CONTROLE E SUSTENTAÇÃO

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1 CAPÍTULO 4 CONTROLE E SUSTENTAÇÃO E xistem inúmeros mecanismos para proteção, controle e sustentação de relevante importância utilizados em sistemas de energia eólica. No entanto, não é o espírito deste trabalho examinar detalhadamente todos eles; ao contrário, nosso objetivo é citar os principais tipos, analisando e descrevendo brevemente suas características mais importantes, dando mais importância às soluções mais simples. Cabe salientar, ainda, que a adoção de um ou mais dos mecanismos citados dependerá basicamente de dois fatores: (1) da sofisticação do sistema eólico que se pretende implantar e do inevitável reflexo econômico daí decorrente; (2) da finalidade do sistema. Para exemplificar, um rotor simples (como o Savonius) poderá ser dotado de um sistema de frenagem menos sofisticado que o de um rotor de múltiplas lâminas; de forma semelhante, um sistema destinado ao bombeamento de água provavelmente não necessite de um dispositivo de estabilização de velocidade tão sensível quanto o de outro sistema gerador de eletricidade. 4.1 ORIENTAÇÃO Conforme se viu no capítulo anterior, os rotores de eixo horizontal sempre devem ser posicionados de forma a terem o plano de rotação de suas lâminas sempre voltado para os ventos incidentes. O mecanismo de orientação mais comum é o leme, utilizado em moinhos com rotores de até 10 m de diâmetro. Não existe um procedimento específico para o dimensionamento ou disposição deste leme; no entanto, de acordo com IGNÁCIO e LUS (1980), a prática recomenda o seguinte: o leme deve ser colocado a uma distância que varia de 75% a 100% do diâmetro do rotor, contando-se a partir do eixo de sustentação, conforme esquematizado na Figura 4.1. considerando-se a turbulência criada pelo vento logo após passar pelas lâminas, as posições mais recomendáveis para a colocação do leme são aquelas mostradas na Figura 4.2. o leme deve ter uma área que varie entre 2% e 15% da superfície varrida pelas hélices; quanto menor for o leme mais suave será a orientação do rotor, porém menor será sua precisão.

2 Figura 4.1 Distância recomendável (L) do leme de orientação em relação ao eixo de sustentação. o peso do leme deve ser suficiente para equilibrar o peso das hélices e o corpo do equipamento sobre o eixo vertical de sustentação. as pontas do leme deverão ser arredondadas, a fim de que não atraiam raios. é desejável que o leme tenha certa mobilidade, a fim de impedir orientações bruscas causadas por rajadas de vento. Figura 4.2 Posicionamentos possíveis do leme: (a) correto, evitando turbulências; (b) incorreto, com orientação ineficaz devido à inconstância do vento após passar pelas hélices; (c) correto, acima da zona de turbulência. Sistemas de maior potência utilizam outros mecanismos de orientação. Por exemplo, os grandes moinhos de vento holandeses são orientados através de hélices auxiliares; grandes unidades destinadas à geração de energia elétrica utilizam sensores que, acoplados a um motor, posicionam o rotor de forma adequada. 4.2 PROTEÇÃO Por mais simples que sejam, os equipamentos eólicos devem contar com um dispositivo que os proteja contra velocidades de vento excessivas, permitindo que o rotor seja travado ou "cortado", como é costume dizer quando necessário. É claro que o sistema de proteção a ser empregado tem estreita relação com o custo da instalação a ser protegida. Rotores simples, como o Savonius, podem ser dotados de mecanismos singelos, como freios de atrito, que podem ser acionados manualmente ou por pedal; já equipamentos mais sofisticados merecem mecanismos mais elaborados e eficientes. A proteção manual é mais intuitiva: é o operador do equipamento quem julga se as condições de vento são impróprias ou perigosas para a instalação: é ele quem aciona o

