ANÁLISE DA REGIÃO DO SERIDÓ PARA UTILIZAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA
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1 ANÁLISE DA REGIÃO DO SERIDÓ PARA UTILIZAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA Isaac Péricles Maia de Medeiros 1, Francisco de Assis Oliveira Fontes 2, Luiz Guilherme V. M. de Souza², Cleiton Rubens F. Barbosa², Samara Melo Valcacer 3, Claudio M. Nascimento 4. Resumo A preocupação com o meio ambiente aumenta a cada ano e a geração de energia limpa é uma alternativa estudada para minimizar esses impactos. Em virtude da sua localização o nordeste brasileiro tem destaque na captação de energias eólica. O objetivo do trabalho é a captação da energia eólica por uma unidade geradora de 0,5 KW, utilizando um gerador elétrico do alternador automotivo de 12 volts e uma turbina do tipo SAVONIUS DE EIXO VERTICAL, a qual aproveita ventos de todas as direções e é menos sensível à rajadas bruscas de ventos. Para isso faz-se uso de rotor feito com eixo tubular, mancais de rolamento, duas pás em estrutura de vergalhão de aço 1020 e fibra de vidro resinada. O trabalho propõe a fabricação de aerogerador portátil de forma bastante econômica para que tenha-se uma aquisição em áreas que ainda não tiveram seu potencial eólico estudado. Uma das áreas que apresenta um potencial eólico ainda pouco explorado foi escolhida para realização do estudo é a Serra de Santana na região do Seridó no estado do RN, por apresentar elevação e propiciar que o vento chegue com maiores velocidades, bem como atender a demanda de energia elétrica para zona rural. Palavras-chave: Aerogerador, Energia Eólica, Energia Elétrica, Turbina, Seridó. Abstract Concern for the environment increases every year and clean energy is a studied alternative to minimize these impacts. Because of its location northeast Brazil has featured in capturing wind energy. The objective is to capture wind power generating unit by a 0.5 kw electric generator using an automotive alternator 12 volts and a turbine type SAVONIUS VERTICAL AXIS, which takes wind from all directions and is less sensitive to sudden gusts of winds. For this reason it is done with use of tubular rotor shaft, ball bearings, two paddles structure in 1020 steel rebar and fiberglass resinous. The paper proposes the portable wind turbine manufacturing very economical way to have that is an acquisition in areas that have not yet had its wind potential study. One area that presents a potential wind still underexplored was chosen to conduct the study is the Serra de Santana in Seridó RN in the state, due to its elevation and provide you with the wind reaches higher speeds, as well as meet the demand for electricity to rural areas. Keywords: Wind Turbine, Wind Power, Electric Power Turbine Seridó. 1 Mestrando em Engenharia Mecânica do Programa Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. 2 Professor do Programa Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN 3 Doutorando em Ciência e Engenharia de Materiais do Programa Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. 4 Doutorando em Engenharia Mecânica do Programa Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Autor para correspondencia: isaacmedeiros.rn@gmail.com 1
2 1. Introdução Entre os mecanismos de desenvolvimento limpo, o emprego dos recursos de energia renováveis figura entre os mais importantes. O Brasil tem em sua matriz de consumo de energia primária uma grande componente renovável, cerca 45%. Essa componente é ainda maior (cerca 81%) quando se trata da matriz de produção de eletricidade, graças ao uso majoritário da hidroeletricas nesses paises [1]. O recurso mostrado na Figura (1) referem-se à velocidade média do vento e energia eólica média a uma altura de 50m acima da superfície para 5 condições topográficas distintas, definidas como: zona costeira (áreas de praia), normalmente com larga faixa de areia, onde o vento incide predominantemente do sentido mar-terra; campo aberto áreas planas de pastagens, plantações e /ou vegetação baixa sem muitas árvores altas; mata áreas de vegetação nativa com arbustos e árvores altas mas de baixa densidade, o terreno que causa mais obstruções ao fluxo de vento; morro áreas de relevo levemente ondulado, relativamente complexo, com pouca vegetação ou pasto; montanha áreas de relevo complexo com