Software Para Dimensionamento de Sistemas de Geração Elétrica com Aeromotores Utilizando Gerador de Imãs Permanentes

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1 Software Para Dimensionamento de Sistemas de Geração Elétrica com Aeromotores Utilizando Gerador de Imãs Permanentes Teófilo Miguel de Souza Carlos Eduardo Affonso Unesp - Campus de Guaratinguetá - Centro de Energias Renováveis - Departamento de Engenharia Elétrica, Av. Ariberto Pereira da Cunha 333, CEP: , Guaratinguetá-SP, Brasil Fone: (12) , Fax: (12) teofilo@feg.unesp.br caduaf@uol.com.br Resumo: Este projeto teve como propósito principal o desenvolvimento de um software capaz de dimensionar sistemas de fornecimento de energia elétrica utilizando a força dos ventos. É apresentado a escolha do diâmetro da área varrida pelas pás do rotor, a potência elétrica fornecida por uma usina eólica, os dispositivos mecânicos para motores eólicos, geradores de ímã permanentes, armazenamento de energia através de baterias e conversores DC-AC. O objetivo é otimizar os projetos de geração de energia elétrica através da energia eólica para pequenos sistemas e se destina a cursos de treinamento, escolas técnicas agrícolas, escolas de engenharia e empresas que prestam serviços para as concessionárias de energia elétrica, cooperativas agrícolas, empresas e organizações do setor terciário, órgãos do governo, fabricantes e revendedores de material e equipamentos elétricos e administrações municipais. Palavras-Chave: energia eólica, gerador de ímãs permanentes, energia alternativa, software, Windpower. 1. Introdução Esse projeto está sendo desenvolvido no Centro de Energias Renováveis da Unesp - Campus de Guaratinguetá, e visa dar continuidade nas pesquisas e desenvolvimento de fontes alternativas de energias. A ênfase foi o desenvolvimento de um software capaz de dimensionar um sistema de energia eólica para fornecimento de energia elétrica a pequenos sistemas de energia e sistemas isolados. Com este software é possível o dimensionamento da turbina eólica de acordo com a potência necessária para acionar os equipamentos elétricos, dos geradores, das baterias, os controladores de carga, dos conversores e condutores elétricos. A energia dos ventos é uma abundante fonte de energia renovável, limpa e disponível em todos os lugares. A utilização desta fonte energética para a geração de eletricidade, em escala comercial, teve início há pouco mais de 30 anos e através de conhecimentos da indústria aeronáutica os equipamentos para geração eólica evoluíram rapidamente em termos de idéias e conceitos preliminares para produtos de alta tecnologia. No Brasil, embora o aproveitamento dos recursos eólicos tenha sido feito tradicionalmente com a utilização de cata-ventos multipás para bombeamento d'água, algumas medidas precisas de vento, realizadas recentemente em diversos pontos do território nacional, indicam a existência de um imenso potencial eólico ainda não explorado [1]. Através de pesquisas bibliográficas [1-13], pode-se verificar que, com ventos de 11,5 m/s, nas regiões mais litorâneas do mapa do Brasil, existe uma possibilidade de geração elétrica através de aeromotores entre 3750 a 5000 kwh / kw instalado / ano. Na região interior, vizinha da litorânea, verifica-se que o a geração fica entre 2250 a 3750 kwh / kw instalado / ano. Já quando se trata do interior do Brasil, os ventos são de baixa intensidade o que produz uma geração abaixo de 2250 kwh / kw instalado / ano. A capacidade instalada no Brasil é de 20,3 MW, com turbinas eólicas de médio e grande portes conectadas à rede elétrica. Além disso, existem dezenas de turbinas eólicas de pequeno porte funcionando em locais isolados da rede convencional para aplicações diversas - bombeamento, carregamento de baterias, telecomunicações e eletrificação rural. 2. Fluxograma do Software Windpower Com este software é possível o dimensionamento do diâmetro da área varrida pelas pás da turbina eólica de acordo com a potência necessária para acionar os equipamentos elétricos, dos geradores, das baterias, os controladores de carga, os conversores e condutores.

