando em consideração as diferenças de pressão e densidade das regiões. Figura 2.5 Deslocamento do ar de acordo com a pressão e a densidade [05]. 2.6 CIRCULAÇÃO SECUNDÁRIA DO VENTO A circulação secundária do vento se dá quando a formação de zonas de alta ou baixa pressão é causada através do aquecimento ou resfriamento da atmosfera. Podemse citar como exemplos os furacões, as monções e os ciclones. O furacão é uma poderosa tempestade que produz ventos que podem chegar a uma velocidade superior a 80 m/s. Este fenômeno pode durar semanas e percorrer

26 11 milhares de quilômetros. Ocorre geralmente em períodos quentes e pode compreender centenas de tempestades. As monções são formadas devido às diferenças de temperatura e pressão entre as massas continentais e marítimas. É bastante comum no sul e no sudeste da Ásia. Um ciclone é uma região de baixa pressão em que o vento circula. Podem apresentar diâmetro de milhares de quilômetros. Figura 2.6 Ciclone e Anti-ciclone [18]. 2.7 CIRCULAÇÃO TERCIÁRIA DO VENTO A circulação terciária do vento, também conhecida por circulação local, é formada por ventos locais, dentre elas as brisas marítimas e terrestres. A brisa acontece quando existe uma diferença grande de temperatura entre a terra e a água e acaba por gerar um gradiente de pressão que é responsável pelo movimento do ar. Existem as brisas marítima e terrestre. A brisa marítima ocorre durante o dia, quando a temperatura do ar sobre a terra é mais quente que do ar sobre a água. Como a pressão do ar em cima da água é maior que o do ar cima da terra, ocorre um movimento do ar da alta pressão para a baixa pressão. Ocorre exatamente o contrário nas brisas terrestres, mas elas são menores que as marítimas, pois a diferença de temperatura é menor durante a noite que o dia [05].

27 12 Figura 2.7 Brisas marítima e terrestre respectivamente [19]. Os ventos em vales e montanhas ocorrem de formar análoga. Durante o dia o sol aquece a parte inclinada da montanha que aquece o ar que sobe a montanha. Devido à troca com o ar frio que por ser mais pesado vai descer o vale. De noite ocorre o processo inverso. Figura 2.8 Ventos nas montanhas [09]. 2.8 POTÊNCIA DISPONÍVEL NO VENTO Nenhuma máquina possui rendimento de 100% e não seria diferente com o rotor, apenas uma parte da energia eólica total disponível é transformada em energia mecânica e transmitida para o eixo. A intensidade do fluxo de ar influencia na velocidade angular do rotor. A potência mecânica é igual à potência total disponível no vento menos a potência dissipada. O conceito de rendimento é bem simples, seria a potência mecânica absorvida dividida pela potência total disponível e pode ser facilmente calculada. Ela é representada da seguinte forma:

28 13 Pm Pv Pd Pm Pv (2.3) Pv Pd Pv (2.4) Pd Pv (2.5) (2.2) 1 Figura 2.9 Deslocamento da massa de ar através da turbina eólica [16]. A figura 2.9 representa uma turbina como se estivesse dentro de um tubo de ar que e mostra os parâmetros usados para o cálculo do potencial disponível no vento. Em que: Pv Potência total disponível no vento. Pm Potência mecânica. Pd Potência dissipada. Av Área de entrada do vento. u Velocidade do vento. a Densidade do ar. Ec Energia cinética do vento. Rendimento.

29 14 Supondo-se que um fluxo de ar de massa m que flui no sentido axial com velocidade u possui certa energia cinética, pode-se dizer que a derivada dessa energia cinética seja a potência disponível no vento. Antes de calcular a potência disponível defini-se potência como a grandeza que determina a quantidade de energia concedida por uma fonte a cada unidade de tempo. A partir da fórmula geral da potência calcula-se a potência disponível no vento. Ec t (2.6) m.u 2 2 (2.7) m V (2.8) m a.v (2.9) m a. Av.L (2.10) Pv Ec a Ec Pv a. Av.L.u 2 (2.11) a. Av.L.u 2 (2.12) a. Av.u 3 (2.13) 2 Pv 2 t 2 Finalmente, foi definida a expressão matemática que melhor representa a potência disponível no vento de acordo com a densidade do ar, a área varrida e a velocidade do vento [16]. 2.9 COEFICIENTE DE POTÊNCIA Defini-se o coeficiente de potência como a relação entre a potência mecânica extraída da potência disponível. Pode-se então dizer que o coeficiente é o próprio rendimento da turbina, ou seja, se o coeficiente é 0,45 significa que 45% da energia cinética da massa de ar que incide na turbina é transmitida para o eixo. A equação abaixo expressa a potência mecânica em função do coeficiente de potência e da potência disponível.