altas montanhas [2]. A Tabela 1 Apresenta a velocidade média do vento (m/s) 50m acima do nível da superfície. Os valores correspondem à velocidade média anual do vento a 50m de altura em m/s (Vm) e à densidade de energia média em W/m² (Em). Os valores de Em foram obtidos para as seguintes condições padrão: altitude igual ao nível do mar, temperatura de 20ºC e fator de Weibull de 2,5. A mudança de altitude para m acima do nível do mar acarreta uma diminuição de 9% na densidade de energia média e a diminuição de temperatura para 15ºC provoca um aumento de cerca de 2% na densidade de energia média. [3]. Tabela 1: Velocidade média do vento (m/s) 50m acima do nível da superfície. [3] A tabela elaborada pelo o publicado pelo Centro de Referência para Energia Solar e Eólica - CRESESB/CEPEL. Cujos resultados estão disponíveis no seguinte endereço eletrônico em: < _eolica/tabela_6.3.xls>. Nesse estudo estimou-se um potencial eólico brasileiro da ordem de 143 GW [8]. No Rio Grande do Norte - Brasil, os ventos poderão a velocidade média de 30 km/h à chegar a 50km/h e 11 a 14 m/s (Vm) Potência do vento no RN O Rio Grande do Norte se destaca no território brasileiro, quando o assunto tratado é a captação de energia solar. Para capacitação pode-se usar vários sistemas e um que vem ganhando espaço é o Aerogerador portátil por se tratar de um mecanismo barato e eficiente. Figura 1: Velocidade média anual do vento a 50m de altura. Fonte: FEITOSA, E. A. N. e Dupligráfica, ano [2] 2
3 Isaac Péricles Maia de Medeiros et al / Análise da Região do Seridó para Utilização de Energia Eólica Figura 2: A microrregião da Serra de Santana. Fonte: COSERN - ANEEL ano: 2003 [4] A localização da Serra de Santana, mostrada na Figura (2) é uma das microrregiões do estado brasileiro do Rio Grande do Norte pertencente à mesorregião Central Potiguar. Possui uma área total de 3.019,906 km². A microrregião é conhecida por ter os mais altos municípios do Estado, considerando-se a altitude e à velocidade média do vento e energia eólica média a uma altura de 100metros acima da superfície, que o fluxo de vento; morro nas áreas de relevo levemente ondulado, relativamente complexo e próximo de altitude em 690 metros Potência dos ventos Até poucos anos, as estimativas sobre a potência eram da ordem de MW. Hoje a maioria dos estudos indica valores maiores que MW. A razão dessas divergências decorre principalmente da falta de informações (dados de superfície) e das diferentes metodologias empregadas [3]. Apresentado na legenda da Figura (3) referese à velocidade média do vento e energia eólica, até média a uma altura de 100m acima da superfície para diferentes estações, são elas: Primavera, Verão, Outono e Inverno como condições topográficas distintas, definidas como: zona de sertão na área de planalto da Serra de Santana na região do Seridó do RN, normalmente com larga faixa de areia, onde o vento incide predominantemente do sentido mar-terra; campo aberto áreas planas de pastagens, plantações e/ou vegetação baixa sem muitas árvores altas; zona mata, áreas de vegetação nativa com arbustos e árvores altas, mas de baixa densidade, a velocidade igual à do fluxo livre de obstruções. Figura 3: Potencial eólico sazonal, velocidade média a 100 metros de altura, projeto de pesquisa e desenvolvimento. Fonte: COSERN - ANEEL ano: 2003 [3] Projetos em operação no Brasil Turbinas Eólicas do Arquipélago de Fernando de Noronha do Estado do Pernambuco: a primeira turbina foi instalada em junho de 1992, a partir do projeto realizado pelo Grupo de Energia Eólica da Universidade Federal de Pernambuco/UFPE. A turbina possui um gerador assíncrono de 75 kw, rotor de 17 m de diâmetro e torre de 23 m de altura, na Figura (4). O que foi instalada, a geração de eletricidade dessa turbina correspondia a cerca de 10% da energia gerada na Ilha. [4] Figura 4: A primeira turbina foi instalada em junho de 1992, cujo projeto foi realizado pelo Grupo de Energia Eólica. Fonte: Memória da eletricidade [4]. O estado do Rio Grande do Norte é visto como o maior potencial do país para gerar energia eólica, 3
