CONSTRUÇÃO DE BOMBA EÓLICA

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1 3 ANA CLÁUDIA MELO COSTA CLÁUDIO DA SILVA COSTA HIGOR BERLINI FERNANDES JOSIAS GARCIA DE FARIAS RA: RA: RA: RA: E.P.M. - 3ºA - noite -sala CONSTRUÇÃO DE BOMBA EÓLICA UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO SÃO PAULO 2009/2º semestre

2 4 ANA CLÁUDIA MELO COSTA CLÁUDIO DA SILVA COSTA HIGOR BERLINI FERNANDES JOSIAS GARCIA DE FARIAS RA: RA: RA: RA: E.P.M. - 3ºA - noite -sala S.AM CONSTRUÇÃO DE BOMBA EÓLICA Trabalho de conclusão do projeto integrador realizado na disciplina de Física Geral e Experimental III, apresentado como exigência parcial para avaliação nesta disciplina do curso de Engenharia com habilitação em Produção Mecânica, da Universidade Nove de Julho. Orientador: Profº Wagner Marcelo Pommer. UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO SÃO PAULO 2009/2º semestre

3 5 SUMÁRIO 1 Referencial teórico...p Energia eólica...p A fonte eólica...p Tipos de turbina eólicas...p Circulação global do vento...p Relação entre velocidade do vento e altura...p Componentes de um sistema eólico...p Regra gerais energia eólica...p.11 2 Concepção do projeto integrador...p.16 3 Características do projeto...p.16 4 Material utilizado...p 16 5 Memorial descritivo...p.17 6 Cálculos descritivos...p Legenda...p Dimensional...p Memorial de cálculos...p.22 7 Resultados e Discussões...p 23 8 Conclusão...p.24 9 Bibliografia...p Anexos...p.24

4 6 1- REFERENCIAL TÉORICO: 1.1- Energia Eólica: Energia eólica precisa ser armazenada para utilização quando a intensidade dos ventos não for suficiente para atender a demanda e, também, para aproveitar o excedente produzido quando a produção supera a demanda. Mas, também sabemos que a energia cinética dos ventos não pode ser armazenada, então deve ser feita sua conversão para outro tipo de energia armazenável. Assim, podemos dividir as formas de armazenamento indireto da energia eólica em dois grupos: as formas que armazenam a energia eólica convertida em energia mecânica e as formas que armazenam a energia eólica convertida em energia elétrica. A diferença entre as formas de armazenamento da energia eólica, mecânicos ou elétricos, é que na primeira (mecânico) são utilizados mecanismos que usam forças de natureza mecânica para realizar o armazenamento e, na segunda (elétrica), são usados o excedente da eletricidade gerada pela turbina para acionar os mecanismos de armazenamento. Os principais métodos de armazenamento indireto da energia eólica convertida em energia mecânica são: Bomba (hidráulica): este sistema de armazenamento da energia eólica é composto por uma bomba conectada ao eixo de saída da turbina. Quando a turbina atinge determinada velocidade de rotação aciona o mecanismo da bomba que eleva determinada quantidade de água para um reservatório situado a uma altura específica, armazenando assim, a energia eólica mecânica sob a forma de energia potencial da massa de

5 7 água. Quando necessário, a água é escoada e aciona uma turbina hidráulica para que a energia acumulada possa ser usada. Nesses casos, a turbina costuma ser instalada logo acima da fonte de captação de água (que pode ser um poço) e a água pode também, ser armazenada para simples consumo ao invés de gerar eletricidade. Compressor (mecânica): este tipo de armazenamento se refere à conversão da energia eólica mecânica em energia potencial armazenada sob a forma de ar comprimido ( atmosferas). A compressão é feita por um mecanismo que utiliza o movimento de rotação das pás da turbina para comprimir o ar. Após comprimido o ar pode ser armazenado em recipientes próprios ou mesmo em estruturas geológicas que se encontram vazias após terem seu gás natural exaurido (empresas americanas estudam a possibilidade de armazenar o ar comprimido na camada de arenito a 1000 m de profundidade que é extremamente poroso). O ar armazenado, então, pode ser utilizado para a geração de energia mecânica ou elétrica através de expansores. Calor (efeito joule): o armazenamento da energia eólica sob a forma de calor se dá pelo aquecimento mecânico da água através do movimento de pás dentro do recipiente de armazenamento (que é isolado termicamente). A resistência da água ao atrito ocasionado pelas pás em movimento faz com que ela se aqueça, transformando a energia eólica em energia térmica. O armazenamento da água é feito em recipiente térmico próprio e pode ser feito com a água na forma líquida (água quente) ou na forma gasosa (vapor).

