Análise da Geração de Energia Elétrica através dos Ventos

Transcrição

1 Análise da Geração de Energia Elétrica através dos Ventos Darlei José Battistella Giareta, Diogo Cardozo de Souza, Lucas Raniere Gonçalves, Thiago da Silva, Wellington João Gonçalves RESUMO O presente trabalho tem como objetivo ilustrar como ocorre o processo de geração de energia através de aerogeradores, seus componentes e como interagem no conjunto, apresentando as vantagens e desvantagens deste meio de geração. Demonstrará também quais os tratamentos necessários pelos quais a energia passa até ser disponibilizada nas indústrias e residências. Referente ao trabalho prático serão descritas as condições para gerar energia através de um motor elétrico também serão explanados os recursos utilizados para manipular a energia gerada. Com o auxílio o LabVIEW (software de linguagem de programação gráfica originária da National Instruments), foram obtidos dados do wattímetro e mensura da velocidade do vento através do anemômetro apenas para leitura e posterior aplicação dos recursos estatísticos. Palavras-Chave: aerogeradores, energia eólica, geradores, motores síncronos, energia limpa, sustentabilidade. 1

2 INTRODUÇÃO Nos atuais dias, em que a tecnologia avança a largos passos, o desenvolvimento econômico encontra-se acima de qualquer coisa e consequentemente, a demanda por energia elétrica é cada vez maior. Por muito tempo, essa demanda foi atendida pela queima de combustíveis fósseis, o que trouxe problemas graves ao meio ambiente, tais como: chuva ácida, efeito estufa, aquecimento global, etc. Portanto, torna-se necessário que o ser humano busque novas fontes de energia renováveis e não poluentes, para que haja uma combinação rentável entre proteção do meio ambiente e desenvolvimento econômico. Infelizmente não existe conversão de energia sem algum impacto ambiental. Tendo isso em mente, a energia eólica foi a escolhida para esse projeto pois representa uma excelente fonte renovável para produção de energia elétrica e apresenta um baixo impacto ambiental, além de seus custos de instalação e manutenção diminuírem a cada ano, o que a torna rentável ao longo do tempo. Dessa forma, e fazendo uso dos conhecimentos de Cálculo (Operações matemáticas de derivações), Engenharia e Sustentabilidade (Energias Renováveis), Física I (Conversões de Energia Mecânica em Eletrica, etc), Eletricidade (Corrente Alternada Formas de Onda, Funções de Onda e Transformadores Relação de Transformação) e Estatística (Tratamento de Dados Tensão Média, Relação de Tensão e Velocidade do Ar), o objetivo do trabalho foi utilizar do mesmo princípio de Faraday para gerar energia elétrica, através de uma força eletromotriz (FEM). Através de fórmulas matemáticas é possível estimar a potência disponível em uma determinada seção transversal de ar e assim relacioná-las com os dados obtidos nos experimentos práticos, através de ferramentas estatísticas e também apresentar tabelas e gráficos das potências disponíveis e das potências geradas, gerando um comparativo de eficiência (BOYLESTAD, 2004). Com o auxílio de um osciloscópio, é possível ver a forma de onda gerada na saída do gerador, utilizando de alguns princípios de eletricidade e com as informações obtidas, pode ser descrita a fórmula da forma de onda da tensão. Para exemplificar o processo de elevação de tensão para transmissão, o uso do transformador mostra que seu comportamento obedece algumas expressões características que podem ser escritas através de cálculos teóricos e testes práticos. 2