30 15 Pm C p.pv (2.14). A.u 3 Pm C p. a v 2 (2.15) É importante saber que o coeficiente é em função da velocidade do vento u, da velocidade angular do rotor wg, do ângulo de pitch e das características aerodinâmicas da pá da turbina [16]. Figura 2.10 Curva coeficiente de potência x velocidade angular [16]. A figura 2.10 demonstra que para cada velocidade do vento tem-se uma curva do coeficiente diferente representada e que quanto maior for essa velocidade maior será o máximo do coeficiente de potência. Existem testes que são realizados em túneis de vento pelos fabricantes para determinar o coeficiente de potência de turbinas eólicas. Outra curva muito importante para o reconhecimento das características dinâmicas da turbina eólica é do coeficiente de potência versus a velocidade de ponta da pá. O parâmetro combina os efeitos da velocidade angular do rotor com a velocidade do vento e pode ser definida através da equação g.r u (2.16)

31 16 Em que : Velocidade de ponta da pá em m/s. R Comprimento da pá da turbina em m. g Velocidade angular do rotor em rad/s. u Velocidade do vento em m/s. A figura 2.11 mostra uma curva do coeficiente de potência versus relação da velocidade de ponta. De acordo com o valor do parâmetro temos um coeficiente de potência C p máximo diferente. Figuras 2.11 Coeficiente de potência x velocidade de ponta das pás [16] FORÇAS EXERCIDAS NAS PÁS DA TURBINA As pás das máquinas modernas são dispositivos aerodinâmicos com perfis especialmente desenvolvidos, equivalentes às asas dos aviões, e que funcionam pelo princípio físico da sustentação [ 20]. A força de sustentação é perpendicular ao fluxo do vento resultante, ures visto pela pá que é resultado da subtração vetorial da velocidade do vento incidente u com a velocidade tangencial utan da pá da turbina eólica, conforme a equação a seguir e a velocidade tangencial é produto da velocidade angular do rotor pelo raio do rotor. A força de arrasto é produzida na mesma direção da velocidade resultante. A resultante das componentes da força de sustentação e de arrasto na direção da velocidade

32 17 tangencial produz o torque mecânico da turbina eólica. A potência mecânica extraída do vento é igual ao torque multiplicado pela velocidade angular do rotor, conforme as equações abaixo. ures u utan (2.17) utan g R (2.18) Pmec Tmec g (2.19) O diagrama a seguir descreve as forças aerodinâmicas vistas no corte de uma pá de aerogerador. Figura 2.12 Esforços em uma pá de turbina eólica [14]. Em que: F1 Força de sustentação em N. Fd Força de arrasto em N. utan Velocidade tangencial em m/s. ures Velocidade resultante em m/s. u Velocidade do vento em m/s.

33 CONSIDERAÇÕES FINAIS Este capítulo mostra como ocorre a formação dos diferentes tipos de vento devido ao aquecimento desigual da Terra pelo Sol e a importância desses ventos para uma turbina eólica. Mostrou-se também o típico gráfico do coeficiente de potência e como ele varia de acordo com a velocidade do vento. A potência eólica foi calculada e exibida nas equações e também foi explanado os esforços existentes nas pás elétricas.

34 19 CAPÍTULO 3 INFLUÊNCIA DO TERRENO NO VENTO 3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS É de suma importância determinar o tipo de terreno de determinada região, pois dessa forma pode-se avaliar com mais fidelidade o seu potencial eólico. Este, por sua vez, é afetado pelo tipo de terreno, pois a topografia e a rugosidade podem variar bastante a direção e a velocidade do vento. Para administrar melhor o aumento da geração eólica no sistema de potência é útil que se tenha o domínio da sazonalidade, da variabilidade e da imprevisibilidade da velocidade do vento. Diante dos fatos, faz-se mister que haja uma boa análise a fim de maximizar o rendimento do potencial eólico na instalação do aerogerador. 3.2 COMPORTAMENTO DO VENTO A potência eólica depende diretamente da quantidade de vento disponível e da sua velocidade no sistema e por sua vez, o comportamento do vento depende fortemente da área geográfica. Adotando uma escala de tempo anual, essa mudança na velocidade do vento apresenta certa sazonalidade. Já em tempos menores, dias e semanas, as variações são mais acentuadas, pois dependem também das perturbações climáticas. Em escalas de tempo ainda menores, minutos e segundos, as variações são turbulentas e causam um importante impacto no desempenho dos aerogeradores [09]. Quanto maior a superfície de contato entre o ar e a terra, maior a força de atrito existente entre eles. Ocorre a formação de uma componente horizontal da força de atrito contra o movimento, diminuindo a velocidade do vento. Portanto, quanto menor a altura do vento maior será essa força. Com o aumento dessa altura, a força diminui e a partir de certa camada ela torna-se desprezível. Existe também uma região de camada livre, nessa área o vento está livre da força de atrito com o solo. A figura 3.1 ilustra bem essa camada, assim como a camada limite atmosférica e mostra como o vento se comporta nessas camadas e de acordo com a altura.

35 20 Figura 3.1 Comportamento do vento [07]. O comprimento da rugosidade z0 é aonde a velocidade do vento é nula. Dependendo do local, na terra, a velocidade do vento pode ser apenas 40% do vetor gradiente e na água 70%. Isso mostra que a rugosidade do terreno também deve ser levada em consideração. Na camada limite a rugosidade afeta diretamente a velocidade do vento quando próximo à superfície do solo. A velocidade do vento também varia de acordo com a altura na atmosfera livre, apesar da força de atrito ser considerada desprezível, de forma quase linear até a tropopausa, limite entre a troposfera e a estratosfera, depois a velocidade passa a diminuir novamente. Essa variação se deve principalmente pela variação da pressão atmosférica de acordo com a altura. O ar sempre procura sair das regiões de maiores pressões para os de menores pressões, portanto a direção do vento também muda de acordo com a altura. A direção varia até que fique em uma linha isóbara, onde a pressão é igual. Quando se encontra próximo ao solo essa variação é praticamente nula, considerado constante, com exceção de quanto o terreno apresenta alta orografia, neste caso a direção vai mudar de acordo com a topografia do terreno [05]. Analisando a figura 3.1 verifica-se que a curva da velocidade do vento dentro da camada limite trata-se de uma curva logarítmica ou exponencial. É de enorme utilidade saber a velocidade do vento de acordo com a altura. A variação da velocidade com a altura z até aproximadamente 100m acima de uma superfície rugosa pode ser representada pela relação logarítmica, através da expressão.