6 8 Volante (mecânica): também chamado de Flywheell, ou ainda volante mecânico, seu funcionamento baseia-se na conversão da energia eólica em energia cinética do movimento de rotação do volante que poderá ser convertida, posteriormente, em qualquer outra forma de energia. As turbinas são, em princípio, instrumentos razoavelmente simples. O gerador é ligado através de um conjunto acionador a um rotor constituído de um cubo e duas ou três pás. O vento aciona o rotor que faz girar o gerador e produz eletricidade A fonte eólica: A quantidade de energia disponível no vento varia de acordo com as estações e as horas do dia. A topografia e a rugosidade do solo também têm grande influência na distribuição de freqüência de ocorrência de velocidade do vento em um local. Além disso, a quantidade de energia eólica extraível numa região depende das características de desempenho, altura de operação e espaçamento horizontal dos sistemas de conversão de energia eólica instalados Tipos de turbinas eólicas: Turbinas eólicas de eixo horizontal: podem ser de uma, duas, três, quatro pás ou multipás. A de uma pá requer um contrapeso para eliminar a vibração. As de duas pás são mais usadas por serem fortes, simples e mais baratas do que as de três pás. As de três pás, no entanto, distribui as tensões melhor quando a máquina gira durante as mudanças de direção do vento. As multipás não são muito usadas, pois são menos eficientes.

7 9 Figura1- Tipos de turbina eólica do eixo horizontal. Turbinas eólicas do eixo vertical: não são muito usadas, pois o aproveitamento do vento é menor. As mais comuns são três: SAVONIUS, DARRIEUS E MOLINETE. Figura 2- Tipos de turbina eólica do eixo vertical. A potência máxima extraída de uma turbina eólica é: P max. = 16/27. 1/2. P.A.V. < 0,593 No qual temos que:

8 10 P = densidade do ar (tabelado). A = área correspondente ao diâmetro da área varrida pelas pás V = velocidade do vento A potência máxima não ultrapassa 59,3% de eficiência. Este valor é também chamado de limite de BETZ e já foi provado cientificamente Circulação global do vento: Energia eólica é uma forma de energia solar. Os ventos aliviam a temperatura atmosférica e as diferenças de pressão causadas pelo aquecimento irregular da superfície da Terra. Enquanto o sol aquece o ar, água e terra de um lado da Terra, o outro lado é resfriado por radiação térmica para o espaço. Diariamente a rotação da Terra espalha esse ciclo de aquecimento e resfriamento sobre sua superfície. Mas, nem toda superfície da Terra responde ao aquecimento da mesma forma. Por exemplo, um oceano se aquecerá mais lentamente que as terras adjacentes porque água tem uma capacidade maior de "estocar" calor. Dessa diferente taxa de aquecimento e resfriamento são criadas enormes massas de ar com temperatura, mistura e características de massas de ar oceânicas ou terrestres, ou quentes e frias. A colisão destas duas massas de ar, quente e fria, geram os ventos da Terra Relação entre velocidade do vento e altura: A velocidade do vento em um determinado local aumenta drasticamente com a altura. A extensão pela qual a velocidade do vento

9 11 aumenta com a altura é governada por um fenômeno chamado "wind shear". Fricção entre ar mais lentos e mais rápidos conduz ao aquecimento, velocidade do vento mais baixa e muito menos energia de vento disponível perto do solo. Apresentamos abaixo uma figura que ilustra as diferentes áreas (urbana, subúrbios, ou ao nível do mar) e a relação entre suas alturas e velocidades de ventos. Figura 3- Relação entre diferentes áreas e velocidades do vento Componentes de um Sistema Eólico: Um sistema eólico é constituído por vários componentes que devem trabalhar em harmonia de forma a propiciar um maior rendimento final. Para efeito de estudo global da conversão eólica devem ser considerados os seguintes componentes: Vento: Disponibilidade energética do local destinado à instalação do sistema eólico. Rotor: Responsável por transformar a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação.

