Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

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1 Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia Pós-Graduação em Engenharia Elétrica RENDIMENTO DE UNIDADE DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA ACIONADA POR GERADOR EÓLICO DE PEQUENO PORTE Autores: Levy Costa Mendeleyev Ferreira Paulo Cesar Marques de Carvalho Manuel Rangel

2 Tópicos da Apresentação 1. Introdução Geradores Eólicos de pequeno porte (mercado) 2. Geradores Eólicos de ímã permanente Características e topologias. 3. Sistema de bombeamento de água Equipamentos utilizados. 4. Resultados do experimento Gráficos; Rendimentos encontrados; 5. Conclusões 6. Sugestões para trabalhos futuros

3 Objetivo Apresentar os resultados encontrados de eficiência de um sistema de bombeamento de água, utilizando um aerogerador de ímã permanente de 1kW.

4 Motivação para o uso da energia eólica Grande potencial eólico no estado do Ceará; Energia alternativa de maior interesse técnico e econômico no estado;

5 1. INTRODUÇÃO 1.1 Geradores eólicos de pequeno porte (mercado) No Brasil a maioria dos geradores eólicos de pequeno porte é fornecida por representantes de empresas estrangeiras; Este fato mostra a fragilidade do mercado brasileiro em relação à fabricação de geradores eólicos, assim como a carência por desenvolvimento na área. Com a diversificação da matriz energética Brasileira, a geração elétrica a pequenos níveis de potência deverá ocupar uma importância crescente, contribuindo de fato para a solução do problema dos atuais recursos hídricos esgotados, em especial na região Nordeste.

6 Principais fabricantes a nível mundial Máquina, País Tipo Potência [kw] Velocidade do vento [m/s] Número de pás Diâmetro do rotor [m] Material das pás Tipo de gerador Ampair, Great Britain Ampair 100 / 300 / 600 0,1 / 0,3 / 0,6 20 / 12,6 / 12,6 6/3/ 3 0,9 / 1,2 / 1,7 vidro-pp/ GRP / GRP ímã permanente Aventa AG, Switzerland AV-7 6, ,8 GRP ímã permanente Bergey, USA Bergey Excel-S / Excel-R/XL.1 10 / 7,5 / 1 13,8 / 13,8 / ,7 / 6,7 / 2,5 fibra de vidro ímã permanente J. Bornay Aerogeneradores, Spain Inclin 600 / 1500 neo / 3000 neo / 6000 neo 0,6 / 1,5 / 3/ 6 11 / 12 / 12 / / 2,7 / 3,7 / 3,7 fibra de carbono ímã permanente Fortis, Netherlands Espada / Passaat / Montana / Alizé 1,4 / 0,75 / 5 / / 14 / 14 / 12 3/2 3/3 3,1 / 2,2 / 5/7 vidro / epóxi ímã permanente Landmark Alternative Energien & Consulting, Germany BWC Excel epóxi ímã permanente Solar-Wind-Team, Germany Flip 150 / Lakota 0,2 / ,1 / 2,1 GRP, carbono ímã permanente SuperWind, Germany Superwind 350 0,35 12,5 3 1,2 GRP ímã permanente

7 1. INTRODUÇÃO 1.2 Principais utilizações desses geradores: Geração isolada (autônoma) ou em conjunto com outras fontes de energia em sistemas híbridos, Bombeamento de água e Carregamento de baterias. obs: Nos geradores eólicos de pequeno porte operando no modo autônomo emprega-se normalmente os do tipo síncrono, em especial o síncrono de ímã permanente em unidades de até 50 kw.

8 2. Geradores eólicos de ímã permanente Geradores eólicos de imã permanente (PM - Permanent Magnet) possuem as seguintes características: - Alta eficiência (não possuem enrolamentos rotóricos que causam perdas por excitação da ordem de 20 a 30% correspondentes a todas as perdas da máquina); - Fácil sistema de resfriamento; - Tamanho reduzido dos geradores; - Uso do Neodímio Ferro Boro como material magnético (capaz de produzir altas densidades de fluxo magnético, na ordem de 0,5 a 0,6T) Basicamente, os geradores de PM podem ser divididos em máquinas de fluxo-radial e de fluxo-axial.

9 2. Geradores eólicos de ímã permanente 2.1 Topologias existentes As topologias das máquinas de imã permanente podem ser: - a a a a a construção construção construção construção construção de fluxo-radial de rotor-interno, de fluxo-radial de rotor-externo, de fluxo-axial de estator duplo, duplo rotor de fluxo-axial, toroidal de fluxo-axial.

10 2. Geradores eólicos de ímã permanente A construção de fluxo-radial de rotor-interno

11 2. Geradores eólicos de ímã permanente A construção de fluxo-radial de rotor-externo

12 2. Geradores eólicos de ímã permanente a construção de fluxo-axial de estator duplo

13 2. Geradores eólicos de ímã permanente a construção toroidal de fluxo-axial. - Possui dois discos de rotor que são feitos de aço suave e PMs, para produzir um campo magnético axialmente dirigido no entreferro da máquina; - O estator da máquina compreende toroidalmente um núcleo sem ranhuras, que possui um enrolamento trifásico em uma forma toroidal por meio das bobinas concentradas; - Os comprimentos axialmente dirigidos da extremidade para o enrolamento são relativamente curtos, reduzindo a resistência e as perdas.