4 e tem ventos soprando a favor. O Parque Eólico de São Miguel do Gostoso (RN). Fica localizado de distante cerca de 96 km de Natal (capital do estado). Esse parque eólico tem 106 aerogeradores e capacidade instalada para produzir 169,6 Mega Watts (MW), ou 1.6 MW para cada um dos 106 aerogeradores distribuídos em uma enorme área de dunas, relativamente próximo à praia do litoral Oeste. À época o maior da América Latina. Savonius, com outro projetado para a mesma finalidade. O parâmetro de comparação de turbinas do Savonius é o torque médio em uma rotação para gerar energia eólica e transformar em elétrica. Esse torque determinado por meio de um estudo estático que o modelo de uma unidade geradora de 0,5 kw, através de um gerador elétrico do alternador automotivo de 12 volts, a turbina é submetida a ventos para realização de testes. A Equação (1) representa o coeficiente de velocidade que ajuda a entender o calculo para transformação de energia, é definido como: (Eq. 1) Inicialmente estudo de uma meta de estimadas as eficiências e conforme segue abaixo: Figura 5: Projeto Ventos Potiguares e a cidade de São Miguel do Gostoso (RN). Fonte: Autor 1.4. Energia Eólica A turbina de vento é geralmente do tipo Savonius S de eixo vertical, para um ponto de trabalho nominal e para uma dada velocidade do vento, que é obviamente ligado a uma potência fornecida. A noção da energia produzida está ligada, muitas vezes, a noção de potência elétrica, ou potência por metro quadrado de vento cruzado. Esta ideia incita os operadores preferem máquinas de vento de maior eficiência para o equipamento de sítios eólicos. 2. Materiais e Métodos O projeto para produção, de um Aerogerador, da de energia eólica com eixo vertical, é muito simples. O funcionamento baseia-se em um rotor girando em torno de um eixo vertical é composto, como mostra a Figura (6). Fixação dos suportes das pás à torre de savonius em posição vertical. Há vantagens conclusivas em termos de performances e comportamento mecânico, quando comparamos um protótipo de energia eólica com Para um rotor Savonius de altura U, de um vento de velocidade de λ, a potência mecânica e para eficiência mecânica devida os mancais e engrenagens que é um valor razoável de para sistemas mecânicos. Para o vento de velocidade U com ângulo para potência mecânica e o mecânico em o eixo pode incidência variando entre 0 e 360º ser escrito como mostra a Figura (6) A turbina Savonius para eólica, em frente vento U incidência variando em 360º. A turbina eólica para geração de energia elétrica de uma energia eólica, estudo calculado utilizando-se um modelo probabilístico, foi utilizado como ponto de partida para o desenvolvimento do trabalho. Considerando-se diferentes valores do parâmetro e/d [5]. 4
5 Isaac Péricles Maia de Medeiros et al / Análise da Região do Seridó para Utilização de Energia Eólica Figura 6: A turbina Savonius para eólica, em frente vento U incidência variando em 360º. Fontes: Escola Politécnica da Universidade de São Paulo [5] Projeto Savonius A captação de energia eólica foi amplamente divulgada usando-se um cata-vento de eixo vertical do modelo Savonius também conhecido como S. Existe a possibilidade de utilizar suporte duplo de pás à torre de potência do rotor para geração de energia. A opção de uso desse equipamento deve-se à grande facilidade de projetar o Savonius para usar em áreas rurais, como por exemplo, a Serra de Santana no RN, bem como, pelo baixo custo de implantação das unidades e pelo bom desempenho para gerar energia elétrica, como mostram as Figuras (7 e 8). A turbina Savonius para eólica, em frente vento U incidência variando em 360º; Fixação dos suportes das pás à torre de savonius com alternador (gerador) 12 Volts. Figura 7: Fixação dos suportes das pás à torre de savonius com alternador (gerador) 12 Volts Fonte: Autor Figura 8: Fixação dos suportes das pás à torre de sanvonius as posição verticais. Fonte: Autor Foi projetado um savonius com eixo de vertical, de alta solidez, conforme mostram as Figuras (7 e 8). Fixação dos suportes das pás à torre de savonius com alternador (gerador) 12 Volts; Fixação dos suportes das pás à torre de sanvonius as posição verticais. Possui 3 metros de altura e um tubo metálico com 2 polegada(s) e espessura 2mm, 02 pás com fibra de vidro que possuem 1,1 metros para cada pás e corda de metal (e/ou aço) com espessura 2mm. Disposto de forma a criar uma região de alta pressão entre as pás do rotor, o que caracteriza Savonius. A fixação do suporte de pás duplas à torre de potência do rotor chegam a superar os valores dos mesmos coeficientes para o caso de um rotor simples. Há captação dos ventos de todas as direções e é menos sensível a rajadas bruscas de ventos. Para isso que se faz uso de rotor que pode ser feito com eixo tubular e mancais de rolamento e as duas pás (dupla) em estrutura da fibra de vidro resinada. A rotação nominal do eixo da Turbina é estimada da ordem de 200 rpm acoplada a uma caixa de elevação da rotação com relação de 1:10 possibilitando a geração elétrica no alternador de 12 Volts que apresenta um bom rendimento acima de 1000 rpm. 5