10 12 Transmissão e Caixa Multiplicadora: Responsável por transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até a carga. Alguns geradores não utilizam este componente; neste caso, o eixo do rotor é acoplado diretamente à carga. Gerador Elétrico: Responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica. Mecanismo de Controle: Responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade, controle da carga, etc. Torre: Responsável por sustentar e posicionar o rotor na altura conveniente. Sistema de Armazenamento: Responsável por armazenar a energia para produção de energia firme a partir de uma fonte intermitente. Transformador: Responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede elétrica. Acessórios: São os componentes periféricos.

11 13 Figura 4- Bomba eólica com acionamento hidráulico. A energia eólica pode ser convertida em energia útil por dois tipos de sistemas bem distintos, um de construção simples, o moinho de vento, que a humanidade utiliza já há anos para produzir energia mecânica, e o outro, o aerogerador, que serve para produção de eletricidade e para o qual a experiência atual é muito limitada, mas que, em contrapartida, atraí muito interesse para o futuro. Até a década de 30, os cataventos eram muito populares entre os agricultores norte-americanos, essencialmente para o bombeamento de água. O bombeamento d'água foi uma das primeiras aplicações da energia eólica convertida. Basicamente, um sistema de bombeamento é constituído por rotor eólico, bomba hidráulica, transmissão e dispositivo de controle.

12 14 Figura 5- Alavanca de Arquimedes. Descreve-se a seguir o processo de determinação do potencial eólico para bombeamento Regras gerais da energia eólica Existe uma regra que dá a potência gerada pelos cata-ventos e turbinas de vento. É importante ressaltar que esta regra é teórica e na prática, não conseguimos converter toda essa potência (teórica) em potência útil. A taxa de conversão é de aproximadamente de 59%, quando o sistema funciona de maneira otimizada. Tentaremos apresentar de uma forma sucinta a demonstração desta fórmula: Potência é igual ao trabalho (Energia) dividido pelo tempo:

13 15 O trabalho realizado pelo vento que neste caso é igual a sua energia cinética é:,então:, mas como, temos: No qual é a densidade do ar, V é a velocidade do vento e A é a área varrida pelas hélices do rotor. Talvez seja esta a fórmula mais importante para se conhecer o aproveitamento da energia eólica. Como exemplo: Um vento passa de 10km/hora para 11 km/hora (aumento de 10% ) a potência se eleva em 33%, o que mostra como é importante a escolha de um lugar com vento mais velozes para o melhor aproveitamento da energia eólica. Outro exemplo é sobre a área varrida pelo rotor. Com um hélice de 3 m de diâmetro e um vento de 32 km/hora teríamos uma potência de 1000 W; se dobrarmos o diâmetro da hélice para 6 m e mantivermos o vento em 32 km/hora a potência irá para 4000 W. Isto ocorre pois a área varia com o quadrado do raio, ou seja, dobrando-se a área do rotor aumentamos a potência em quatro vezes.

14 16 Figura 6- Hélice de uma turbina de vento. O potencial eólico "P" disponível do vento, é obtida pela equação (1): P/A = Potencial eólico (W/m 2 ); k = Valor tabelado; V = Velocidade do vento (m/s). Onde "k" é um valor tabelado a ser empregado no cálculo do potencial eólico para diferentes unidades de P, A e V. A equação (1) fornece o potencial energético do vento. Porém, apenas uma fração desse potencial poderá ser realmente convertido em trabalho útil por um cata-vento por exemplo. Através de pesquisas realizadas por Betz, chegou-se à conclusão que o catavento ideal consegue captar apenas 59,3% da potência disponível do vento. Essa porcentagem da potência do vento, que é possível ser captada por um motor eólico, tem sido denominada de "coeficiente de potência máxima