36 21 U ( h) ( u* h ) ln( ) k z0 (3.1) Em que: U (h) Velocidade média do vento em m/s. u* Velocidade do atrito em m/s. k Constante de Von Karman. z0 Comprimento de rugosidade aerodinâmica em m. h Altura acima do solo em m. O comprimento de rugosidade z0 é a altura média das saliências apresentadas no terreno, são responsáveis pela força de atrito que se opõe ao movimento do ar e por isso acabam diminuindo a velocidade do vento. A velocidade de atrito u* pode ser representada da seguinte forma: u* W (3.2) Em que: W Tensão de cisalhamento na superfície do solo em N/m3. Massa específica do ar em Kg/m3. É possível determinar a velocidade do vento em certa altura se ela for determinada em outra altura. Trata-se de uma comparação logarítmica como mostra a equação. h1 ) z0 U (h1 ) U (h2 ) ln( h2 ) z0 ln( Em que: h1 Altura no ponto 1 em m. h2 Altura no ponto 2 em m. U (h1 ) Velocidade no ponto 1 em m/s. U (h2 ) Velocidade no ponto 2 em m/s. (3.3)

37 22 A lei de potência é muito utilizada em estudos de engenharia e serve para determinar, neste caso, a velocidade do vento com alturas diferentes. Também é conhecida por perfil exponencial. U (hr ) hr U (hn ) hn (3.4) Nessa equação as entradas são basicamente as mesmas da anterior, com exceção do expoente que é adimensional e depende da velocidade do vento, da rugosidade e da estabilidade atmosférica. Dependendo da rugosidade pode variar de 0,06 até 0,6. [10] Figura 3.2 Perfis do vento na camada limite [12]. Como mostrado na figura 3.2 a velocidade do vento vai aumentando de acordo com a altura, até chegar à camada limite que ele cresce de forma linear. Também fica claro que a velocidade do vento na cidade é menor que na grama que é menor que na água devido à rugosidade da superfície.

38 23 Dentre os fatores que alteram o aproveitamento do vento como fonte de energia estão a rugosidade que é a variação do vento com a altura ao solo, turbulência ou a presença de obstáculos, entre outros. 3.3 RUGOSIDADE DO TERRENO A rugosidade do solo pode ser definida como as irregularidades que essa superfície apresenta. De modo geral, pode-se dizer que superfícies lisas apresentam baixa rugosidade e superfícies ásperas apresentam alta rugosidade. Figura 3.3 Imagem microscópica da rugosidade de uma superfície [09]. Quanto maior a rugosidade de uma superfície, maior a força de atrito, pois existirão vários pontos de contato, aumentando, assim, a aderência entre os dois meios que estão em contato. A rugosidade representa a influência que a superfície do solo e os obstáculos fazem na velocidade e direção do vento. Dentre os fatores que influenciam na rugosidade estão o tipo e o tamanho da vegetação, as construções em volta, entre outros. Usualmente, o coeficiente de rugosidade z0 é parametrizado em metros e é a altura em que a velocidade do vento é zero. A equação 3.5 mostra como calcular o coeficiente de rugosidade z0 em função de outros parâmetros.

39 24 z0 0,5. h.s AH (3.5) Em que: h Altura do elemento de rugosidade em m. S Seção transversal, na direção do vento, do elemento de rugosidade em m2. AH Área horizontal média dos elementos de rugosidade uniformemente distribuídos em m. Tabela 3.1 Classificação do terreno quanto a rugosidade [09]. Classes de cobertura do solo Água Solo exposto Descrição z0 (m) Áreas representadas por lagoas e represas. 0,0002 Regiões não ocupadas por edificações e sem qualquer tipo de cobertura vegetal. 0,03 Vegetação de pequeno porte ou com obstáculos Vegetação rasteira esparsos em altura que podem ser árvores ou 0,1 construções Vegetação arbórea Áreas com vegetação arbórea significativa, que podem ser remanescentes de florestas. Área urbana Regiões com edificações de até dois pavimentos, residencial tipologia típica de bairros residenciais. Área urbana densa de altura média Área urbana de alta densidade 1,0 0,33 Áreas compostas por residências uni familiares e prédios de até 8 pavimentos, com pequeno 0,39 afastamento entre eles. Regiões de densidade elevada que apresentam edificações acima de 10 pavimentos, com 3,8 pequenos afastamentos entre eles. As classes de rugosidade apresentadas na tabela 3.1 vêem sendo vastamente utilizadas em trabalhos, pesquisa, estudos e desenvolvimentos no setor de energia eólica, tanto no meio acadêmico quanto no setor comercial.