14 3. Sistema de bombeamento de água O devido sistema é composto por: um gerador eólico síncrono de ímã permanente de fluxo axial de 1 kw, que utiliza três pás com 2.46m de diâmetro ; a um controlador de carga que funcionará como um regulador de tensão e freqüência, garantindo que o motor funcione somente com uma freqüência próxima de 60 Hz e uma tensão em torno de 220 V entre fases; motor para acionamento da bomba centrífuga tem 0.5 cv de potência, trifásica com possibilidades de alimentação em 220 V/380 V, possui 2 pólos, freqüência de 60 Hz, velocidade de rpm Datalogger; Anemômetro de conchas; Medidor de vazão e pressão; Analisador de energia.

15 3. Sistema de bombeamento de água 3.1 Coleta de grandezas elétricas

16 3. Sistema de bombeamento de água Conjunto motor-bomba e datalogger Datalogger a esquerda e controlador Junto com analisador de energia.

17 3. Sistema de bombeamento de água Quadro e analisador de energia Controlador de carga

18 3. Sistema de bombeamento de água 3.2 Montagem da torre Para a instalação do gerador eólico foi utilizada uma torre treliçada de 10 metros de altura, localizada em frente ao açude do campus da UFC. A escolha desse tipo de torre se deve a algumas vantagens tais como: - instalação rápida; - fácil escalada para fins de manutenção e instalação.

19 3. Sistema de bombeamento de água Sistema de roldana para erguer o gerador ao topo da torre Torre montada e gerador sendo erguido ao topo da torre.

20 3. Sistema de bombeamento de água 3.2 Medição de dados

21 3. Sistema de bombeamento de água 3.2 Datalogger

22 3. Sistema de bombeamento de água

23 4. Resultados Dados obtidos nos meses de maio Os gráficos a seguir apresentam valores coletados no local da unidade em estudo, no período de 26/05 a 29/05/08. Dados medidos: - Velocidade do vento - Vazão - Potencia gerada e do vento

24 4. Resultados Velocidade do vento 8,000 7,000 6,000 veloc. vento (m/s) 5,000 4,000 3,000 2,000 1,

25 4. Resultados V e lo c id a d e d o V e n t o (m / s ) Velocidade do vento, Potência eólica e Potência elétrica 8 V e lo c id a d e d o V e n t o T e m p o (H o ra. M in ) P o t e n c ia d o V e n t o (W ) 1500 P o t ê n c ia d o V e n t o P o t e n c ia E le t ric a (W ) T e m p o (H o ra. M in ) P o t ê n c ia E lé t ric a T e m p o (H o ra. M in )

26 4. Resultados A potencia disponível no vento foi calculada pela equação: Pdis = ρ = 1.15 kg/m³ 1 ρ Av3 2, Densidade do ar A = 2.46m, Áreas das pás v = 4.78 m/s, velocidade média do vento A potência eólica máxima calculada foi de 1344 W e a mínima de W, tendo uma média no período de W.

27 4. Resultados Vazão V azão V a z ã o (l/h ) T e m p o (H o ra. M in )

28 4. Resultados Velocidade do vento: máxima de 7.07 m/s mínima de 3.02 m/s, tendo uma média no mês de 4.78 m/s Potencia eólica calculada: máxima de 1344 W e mínima de W, tendo uma média de W neste mês Potencia gerada: potência máxima gerada de W e mínima de W, tendo uma média de W Vazão: máxima de 800 l/h e mínima de 29 l/h, tendo uma média aproximada de 358 l/h no período.

29 4. Resultados 4.2 rendimento do sistema Foi buscado um período representativo visando fornecer informações sobre o rendimento da conversão eólio-elétrica. Para o período considerado o rendimento é de 7,74%. Considerando o período de medição, foi obtido um percentual de operação do conjunto motor-bomba de cerca de 10,97% em relação ao este período.

30 5. Conclusões Excepcionalmente, a estação chuvosa no estado do Ceará tem se prolongado no ano de 2008 até o mês de junho. Com o início da estação seca, normalmente no segundo semestre, espera-se que valores mais elevados de velocidade do vento sejam registrados; Em apenas cerca de 10,97% do período considerado, o conjunto motor-bomba foi acionado pelo gerador eólico. Períodos maiores de medição se tornam necessários, visando obtenção de resultados mais conclusivos; Observando os valores de vazão encontrados, quando comparados com a curva característica da bomba utilizada, percebe-se uma subutilização da mesma; Períodos maiores de medição, bem como alturas manométricas variáveis, devem ser analisadas em futuros artigos.

31 8. Agradecimentos

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