15 17 (Cp)". Segundo estudos desenvolvidos, o valor de 0,593 para "Cp" não levam em conta as perdas aerodinâmicas no rotor, as variações da velocidade nos vários pontos da área de captação, o tipo de rotor e outras variáveis. Assim, na prática, o coeficiente "Cp" geralmente não ultrapassa o valor 0,3. A avaliação das potencialidades para utilização de motores eólicos, a partir dos dados dos ventos nos locais em estudo, pode ser realizada através da equação (2): A determinação do potencial eólico fornece informações necessárias ao planejamento e utilização dessa fonte natural de energia de uma forma racional. Deve-se saber o quanto de energia está disponível e até que ponto pode ser convertido em energia mecânica ou elétrica. A conversão subseqüente em potência de bombeamento resulta numa redução de potência disponível que depende das eficiências da transmissão e da bomba. Numa primeira estimativa, para sistemas eólicos de bombeamento d'água, esses efeitos levam à seguinte regra prática: a Potência Hidráulica média de saída, num dado local com uma determinada velocidade média do vento é calculado pela equação (3): P hidr - Potência hidráulica (W);

16 18 A - Área da pá (m 2 ); V - Velocidade eólica média (m/s). Após a determinação da potência hidráulica verificou-se a vazão de água bombeada, contra altura manométrica. Este cálculo é fundamental para determinação do tipo e tamanho do sistema. É dado pela equação (4): Q m - Vazão (m 3 /h); P hidr - Potência hidráulica (W); a - Densidade da água (1000 kg/m 3 ); g - Aceleração da gravidade (9,8 m/s 2 ); H m - Altura manométrica (m). 2- CONCEPÇÃO DO PROJETO INTEGRADOR: Este trabalho objetiva a elaboração de um projeto envolvendo a concepção e construção de uma bomba eólica.

17 19 3- CARACTERÍSTICAS DO PROJETO: O projeto consiste em transformar energia eólica, a partir de um ventilador padrão que foi fornecido pela Instituição (UNINOVE), em energia mecânica. O aparato deve elevar até uma altura (h), certa massa de água contida em um recipiente retangular transparente. 4- MATERIAL UTILZADO: 01 Hélice; 01 Suporte plástico da hélice; 02 Base da haste (Alumínio); 01 Haste trefilado (aço); 01 Excêntrico (aço inox); 01 Bomba de ar; 01 Suporte da bomba; 01 Mangueira pneumática (8mm); 02 Conexões; 01 Válvula reguladora; 01 Recipiente com tampa (vidro e acrílico). 01 Tubo transparente (38,8mm). 5- MEMORIAL DESCRITIVO: Colocamos em pratica nossa primeira idéia, pensamos em partir do principio de que podíamos vencer a pressão atmosférica usando como

18 20 referencia a pistola de pintura, que usa o ar em alta velocidade eliminando o vácuo existente dentro do tubo fazendo com que suba o liquido existente dentro do recipiente,no dia 17/09/2009 fizemos um funil de cuprino que foi acoplado na frente do ventilador captando o ar fornecido por ele,porem não obtivemos sucesso porque o ar não foi captado cem por cento pelo funil perdemos o ar que passava pelas laterais das hélices e saia pela parte traseira do ventilador. Figura 7- Primeiro protótipo. Em seguida 22/09/2009 usamos um dínamo, não dando certo novamente por que este não satisfazia a nossa necessidade, a quantidade de ar que mandava através das mangueiras era insuficiente para criar força necessária para impulsionar o volume contido dentro do recipiente,outro fator negativo foram as hélices com poucas pás e muito pesadas portanto outro insucesso. (sem figura).