3 2 METODOLOGIA 2.1 Geração de energia eólica A geração de energias renováveis através de aerogeradores, ocorrem com a utilização dos ventos que consistem em diferenciais de pressão. Esse modo de conversão de energias, utiliza de princípios físicos para a obtenção de eletricidade. A captação do vento através das pás, possibilita a rotação de um rotor que está acoplado em um gerador. A tensão gerada é enviada até uma central de energia e é utilizada como complemento dos outros meios de geração, visto que depender somente dessa fonte de energia ainda é arriscado por ser necessária a presença contínua de ventos (CUSTÓDIO, 2009). O potencial eólico disponível pode ser definido como a energia cinética que passa através das pás do gerador em um determinado tempo (IVONI, JORGE, 2006). Então a energia cinética da massa de ar pode ser expressa pela equação (1): Ec = m v² 2 (1) m é a massa de ar que flui através das pás do gerador e v é a velocidade do vento em m/s. A vazão do vento pode ser definida através do fluxo de massa expresso pela equação (2) em kg/s: m = ρav (2) ρ é a massa específica do ar, A é a área de varredura das pás e V a velocidade do vento que flui pela seção transversal das pás. O potencial eólico pode ser expresso pela diferenciação da energia pela unidade de tempo: P = ρ m V² 2 (3) 3

4 Reescrevendo e unindo as equações (2) e (3) temos a equação (4) que expressa a potência relacionando a massa específica, área da seção das pás do gerador e a velocidade do vento que escoa pelo gerador (CUSTÓDIO, 2009): P = ρ A V³ 2 (4) Com a equação (4) é possível estimar a potência disponível em Watts, em determinada seção transversal na qual o vento irá fluir. A energia gerada pode ser manipulada com o intuito de atender determinadas necessidades, um exemplo é a utilização de transformadores para provocar uma elevação ou diminuição no valor da tensão gerada. Este tipo de transformação é utilizado para transmissão de eletricidade a longas distâncias, elevando-se a tensão, tem-se uma menor corrente e de acordo com a lei de Ohm, a corrente é inversamente proporcional a tensão, o que implicaria em uma menor secção transversal do condutor, reduzindo os gastos com material. (ARTIGO DISPONÍVEL NO PORTAL ENERGIA - ENERGIA EÓLICA-2016). 2.2 Gerador síncrono Segundo Wirth (2013), os motores síncronos em sua essência são idênticos aos geradores, eles utilizam imãs como estatores para fazer girar o rotor, no gerador a variação do campo magnético gera a corrente elétrica. O processo de geração ocorre através do processo de indução proposto por Michael Faraday, denominado lei de indução de Faraday, onde uma força eletromotriz é induzida em um condutor quando o número de linhas de campo magnético que o atravessa varia, como pode ser visto na figura abaixo (HALLIDAY, RESNIK, WALTER, 2011). 4

5 Figura 01: Princípio de indução de Faraday FONTE: Globo, Transformador Conforme Boylestad (2004) um transformador é constituído por dois rolamentos dispostos de maneira que o fluxo magnético variável produzidos por um deles aja sobre o outro,..., resultando em uma tensão induzida nos dois enrolamentos., o enrolamento onde a tensão é aplicada é denominado primário e o enrolamento onde a carga está conectada é chamado de secundário. A relação entre o primário e o secundário pode ser expressa pela seguinte equação (5): V p V s = N p N s = a (5) onde Vp, representa a tensão no primário, Vs a tensão no secundário, Np e Ns são respectivamente o número de espiras do primário e o número de espiras do secundário. A relação entre Vp e Vs, também fornece a relação de transformação do transformador. Pode se também relacionar as correntes que circulam nos enrolamentos através da expressão (6): I p I s = N p N s = a (6) Ip e Is representam as correntes no primário e no secundário respectivamente, o termo a representa a relação de transformação. O mesma lógica ocorre com as impedâncias que são descritas pela da equação (7), onde Zp e Zs são as impedâncias no primário e no secundário (Boylestad, 2004): 5

6 Z p Z s = a² (7) 2.4 LabView Trata-se de um software de engenharia desenvolvido com o intuito de realizar testes de controle e medição de dados, com acesso rápido ao hardware (National Instruments, 2017). Figura 02: Estrutura LabView FONTE: National Instruments, PROJETO FÍSICO 3.1 Geração de tensão alternada Para gerar energia alternada foi utilizado um cooler de um inversor de frequência, como visto na figura 2, caracterizado como um motor síncrono de imã permanente com estator bobinado, a eletrônica do cooler foi removida (circuito responsável pela verificação e regulagem de tensão). Os cabos do motor foram ligados no bobinamento primário de um transformador e foram realizados alguns testes. 6