2 O fluxograma apresentado na Figura 1 ilustra o processo de cálculos do software. Inicialmente o software solicita ao usuário as características da carga a ser alimentada, tais como, o tipo de alimentação (contínuo, monofásico ou trifásico), tensão de alimentação da carga (12 V, 24V, 127V, 380 V), consumo de corrente permanente da carga, consumo intermitente da carga (informando também a freqüência e o valor deste consumo ) e as características dos ventos na região a ser implementado o gerador acionado por energia eólica. De posse destes dados o software fornece ao usuário o dimensionamento completo do sistema de geração eólica, informando o diâmetro da área varrida pelas pás, a potência consumida pela carga, a potência necessária a ser armazenada, as características necessárias das baterias a serem utilizadas e a potência necessária que o gerador deve fornecer ao sistema. Início Escolha do Tipo de alimentação (contínuo, trifásico, monofásico) Determinação da Taxa de trabalho Determinação da Potência Total que o Gerador deve fornecer Informação da tensão de Alimentação da carga Cálculo do Consumo equivalente de energia ( W ) Determinação do diâmetro das Pás do cata-ventos Informação do consumo permanente da carga Determinação da energia armazenada necessária Refazer Cálculos? Não Sim Informação do consumo intermitente da carga Cálculo da corrente de carga da Bateria Fim Informação das características dos ventos na região Determinação da bateria Figura 1 Fluxograma do Software Windpower 3. Apresentação do Software e Exemplos de Aplicações O software desenvolvido tem duas interfaces de entrada de dados onde usuário irá fornecer as informações necessárias para que o sistema de geração de energia elétrica, acionado por uma turbina eólica, seja dimensionado. A Figura 2 mostra a tela de abertura do software e as Figuras 3 e 4 apresentam estas interfaces. Os dados que devem ser fornecidos na primeira interface são: o tipo de alimentação de energia elétrica(contínuo, monofásico, trifásico), a tensão de geração, os aparelhos domésticos que serão utilizados como carga e seus respectivos tempos de consumo diário. Na outra interface, devem ser fornecidos os dados referentes as características do vento local com a quantidade de dias sem vento e a velocidade média dos mesmos, o tipo de motor eólico utilizado ( Catavento, Savonius, Holandês de 4 Pás, Darrieus ou Duas Pás ), a tensão de alimentação da bateria, a distância entre o gerador e o banco de baterias e a queda percentual de tensão dos cabos ligados entre os mesmos.

3 Figura 2 Tela de abertura do Software Figura 3 - Primeira interface de entrada de dados do software Windpower Com os dados devidamente preenchidos, o usuário poderá ver os resultados do projeto selecionando o botão "Calcular". Após o usuário ter selecionado o botão, será apresentado a ele uma interface de resultados. A Figura 5 apresenta esta interface. Os dados de saída são além dos dados de entrada, o consumo equivalente de energia, a energia necessária a ser armazenada, a corrente de carga da bateria, a potência elétrica do gerador e o diâmetro das pás para acionar o sistema de fornecimento de energia elétrica.

4 Figura 4 - Segunda interface de entrada de dados do software Windpower Figura 5 - Interface dos resultados do software Windpower 3.1. Exemplos de Aplicação Como um primeiro exemplo será considerado uma pequena residência, onde suas características são apresentadas na Tabela 1.

5 Tabela 1 - Características de uma pequena residência Tipo Quantidade Potência Período Computador 1 150W 4 horas por dia Frigobar 1 70W 12 horas por dia Aparelho de Som 1 50W 2 horas por dia O levantamento do local mostrou que ocorrem no máximo 5 dias sem vento, sendo que a velocidade média dos ventos é de 30 km/h. A tensão de alimentação da bateria é de 12V, a distância entre o banco de baterias e o gerador de 400m e a queda de tensão percentual nos cabos alimentadores é de 6%. De posse destes dados pode-se, através da interface inicial, inserir os dados no programa. As Figura 6 e 7 apresentam as janelas de inserção dos dados no programa. Figura 6 - Inserção dos dados no software Windpower

6 Figura 7 - Inserção dos dados no software Windpower Feito isto, pode-se obter os resultados do projeto selecionando o botão "Calcular". A Figura 8 apresenta a interface dos resultados. Verifica-se que é necessário um diâmetro para as pás de 1,02 metros para acionar um gerador de 87W para as condições de velocidade média do vento de 30 km/h. Figura 8 - Resultados do dimensionamento do sistema eólico para alimentar uma estação meteorológica