40 TURBULÊNCIA A turbulência pode estar ligada fenômenos naturais como tempestades com rajadas de vento em várias direções, ou áreas em que a superfície apresenta alto índice de rugosidade. A turbulência reduz a capacidade de aproveitar o vento de forma eficaz no aerogerador. As torres geralmente são altas para evitar turbulências, pois elas desgastam o material e podem causar rupturas. Como ela pode causar flutuações e variações na potência de saída seu estudo é muito importante nas turbinas eólicas. Duas das principais causas da turbulência é o atrito com a superfície da terra e o efeito térmico. Este último pode modificar a densidade do ar, pois com o aquecimento descontínuo faz com que haja um movimento vertical da massa de ar. A turbulência depende de várias situações, da velocidade do vento nas três dimensões, do tipo de vegetação presente, das construções, temperatura, pressão, densidade e umidade. Na prática ele pode ser descrito como um movimento randômico, por isso é melhor desenvolver descrições de turbulência em termos de suas propriedades estatísticas. A intensidade da turbulência é mostrada na equação 3.6. I VMÉD (3.6) Em que: I Intensidade da turbulência. Desvio padrão da velocidade do vento. VMÉD Velocidade média do vento. Ao analisar a equação 3.6 fica claro ver que a intensidade da turbulência diminui com a altura, pois quanto maior a altura maior será a velocidade do vento [12].

41 26 Figura 3.4 Intensidade da turbulência versus altura [09]. Na tabela 3.2 estão indicados algumas intensidades de turbulência de acordo com o tipo de terreno. Tabela 3.2 Intensidade de turbulência para alguns tipos de terreno [09]. Tipo de Terreno Intensidade de Turbulência - I Água aberta (mares, lagos, etc) 0,10 Plano ou levemente ondulado 0,15 Morros 0,20 Pequenas montanhas 0,25 Grandes montanhas 0,30 O problema da turbulência é um dos fenômenos para ser resolvido na física moderna, sendo que falta uma boa teoria que dê coerência e previsibilidade a uma série de descrições estatísticas e fenomenológicas.

42 OBSTÁCULOS Edifícios, árvores, entre outros, são obstáculos ao vento e diminuem a sua velocidade. Isso acarreta em turbulências ao redor deles e ocasionam uma queda no potencial eólico. A maior parte das turbulências é gerada atrás dos obstáculos e se propagam em média até dez vezes a dimensão do objeto. Portanto, seria muito útil evitar construções de obstáculos perto das turbinas eólicas, principalmente na direção do vento. Figura 3.5 Comportamento do vento após um obstáculo [09]. O efeito causado pelo obstáculo no fluxo do ar é diferente de acordo com as próprias dimensões do obstáculo e também depende da velocidade de impacto do vento na barreira. A figura 3.6 mostra com clareza que a turbulência é formada de acordo com o formato da barreira a ser vencida. Realizar o estudo do comportamento do vento é muito complexo, pois depende de muitas variáveis, como a velocidade do vento e características do obstáculo. Figura 3.6 Turbulências causadas por diferentes obstáculos [01].

43 ESCOLHA DO TERRENO Na escolha do terreno deve-se estudar ao máximo as propriedades do mesmo a fim de maximizar o rendimento da turbina eólica a ser instalada na região. As principais características a serem observadas são: rugosidade do terreno, obstáculos, turbulência. Portanto, a superfície perfeita seria a que tivesse menos rugosidade, obstáculos e com menor turbulência possível. Isso acarretaria numa velocidade de vento maior e sem mudar a direção do vento. 3.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS A boa escolha do terreno é fundamental para a viabilidade técnica de uma central eólica. A verificação da topografia e da rugosidade são as principais preocupações para a escolha da área onde vai ser montada uma turbina eólica, pois elas fazem com que a direção e a velocidade do vento variem constantemente. Devido ao fato da velocidade do vento ser bem afetada por diversos fatores, deve-se realizar medições na velocidade e na direção do vento, assim fica mais fácil determinar de forma adequada o melhor local para se instalar uma central eólica.

44 29 CAPÍTULO 4 ARQUITETURA DE UMA TURBINA EÓLICA 4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS É notório o grande avanço tecnológico que o aerogerador passou durante a sua história. Os moinhos de vento foram os pioneiros na área de usar a energia eólica para realizar trabalho, isso se deve a incansável vontade de sempre entender cada vez mais o funcionamento do mecanismo e querer melhorar a produção de energia elétrica através da energia cinética do vento. A figura 4.1 mostra alguns moinhos da Idade Média na Europa e são os antecessores das turbinas eólicas modernas. Para um completo entendimento da turbina eólica é necessário fazer a análise da arquitetura de um aerogerador, assim como seus componentes: gerador elétrico, torre, pás, transmissão, entre outros. Com isso o entendimento do fluxo de potência dentro de um processo de conversão eletromecânico acionado por fonte eólica fica mais fácil de ser compreendido. Este capítulo relata os conceitos básicos de energia eólica, mostrando como se dá a conversão de energia cinética dos ventos em energia mecânica no eixo e por fim em energia elétrica que pode ser utilizada de varias maneiras. Por fim far-se-á uma análise do desempenho e dos mecanismos de perda do gerador síncrono de imã permanente. Figura 4.1 Moinho de vento [15].