7 Figura 02: Motor utilizado como gerador Com o auxílio do osciloscópio Tektronix TDS2002B, pode-se observar a forma de onda gerada pelo cooler ao movimentar as pás. Inicialmente utilizou-se ar comprimido para simular o vento direcionado ao gerador, a forma de onda gerada pode ser observada na imagem abaixo, contudo a velocidade do ar apresentava certa instabilidade pelo fato do ar sair no regime turbulento. Figura 03: Formas de onda do gerador FONTE Autor, 2017 Na figura acima, podem-se observar as tensões geradas no motor, com uma velocidade de vento média de 11m/s. O canal 1 (amarelo) mostra a tensão no secundário do transformador e o canal 2 (azul), representa a tensão na saída do motor, equivalente a 8,8 Vca. 7

8 Esse comportamento fez com que o motor em questão tornasse viável sua utilização para a simulação da geração de energia. Os conhecimentos obtidos na unidade curricular de eletricidade possibilitaram a elevação da tensão gerada utilizando um transformador, o qual não possuía nenhuma informação, mas através dos ensaios práticos foi possível descobrir suas características. Figura 04: Transformador de núcleo de ferrite Através da equação (5), chegou-se à um valor de relação de transformação, próximo à 1/8, ou seja, a tensão aplicada no primário (menor resistência, 23.8 ohms de resistência) será oito vezes maior no secundário (maior resistência 828,4 Ohms). O transformador poderia ser utilizado para baixar a tensão ou elevá-la, no atual trabalho ele é utilizado para elevar a tensão. Abaixo pode ser vista uma imagem do projeto montado o qual foi utilizado para os testes: 8

9 Figura 05: Projeto montado na base Para análise da geração primeiramente foi criado uma programação, utilizando a plataforma LabView, onde foi possível comunicar e adquirir dados do wattímetro da marca Yokogawa, modelo WT 310E, e mensurado a velocidade do vento através do anemômetro da marca Impac am-4270sd. Figura 06: Anemômetro e Wattímetro Foi estabelecida então uma carga fixa de resistência, para uma simulação de carga, seu valor é de 49,85 K Ohms. Variou-se a velocidade do vento para poder visualizar as tensões geradas, os valores obtidos podem ser observados na tabela abaixo. 9

10 Velocidade Vento [m/s] Tabela 1: Valores das medições em diferentes velocidades de vento Tensão Primário [V] Tensão Secundário [V] Corrente Saída [A] Potência Saída [W] 8,5 4,1 31,33 0,0006 0,02 10,7 7,44 57,43 0,0012 0,07 12,5 9,78 75,68 0,0015 0, ,68 90,53 0,0019 0,17 15,3 13,51 104,87 0,0022 0,23 16,5 15,03 116,78 0,0024 0,28 17,6 16,37 127,19 0,0026 0,33 FONTE: (Autor, 2017) A tabela acima relaciona a média dos valores obtidos durante o processo de instrumentação do gerador. 3.2 Relação de grandezas físicas Através do cálculo da energia cinética da massa de ar que flui através do gerador, é possível estimar a relação entre a potência disponível nesta massa de ar e a potência gerada pelo sistema. Com a equação (4), (potência disponível na massa de ar), pode-se realizar a estimativa dos valores teóricos de potência de ar disponível como mostrado na tabela abaixo: Tabela 2: Potência disponível na área da secção transversal do gerador Área da Secção (mm2) Velocidade do vento (m/s) Potência disponível (W) 8,5 0, ,7 1, ,5 2, , ,3 5, ,5 6,