7 Para um segundo exemplo será considerado também uma pequena residência, onde suas características são apresentadas na Tabela 2. Tabela 2 Características da Residência Tipo Quantidade Potência Período Lâmpada Fluorescente 3 11W 4 horas por dia Compacta TV (21 ) com Antena 1 80W 4 horas por dia Parabólica Aparelho de Som 1 150W 2 horas por dia Liquidificador 1 200W 5 minutos por dia O levantamento do local mostrou que ocorrem no máximo 3 dias sem vento, sendo que nos outros dias a velocidade média dos ventos é de 25 km/h. A tensão do banco de baterias é de 12V, distância dele até o gerador de 500m e a queda de tensão percentual de 4%. As Figuras 9 e 10 mostram os dados inseridos. Figura 9 Inserção dos dados referentes a residência apresentada na Tabela 2

8 Figura 10 Inserção dos dados referentes a residência apresentada na Tabela 2 A Figura 11 mostra a tela com os resultados obtidos com o software Windpower Figura 11 Resultados obtidos com o software Windpower referentes a uma residência apresentada na Tabela 2

9 4. Comentários Este software tem como principal objetivo otimizar os projetos de geração de eletricidade através do acionamento por energia eólica para pequenos sistemas de geração elétrica. É importante destacar que com o desenvolvimentos de projetos como este em energia alternativa, áreas isoladas que não possuem acesso a eletricidade poderão terem a disponibilidade da energia elétrica para o seu consumo sem necessitar que as companhias credenciadas cheguem até estes pontos de consumo. Além disso muitas regiões do país já contam com o sistema de energia eólica para o bombeamento de água. Com o desenvolvimento deste projeto pretende-se tornar possível acoplar ao cata-ventos já existente o sistema de geração, transmissão e distribuição de eletricidade para pequenos sistemas de geração de energia elétrica. Agradecimentos Os autores agradecem as empresas Cata-ventos Fênix Fortuna, Geradores NH, WB Eletro-Eletrônica, Baterias Delphi pela doação dos equipamentos. Também agradecem a FAPESP pela concesssão financeira Proc. Nº 03/ e a PROPP-UNESP. 5. Referências Bibliográficas [1] SITE: [2}American Wind Power Association, [3] EcoNet Energy Resources, [4] NWCC - National Wind Coordinating Committee, [5] The Green Power Network Up-to-date green power news!, [6] Wind Energy Danish Wind Turbine Manufacturers Association, [7] Windpower Monthly News Magazine Home Page, [8] Minnesotans For An Energy Efficient Economy - wind energy resources, [9] EcoIQ - Supporting a transition to sustainability, [10] LA ROVERE, Emílio Lèbre - Fontes Alternativas de Energia - Projeto FINEP / PNUD / UNESCO - BRA 82/004 - Capítulo IV e V - Páginas de 115 à 180 [11] MACINTYRE, Archibald Joseph - Máquinas Motrizes Hidráulicas - Editora Guanabara Dois S.A Capítulo 24 - Página 609 [12] SITE: [13] Revista Energia Alternativa Volume IV 1298 N o. 23 Páginas 25 e Direitos autorais Os autores são os responsáveis pelo material impresso neste capítulo 7. Copyright Notice The authors are the only responsible for the printed material included in this chapter. Software for Calculus of Electric System Supply with Wind Motors Utilizing Permanent Magnets Generator. This project has as main purpose the development of a capable software of calculus of electric system supply utilizing the force of the winds. It is presented the choice of the diameter from the area sweep by the blades of the rotor, the electric power supplied by an eolic source, the mechanical devices for wind motors, permanent magnets generator, storage of energy by batteries, DC-AC converters, electric wires for transmission from the energy of the power supply to the center of consumption. The objective is the electric energy generation by eolic supply source for small systems and also was developed to courses of training, agricultural technical schools, schools of engineering and companies that lend service for the agricultural cooperative, electric concessionaires of energy, companies and organizations of the tertiary sector, organs of the government, manufacturers and dealers of materials and electric equipments and municipal administrations. Key words: wind energy, permanent magnets generator, renewable energy source, software, Windpower.