45 TURBINA EÓLICA E SUAS COMPONENTES A turbina eólica é uma máquina que tem como função absorver parte da potência cinética do vento através de um rotor eólico, convertendo em potência mecânica de eixo e por fim o gerador transforma em potência elétrica. Existem dois tipos de turbinas; o de eixo horizontal e o de eixo vertical. A figura 4.2 ilustra um exemplo de cada tipo. Figura 4.2 Turbinas Eólicas de eixos vertical e horizontal [20]. Turbinas de eixo vertical são muito pouco produzidos na atualidade, a grande vantagem desse tipo é que eles têm o gerador na base e eles captam os ventos sem a necessidade de um mecanismo de orientação. Existem portes diferentes, tudo depende da potência desejada. Quão maior for a potência desejada maior será o porte da turbina. Existem torres que chegam até 10MW. Normalmente a energia produzida é entregue à rede, mas também pode ser armazenada em baterias. Elas também podem ter quantidades variadas de pás, apesar de a mais comum ser de três pás, mas isso não é o que de fato importa para que haja um alto rendimento na produção de eletricidade, e sim, a superfície varrida por elas. Os principais componentes da turbina eólica são nacele, rotor, torre, transmissão, gerador, entre outros [16].

46 31 Figura 4.3 Desenho esquemático de uma turbina eólica moderna [13]. A figura 4.3 ilustra bem o conceito de uma turbina eólica moderna, com três pás, eixo de rotação horizontal, alinhamento ativo e gerador de indução.

47 NACELE O gerador, a caixa de engrenagem, todo o sistema de controle, entre outros ficam localizados no nacele que é uma caixa que é sustentada pela torre. As figuras 4.4 e 4.5 mostram dois tipos de nacele, um com gerador convencional e outro com gerador de múltiplos pólos. Figura 4.4 Nacele utilizando gerador convencional [11]. Figura 4.5 Nacele com gerador de multipolos [11].

48 ROTOR É o componente do aerogerador responsável por absorver a energia cinética do vento e converter em energia mecânica do eixo. Os fluxos de ar que atuam sobre a hélice podem ser decompostos em duas componentes força de sustentação, ou empuxo, que tende a levantar a hélice e força de arrasto, ou arrasto, que tende a fazer com que o rotor gire, tendo como eixo de rotação sua estrutura de suporte [15] EIXO VERTICAL A principal vantagem desse tipo de rotor é que funciona independente da direção do vento e não necessitam de mecanismos de orientação. Outra vantagem é que o rotor é acoplado com a máquina próximo ao solo. A desvantagem é que ele desenvolve pouca potência por unidade de área de captação do vento. Figura 4.6 Rotor Darrieus e Savonius respectivamente [20]. Rotor Savonius São movidos principalmente por força de arrasto, drag, e possuem alto torque de partida. Sua velocidade é relativamente baixa e possui baixo rendimento.

49 34 Rotor Darrieus São movidos predominantemente por força de empuxo, lift. Possui um torque de partida relativamente baixo e alto rendimento. Como se vê na figura 4.6 as lâminas são unidas aos extremos no eixo vertical EIXO HORIZONTAL São os mais comuns e também os mais modernos. Pode ter diferentes números de pás como mostra a figura 4.7. Os aerogeradores mais modernos são construídos com três pás embora apresentem desvantagem no custo e no peso se comparados com os de duas hélices. Uma das vantagens em cima dos de duas pás é que eles produzem a mesma potência com uma velocidade menor, dessa forma, diminuindo assim o ruído causado [16]. Figura 4.7 Aerogeradores com diferentes números de pás [20]. Turbinas com apenas uma pá têm o peso baixo, porém elas precisam de uma velocidade maior para produzir a mesma potência que outros rotores de pás duplas. Os rotores de eixo horizontal desenvolvem mais força e potência por unidade de área de captação de vento, assim como possuem um maior rendimento que os de eixo vertical. Podem atingir velocidades maiores que a do vento, o que os torna excelente para aplicações que precisem de alta velocidade de rotação como geração de energia elétrica.. A desvantagem desse tipo de rotor é que ele necessita de um mecanismo de orientação para que suas lâminas sempre fiquem perpendiculares ao vento incidente. Os sistemas com eixo horizontal são movidos predominantemente por forças lift. Afim de que o rotor possa se movimentar em torno do eixo de sustentação ele é montado em cima de uma gávea giratória.

50 35 De acordo com a posição das lâminas relativas à torre de sustentação, os rotores de eixo horizontal podem ser posicionados em montante e jusante. Figura 4.8 Rotor de eixo a montante e a jusante respectivamente [20]. A montante as pás estão à frente da torre de sustentação de acordo com a figura 4.8. Esse tipo de eixo precisa de um mecanismo de orientação para que as pás sempre fiquem de frente para o vento. A jusante também representado na figura 4.5, nesse caso a torre de sustentação que se encontra à frente das pás. Normalmente, esse tipo de rotor tem orientação automática e como a lâmina que está atrás da torre ela não é solicitada pelo vento como as outras provocando vibrações no rotor [15]. 4.5 TRANSMISSÃO E CAIXA MULTIPLICADORA A transmissão ou multiplicação tem como finalidade entregar a potência mecânica do eixo do rotor ao gerador. Ela engloba a caixa multiplicadora e é composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamento. Como a velocidade média de rotação do rotor varia de 20 RPM a 150 RPM, pois existem restrições de velocidade da ponta da pá, e a velocidade média de rotação do gerador é bem mais alta, principalmente dos geradores síncronos, variando entre 1200 RPM a 1800 RPM, torna-se necessário a instalação de um sistema de multiplicação