19 21 Em 20/11/2009 outra tentativa usamos um pistão pneumático adaptado com excêntrico na extremidade da haste que por sua vez e encaixado em uma engrenagem de menor diâmetro (10mm) que faz parte com outro diâmetro (40mm), maior porem estas engrenagens deveriam estar invertidas para que pudéssemos ganhar em velocidade de giro tentamos inverte-las sem sucesso, o suporte não suportava o tamanho da engrenagem maior, limamos para encaixá-la, o suporte ficou muito fraco não resistindo e acabou quebrando. Figura 8- Segundo protótipo. Figura 9- Segundo protótipo adaptado. Finalmente conseguimos, fazer algumas adaptações importantes ao projeto,trocamos o pistão pneumático pela bomba, aumentamos o excêntrico,criamos uma válvula reguladora de pressão aumentamos o raio das hélices que deu ganho de potencia pela captação de mais ar pelas hélices, consequentemente tivemos ganho natural de volume na bomba pneumática o suficiente para manter a força constante criando uma pressão estável dentro do recipiente capaz de elevar a coluna de água através de um tubo colocado dentro do recipiente sobre saindo alguns

20 22 centímetros acima desta cuba, portanto em 24/11/2009 obtivemos sucesso em nosso experimento. Figura 9- Protótipo definitivo. 6- CÁLCULOS DESCRITIVOS: 6.1- Legenda:

21 23 Ǿ = diâmetro H e h = altura l = comprimento e profundidade b = base V = volume H man = altura manométrica H tubo = altura máxima ρ = densidade g = gravidade v = velocidade A = área F = força P = pressão 6.2- Dimensional: Hélice

22 24 Ǿ = 400 mm rh = 200 mm rh = 0,20 m Tubo transparente - cilindro Ǿ = 38,8 mm H tubo = 700 mm H man = 90 mm H tubo = 0,70 m H man = 0,09 m H tubo - man = 0,61 m A = 2.π. r. h + π. r 2 A = 87, m 2 Bomba de Ar Ǿ = 34 mm r = 17 mm h = 49 mm Ǿ EXC = 7 cm rv = 0,07 m ρ ar = 1,2 kg/m 3 g = 9,8 m 2 /s v = 80 rpm v = 40 rps (rotações por segundo) Recipiente de vidro b = 304 mm

23 25 h = 200 mm l = 151 mm ρ H2O = 1,00 g/cm 3 ρ H2O = 997,0479 kg/m Memorial de cálculos (aplicação fórmulas físicas e matemáticas): Bomba de Ar cilindro A = 2.π. r. h + π. r 2 A = 11, m 2 V = π. r 2. h V = 44, m 3 Recipiente de vidro retângulo A = b.h A = 60, m 3 V = b.l. h V = 9, m 3 Equação de Bernoulli P 1 = H tubo-man. ρ H2O. g + ρ H2O. H man. g

24 26 P 1 = 14, kg. m/ m 2.s 2 - P 1 = 14, N/m 2 ou P 1 = 14, Pa F 1 = P 1 F 1 = 0, N A cil F 1. rv = F 2. rh F 2 = F 1. rv F 2 = 0, N Rh Portanto F 1 > F 2 7- RESULTADOS E DISCUSSÕES: Com a análise dos cálculos foi possível determinar que a água subirá pelo tubo cilindríco, pois a força exercida em F 1 é menor que em F 2. Nos ensaios realizados foi considerado a altura máxima de 0,70 m em relação a velocidade de 40 rotações por segundo, isto significa que houve a possibilidade de se elevar a água no tubo a um altura de 0,50 m. 8- CONCLUSÃO:

25 27 A partir da combinação da força do vento acionando hélices, através de uma combinação mecânica, concluímos que do principio da transformação de energia eólica em energia mecânica fizemos elevar uma coluna de água através de um tubo plástico satisfazendo em parte o objetivo com estes resultados alcançados, também levamos em conta as perdas durante o processo as quais influenciaram diretamente no resultado final que ficou dentro do esperado. 9- REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS: HALLIDAY, D. E.; RESNICK, R. Fundamentos de Física, 4. ed., v.2,., Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, NETO, P. A. B. Energia Eólica. UFLA/FAEPE, Lavras SEARS, F. W. E; ZEMANSKY, M. W. Física, 2. ed., v.1, Brasilia: Universidade de Brasília, 1973.

26 10- ANEXOS: 28