11 Comparando os valores de potência disponível na secção de ar determinada, fez-se uma comparação com os valores de potência obtidos com a carga selecionada como observado na tabela abaixo: Potência disponível (W) Tabela 3: Comparação das potências Potência Elétrica Gerada (W) Parcela de potência convertida em eletricidade 0,92 0,02 2,16% 1,84 0,07 3,80% 2,94 0,12 4,08% 4,13 0,17 4,12% 5,39 0,23 4,27% 5,76 0,28 4,14% Através de uma média aritmética, pode-se estimar que a porcentagem da parcela de energia disponível convertida em eletricidade no gerador com a carga fixa de 49,82 KOhms foi de aproximadamente 3,77%. 3.2 Expressão da tensão Também foi possível descrever a função que representa a forma de onda gerada na saída do transformador através da seguinte expressão (Boylestad, 2004): V(t)=a0+a1*sen(ωt+Ø) (5) onde a0 representa um deslocamento vertical, a1 a amplitude da tensão, ω é a velocidade angular, t o tempo e Ø o ângulo de fase. Com algumas formas de onda obtidas com auxílio do osciloscópio podemos descrever algumas das expressões em diferentes velocidades de ar como visto na tabela a seguir. 11

12 Tabela 4: Expressões senóides Amplitude (V) Frequência (Hz) Expressões 46,4 45,03 V(t)=46,4*sen(90,06πt) 50,04 48,45 V(t)=50,04*sen(96,9πt) 60 56,31 V(t)=60*sen(112,62πt) 64,8 60,33 V(t)=64,8*sen(120,66πt) Observando o comportamento da tensão pelo tempo pode-se observar que quanto maior a velocidade do vento maior será a tensão e consequentemente a frequência também aumentará, desse modo pode-se estabelecer uma expressão geral que representa o comportamento do gerador: V(t)=a1*sen(A1*2πt) (5) A velocidade angular da expressão acima foi obtida através da fórmula ω=2πf (Boylestad, 2004), o valor da frequência foi obtido com auxílio do osciloscópio. Foi observado que a velocidade angular se comporta de maneira semelhante em diferentes tensões, sendo o duas vezes pi a amplitude da senóide. 4 CONCLUSÕES Pode-se observar que a geração eólica é um meio viável para geração de energia, contudo possui seus contras, pelo fato de gerar uma grande quantidade de ruído no ambiente e sua geração estar limitada a momento em que haja o vento. Foi possível observar de maneira geral em um protótipo de pequena escala o princípio de funcionamento e o rendimento de um gerador eólico onde uma parcela da energia disponível no ar é transformada em energia elétrica. É sabido que o processo de geração é mais complexo e estão envolvidas outras variáveis não contempladas neste projeto, que irão afetar diretamente o processo de geração. Notou-se também que o valor da potência na saída do sistema irá variar conforme a carga, seria necessário encontrar a máxima capacidade de geração de energia e assim seria possível estimar o rendimento do gerador. 12

13 BIBLIOGRAFIA BOYLESTAD, Robert L. Introdução à Análise de Circuitos Prentice Hall/Pearson, 10ª. Ed, CUSTÓDIO, Ronaldo dos Santos. Energia Eólica: Para a produção de energia elétrica. Rio de Janeiro: Memória da Eletricidade, p. Energias Renováveis Energias do Futuro (2016). Energia Eólica.URL: Acesso em 15 de abril de 2017 HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física. Vol ed. Editora LTC, HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física. Vol ed. Editora LTC, IVONI C. ACUNHA & JORGE A. Análise do desempenho de um aerogerador de pequeno porte (2009). URL: Acesso em 15 de maio de 2017 NATIONAL INSTRUMENTS. 1. LabView. URL:< Acesso em 30 junho PEA-EPUSP. Explicação sobre Transformadores Monofásicos, Trifásicos, Fórmulas e Como dimensionar Transformadores (2014).URL: dores_teo_2014%20%281%29.pdf. Acesso em 06 de junho de 2017 SANTOS, Marco Aurélio da Silva. "A lei de Ohm"; Brasil Escola (2017). URL:< Acesso em 12 de junho de