51 36 entre os eixos. A localização da transmissão é uma das formas para adaptar a baixa velocidade do rotor em relação à alta velocidade de rotação do gerador. Alguns fabricantes desenvolveram aerogeradores sem a caixa multiplicadora, abandonando assim a alta relação de transmissão da engrenagem necessária para atingir a alta rotação do gerador e passaram a usar geradores multipolos de baixa velocidade e grande dimensão. 4.6 TORRE É o componente responsável pela sustentação do rotor a uma altura para que haja o seu bom funcionamento, portanto está sujeito a vários tipos de esforços. Inicialmente usavam-se torres de metal treliçados, mas o nacele foi ficando mais pesado devido ao aumento da potência do gerador. Como tinha que sustentar o nacele a certa altura e dar mobilidade tornou-se comum o uso de torres de concreto ou de metal tubular. A torre é responsável por boa parte do custo do equipamento. 4.7 GERADOR Existem diversos geradores elétricos disponíveis no mercado que servem para transformar a energia mecânica de eixo em energia elétrica, portanto trata-se de um problema tecnologicamente dominado. Figura 4.9 Gerador convencional [14].

52 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os principais problemas da integração no sistema de conversão eólica são apontados a seguir. Variações na velocidade do vento. Variações do torque de entrada. Exigência de freqüência e tensão constante na energia final produzida. Dificuldade de instalação, operação e manutenção devido ao isolamento geográfico de tais sistemas. No presente capítulo foi discutido sobre a evolução das turbinas eólicas, assim como os componentes e suas peculiaridades. Também foi mostrado como a energia cinética dos ventos é transformada em energia mecânica no eixo e depois em energia elétrica que pode ser utilizada para bombear água. Um sistema eólico pode ser utilizado basicamente em três aplicações distintas: Sistemas isolados. Híbridos. Interligados à rede. Os sistemas obedecem a uma configuração básica, necessitam de uma unidade de controle de potência e, em determinados casos, conforme a aplicação, de uma unidade de armazenamento.

53 38 CAPÍTULO 5 METODOLOGIA E RESULTADOS 5.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS A energia do vento é uma energia limpa, com alta disponibilidade e trata-se de uma fonte renovável em abundância. Apesar de a geração eólica brasileira vir se destacando bastante nos últimos anos ainda tem um enorme potencial eólico a ser explorado. O mercado no Brasil quando o assunto é turbina eólica ainda é muito fraco se comparado ao grande potencial existente no país, a grande maioria das turbinas de pequeno porte ainda é fabricada pelas empresas estrangeiras. Aerogeradores de pequeno porte são utilizados principalmente de forma autônoma ou em sistemas híbridos, para possíveis fins diferentes, seja para carregar bateria, seja para bombear água. O último é o real motivo deste trabalho. Este capítulo tem como objetivo avaliar a eficiência operacional e energética de bombeamento de água acionado por um gerador eólico de imã permanente de 1 KW de fluxo axial. 5.2 COMPONENTES DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA O sistema de bombeamento de água em estudo é composto pelos seguintes componentes: Gerador eólico síncrono de imã permanente de fluxo axial de 1kW que utiliza três pás com 1,23m de comprimento. Controlador de carga que regula a tensão e a freqüência garantindo que o motor funcione a uma freqüência próxima de 60 Hz e uma tensão de fase em 220 V. Motor para acionamento da bomba centrífuga de 0,5 CV de potência trifásica. Datalogger. Anenômetro de conchas. Medidor de vazão e pressão. Analisador de energia.

54 DESCRIÇÃO DA PLANTA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA POR GERADOR EÓLICO A figura 5.1 mostra o esquema da ligação entre o aerogerador e o conjunto motor-bomba instalado no Campus do Pici da Universidade Federal do Ceará, UFC, próximo ao açude, onde os ventos são propícios à geração de energia eólica. Nesse sistema foram usados os componentes descritos no tópico anterior. Figura 5.1 Diagrama de ligação entre o aerogerador e o motor-bomba [07]. Na figura 5.1 fica claro como são as ligações, primeiramente, as fases do gerador são ligadas ao controlador de carga. Este, por sua vez, é responsável por fazer o acoplamento elétrico entre o aerogerador e o conjunto motor-bomba. Quando o acoplamento for realizado o motor passará a girar com velocidade em RPM múltipla a do gerador e o bombeamento será iniciado assim que o sistema chegar à velocidade que permita atingir a altura manométrica a qual o sistema estará submetido, que ocorre em aproximadamente 37 Hz.