6 3. Resultado As simulações computacionais realizadas para a construção do protótipo demonstraram que esse tipo de gerador na faixa de potência analisada e empregando as tecnologias de fácil acesso e baixo custo no mercado, apresentando um forte potencial para aplicação rural em iluminação e bombeio d água, ajudando na sustentabilidade das regiões carentes e sem rede de fornecimento de energia elétrica. O modelo matemático obtido serve para fazer ajustes e ajudar na extrapolação de resultados, que servirão de base para optimização da unidade de geração, como também ampliar a escala de potência. O protótipo será utilizado também para levantamento de dados reais da potencialidade eólica em localidades diversas da região do Seridó. O levantamento da curva de potência e torque possibilita a análise de desempenho do Aerogerador portátil proposto. Os resultados preliminares de bancada para geração elétrica com um alternador automotivo de 12 Volts mostraram que o rendimento é promissor para rotação acima de 800 rpm. O potencial eólico da região do Seridó Nordestino é grande devido a sua localização e nele destaca-se, fica localizado no centro do estado do Rio Grande do Norte (RN). O "Aerogerador portátil" pode ser um mecanismo barato e atraente principalmente para sistemas de irrigação móvel de culturas temporárias e sazonais. 4. Conclusão O projeto do Aerogerador Savonius de eixo vertical assegura ser uma alternativa interessante para o desenvolvimento sustentável da região do Seridó Nordestino, principalmente para aplicação em irrigação e geração elétrica distribuída. O trabalho continua para uma discussão sobre rendimento e densidade de potência elétrica produzida. Portanto, a validação dos modelos com o protótipo produzido possibilita trabalhos futuros para otimização e ampliação de escala. A escolha do Savonius de eixo vertical deveu-se à captação de ventos em todas as direções, à sua robustez e resistência às rajadas de ventos, facilidade de projetar e fabricar, bem como pelo baixo custo de implantação das unidades e pelo bom desempenho para gerar energia elétrica e bombeio hidráulico. 6 Referencias Recursos na Internet: [1]. Sin Chan Chou, Arthur Chaves Paiva Neto, Diego José Chagas, André A. Lyra, Enio B. Pereira. Mapeamento eólico para o nordeste. Disponível em: < files/14- b5083ce96ba12f016f05f19a8507a94b.pdf>. Acesso em: 31 Jan [2]. Potencial Eólico do Estado do Rio Grande do Norte. Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento COSERN ANEEL. Ano Disponível em: < nload/atlas_eolico/atlas_eolico_rn.pdf>. Acesso em: 31 Jan [3]. Energia Eólico, Potencial Eólico Brasileiro. Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento COSERN ANEEL. Ano Disponível em: < ia_eolica/6_3.htm>. Acesso em: 10 fev [4]. Energia Eólico, Informações Gerais. Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento COSERN ANEEL. Ano Disponível em: < 6-Energia_Eolica(3).pdf>. Acesso em: 10 fev [5]. Rodolfo F. de Souza, Yuri Perim. Estudo comparativo de turbinas eólicas de eixo vertical do tipo Savonius, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Disponível em: < balhovisualizarresumo?numeroinscricaotrab alho=2987&numeroedicao=17>. Acesso em: 12 fev. 2014
7 Isaac Péricles Maia de Medeiros et al / Análise da Região do Seridó para Utilização de Energia Eólica [6]. FRANQUESA, Manuel. Cómo construir un generador eólico con un barril de petróleo de 200 litros para producir energía sin el contenido del mismo generador Savonius. Disponível em: < adores/savonius.pdf>. Acesso em: 10 fev [7]. ÔLO, Carlos David Vaz. Projecto de uma Turbina Savonius com Utilização de Componentes em Fim-de-Vida, Licenciado em Ciências da Engenharia Mecânica - Universidade Nova de Lisboa. Disponível em: < _2012.pdf>. Acesso em: 11 fev
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