55 GERADOR EÓLICO DE IMÃ PERMANENTE O gerador eólico de imã permanente, PMSG, tem como características principais as dimensões físicas reduzidas se comparadas a outros geradores e alta capacidade de gerar energia em baixas velocidades. Esse é um dos motivos dele ser bastante aplicado em sistemas eólicos de pequeno porte. Como o rotor não precisa de excitação externa, as perdas são reduzidas, PMSG torna-se bastante confiável e de alta eficiência. Os geradores de imãs permanentes possuem tanto fluxo radial como fluxo axial. A máquina escolhida e utilizada no projeto trata-se de uma máquina toroidal e axial [ 08]. Tabela 5.1 Características técnicas do gerador utilizado [07]. Potência a 13m/s 1000 W Velocidade de partida 3,0 m/s Torque de partida 0,3 N.m Sistema magnético Neodímio Sistema elétrico Trifásico Tensão de saída 220 V Topologia Fluxo axial Peso total 22 kg Material anti-corrosão Alumínio / Inox O imã permanente produz um campo magnético muito forte e como o imã encontra-se presente nos dois lados do estator torna-se possível uma topologia sem ranhuras e com enrolamentos fixos no gap. O uso de imãs Nd-Fe-B, Neodímio-FerroBoro, que proporciona um peso reduzido com alto carregamento magnético. Também, com um alto carregamento magnético, é possível gerar a força eletromotriz requerida usando um pequeno número de voltas por enrolamento, fazendo com que as resistências e indutâncias sejam baixas [15].

56 41 Figura 5.2 Seção transversal da máquina de imã permanente [16]. Figura 5.3 Trajetos principais do fluxo em linhas pontilhadas [16].

57 42 A figura 5.2 representa a geometria do PMSG, o estator é toroidal e laminado, envolvido por um enrolamento sem a presença de escovas e o seu fluxo é axial. O rotor é formado por dois discos de alumínio sendo um em cada lado do estator. 5.5 PERDAS NO MECANISMO EFEITO JOULE Esta é a principal perda da máquina, com a topologia do projeto, toroidal, esse tipo de perda é bem reduzido, pois os condutores que envolvem o núcleo do estator formando os enrolamentos são mais curtos, portanto apresentam uma menor resistência efetiva. As perdas por correntes parasitas também têm bastante influencia principalmente se estiver sendo operado em altas velocidades. A corrente eficaz também influencia no efeito joule, existem projetos que necessitam de baixa tensão e alta corrente PERDAS POR CORRENTES PARASITAS O enrolamento está localizado entre os imãs, portanto está exposto ao campo magnético principal. A movimentação dos imãs faz com quem um campo passe entre cada condutor. Com isso ocorre a indução de correntes parasitas fazendo o campo uniforme variar ocasionando assim a perda. Pode ser representada de acordo com a equação 5.1. PE B p2. e.d Em que: PE Perda por correntes parasitas. B p Pico de densidade de fluxo magnético. e Velocidade angular elétrica da tensão gerada. d Diâmetro do núcleo do estator. Resistividade do condutor. (5.1)

58 43 Caso o condutor apresente seção retangular, o termo 32 da equação 5.1 passa a ser substituído por PERDA POR HISTERESE A perda no ferro pode ser considerada baixa, pois a quantidade de ferro usada é pequena e o mecanismo possui alta densidade de fluxo tangencial e baixo de fluxo axial. Figura 5.4 Curva de histerese [ 08]. 5.6 CONJUNTO MOTOR-BOMBA Como já vimos o controlador de carga serve para fazer o acoplamento elétrico entre o aerogerador e o conjunto motor-bomba, neste projeto usamos um conjunto motor-bomba com as seguintes características: Tipo radial. Grau de proteção IP-21, isolamento classe B e modelo CP-4R. Motor elétrico trifásico com alimentação de 220 V/380 V de indução. 0,5 CV de potência. Freqüência de 60 Hz e velocidade de 3450 RPM.

59 44 Figura 5.5 Conjunto motor-bomba [07]. Podemos calcular o rendimento de uma bomba através da relação entre a potência fornecida pela bomba e a potência fornecida pelo eixo do motor. A equação 5.2 mostra essa relação. Pútil Pmotriz (5.2) O rendimento do conjunto motor-bomba através de acionamento por um gerador síncrono de imã permanente é mostrado na equação 5.3. Pmotriz.Q.H (5.3)

60 45 Em que: Peso específico do líquido em Kgf/m3. Rendimento da bomba. Q Vazão m3/h. H Altura manométrica em metros de coluna de água. Pmotriz Potência fornecida pelo motor à bomba em CV. 5.7 ANALISADOR DE ENERGIA O analisador de energia serve para registrar os dados que vêm da turbina eólica como tensão, corrente, potência e freqüência. Ele é acompanhado de um programa computacional que permite descarregar os dados para o computador. A coleta de dados é feita diretamente no local onde o equipamento é instalado através de um conversor RS-485 para RS-232. Figura 5.6 Analisador de energia [07].

61 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS Para realizar a coleta dos dados usamos um equipamento chamado datalogger que fica conectado aos sensores de vazão, pressão e ao anemômetro como ilustrado na figura 5.7. Ele possui entradas para sensores que podem ser analógicos, de pulsos ou digitais. Figura 5.7 Diagrama de ligação dos sensores de pressão, vazão e anemômetro ao datalogger [07]. Figura 5.8 Entradas do datalogger [07].

62 47 A porta serial pode se comportar como entrada e saída de dados. É através dela que o datalogger se comunica com o computador usando o software fornecido pelo fabricante. A alimentação do datalogger é feita conectando uma bateria de 12 V nos terminais G e 12 V. A medição da vazão é baseada na medição da velocidade do fluido que é feita pelo rotor magnético. Uma senoinal que é gerada a partir das palhetas do rotor que passam por uma bobina que fica localizada dentro do corpo do sensor possui freqüência e amplitude de acordo com a velocidade do fluido. Este sinal é transformado em um sinal de corrente que será proporcional à vazão. A medição da pressão é realizada através de um sistema piezo-resistivo com a ajuda de um elemento chamado diafragma. O diafragma é pressionado proporcionalmente de acordo com a variação da pressão. Um sensor localizado dentro do diafragma converte a variação da pressão em uma variação de resistência elétrica. Essa informação é convertida em um sinal de corrente que pode ser ligada a algum dispositivo de automação. A figura 5.9 é o datalogger utilizado no projeto com as devidas ligações, como as entradas de pulso e as entradas analógicas, inclusive o sistema de alimentação do mesmo. Figura 5.9 Datalogger utilizado no projeto [07].

63 BOMBA CENTRÍFUGA OPERANDO EM VELOCIDADE VARIÁVEL A bomba converte a energia mecânica em energia hidráulica e impulsiona o fluido no sistema. A bomba centrífuga é uma boa carga para a turbina eólica, pois a energia de entrada é diretamente proporcional ao cubo da velocidade do fluido que atravessa a bomba. A figura 5.10 mostra os diferentes tipos de curvas de acordo com a altura manométricas. Figura Curvas de vazão em função da freqüência para cada altura AMT [20] A freqüência de acionamento influencia diretamente na potência, pois a vazão é função da rotação da bomba como especificado na figura O gráfico mostra a potência requerida pelo conjunto motor-bomba em função da vazão. Tanto o gráfico 5.10 como o gráfico 5.11 têm as curvas para as três alturas manométricas. Em que: AMT 8 8m. AMT 11 11m. AMT 13 13m.

64 49 Figura Curvas de potência em função da vazão para diferentes AMT [20] A rotação do conjunto motor-bomba é variável e a característica de funcionamento da bomba centrífuga é influenciada pela vazão que influenciam na altura e no rendimento. Figura Curvas do rendimento em função da vazão para diferentes AMT [20] O rendimento do sistema depende da eficiência da bomba que é bastante influenciada pela rotação e pela vazão. O gráfico 5.12 mostra que o rendimento é maior para menores alturas manométricas.

65 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA Como dito anteriormente trata-se de um sistema elétrico/eólico com um gerador de imã permanente de 1 KW. Figura 5.13 Topologia do sistema eólico/elétrico de bombeamento de água [20] O acoplamento entre o gerador e o motor ocorre dentro de uma faixa de freqüência. O aerogerador e o conjunto motor-bomba são trifásicos e preparados para funcionar de modo autônomo, mas existe a possibilidade de operar em paralelo com a rede elétrica, na qual o sistema dispõe de uma rede monofásica 220 Vca / 60 Hz que através de um inversor aciona a bomba. Esse sistema com o inversor entra em vigor na ausência de ventos com velocidade suficiente para produzir potência necessária ao acionamento CARACTERÍSTICAS EÓLICAS DO LOCAL Depois de analisar as características do terreno para saber sobre a média da velocidade do vento de acordo com o período do ano, também sabemos que é de suma importância o tipo de terreno encontrado e as construções urbanas encontradas, pois influenciam bastante no fluxo de ar. Com um anenômetro localizado a 10m de altura, em condições locais, foi feita a medição da distribuição de freqüência de vento para o período do primeiro semestre do ano de 2010.

66 51 O aerogerador do projeto em estudo foi instalado em um terreno de orografia bastante complexa e apresenta alta rugosidade devido aos obstáculos encontrados. O local pertence à classe 3, z0 = 0,4m, portanto a velocidade é diminuída. A figura 5.14 ilustra bem essas medições. Figura Freqüência de distribuição da velocidade de vento entre janeiro e junho de 2010 [07]. Para a instalação do gerador eólico foi utilizada uma torre treliçada de 11m de altura localizada em frente ao açude da UFC. Figura 5.15 Aerogerador sendo erguido ao topo da torre [07].

67 52 O fácil acesso para manuntenção e instalação, sem contar a rapidez da instalação foram fundamentais para a escolha do tipo de torre. Como mostrado na figura 5.15 o aerogerador está sobre a torre de 11m, por tratar de uma altura relativamente baixa, a velocidade do vento é baixa e a turbina fica sujeita a turbulências. Isso influencia bastante no rendimento do sistema como um todo. Apesar desses intempéries, as velocidades de vento alcançadas são suficientes para produzir a potência elétrica necessária para acionar a bomba. Figura Freqüência de distribuição da velocidade de vento entre janeiro e junho de 2010 [20]. As figuras 5.14 e 5.16 são oriundas das medições realizadas no local através de um anemômetro de conchas. A velocidade elevada do vento ocorre com maior freqüência no segundo semestre, quando comparado com os resultados obtidos, demonstra que os valores medidos são compatíveis com as velocidades para o período e o local onde o aerogerador foi instalado GERADOR GRW246 Trata-se de um gerador acionado pela turbina elétrica e tem como função gerar energia elétrica através da conversão eletromecânica. É um gerador síncrono de imã permanente que consiste em um estator trifásico e um rotor de imã permanente.