3 mecanismo de proteção. Isso implica em alguma possibilidade de insucesso, já que o operador pode não estar presente quando a velocidade do vento atinge valores elevados ou sua ação pode ser tomada demasiadamente tarde. Portanto, sempre que possível, os equipamentos eólicos devem contar com sistemas automáticos de proteção Um dos mecanismos mais simples e bastante eficaz é a chamada desorientação, que consiste em girar o plano formado pela rotação das hélices paralelamente ao plano do leme, e, portanto, à direção dos ventos. Algumas pessoas referem-se a isto com "quebrar" o catavento. Figura 4.3 Sistema manual de desorientação: (a) moinho em funcionamento normal; (b) moinho desorientado. Na Figura 4.3 é mostrado um sistema manual de desorientação. Em (a), o leme se mantém na posição normal de operação, sujeito às molas (1, 2 e 4); quando o cabo (3) é puxado, a hélice é colocada em posição paralela ao leme, como se mostra em (c); este cabo tem em sua extremidade uma mola dura (2) a fim de que, uma vez desorientado o moinho, a junção tenha alguma flexibilidade, necessária para que uma súbita rajada não venha a romper o cabo. Utilizam-se, ainda, correntes (5) como medida de segurança para o caso de rompimento das molas. A desorientação também pode ser feita automaticamente, por uma das seguintes formas: a) por eixo descentrado conforme mostrado esquematicamente na Figura 4.4(a). Consiste em afastar o eixo do rotor de uma distância d (variável de 6 a 10 cm) em relação ao eixo vertical sobre o qual repousa o rotor; desta forma, quando os ventos atingem altas velocidades,a pressão sobre as pás aumenta, produzindo um conjugado que provocará a desorientação; b) por paleta desorientadora mostrada na Figura 4.4(b), e que é solidária ao eixo do rotor, porém sobressaindo-se da superfície varrida pelo vento. Sua área pode variar entre 0-25 % da área do leme. Quando o vento é muito forte, sua pressão sobre a paleta cria um conjugado com tendência a desorientar o rotor, reduzindo a velocidade.

4 Figura 4.4 Desorientação automática: (a) por eixo descentrado; (b) por paleta desorientadora. Outro sistema usado para a proteção em sistemas que utilizam hélices aerodinâmicas é o chamado freio aerodinâmico. Na Figura 4.5 é mostrado um desses freios para um rotor com 2 hélices: consiste em duas sapatas de alumínio (cada qual com área aproximadamente igual a 1% da área varrida pelas hélices) ligadas ao rotor por meio de molas. Quando em velocidade normal estas sapatas estarão "fechadas"- como se vê esquematicamente na Figura 4.5(b) -, mas quando a rotação aumenta, elas se abrem freando a hélice, como se vê na Figura 4.5(c). 4.3 CONTROLE DA VELOCIDADE (REGULAGEM) Em muitos casos, o equipamento que será ligado ao rotor deve funcionar dentro de certa faixa de velocidades, de modo que se faz necessário o controle da velocidade de rotação o que se chama regulagem. Um caso típico de necessidade de regulagem é o de um moinho destinado à geração de energia elétrica, principalmente se o gerador a ser acoplado ao rotor for do tipo síncrono. De certa forma, o freio aerodinâmico visto na seção anterior comporta-se como um regulador de velocidade, já que o rotor tem sua velocidade diminuída à medida que as sapatas se abrem. Um sistema de regulagem mais sensível é conseguido com o uso de hélices de passo variável, cujo funcionamento mostrado esquematicamente na Figura 4.6 consiste em variar o passo, mudando o chamado ângulo de ataque à medida que a velocidade do rotor aumenta. Para tanto, é necessário que as hélices tenham certo grau de liberdade em relação ao cone do rotor, ao qual se sujeitam através de molas ou pistões; assim, quando a velocidade de rotação aumenta, a força centrífuga faz com que as hélices "fujam" do cone e alterem o ângulo de ataque.

5 Figura 4.5 Freio aerodinâmico para rotor de 2 hélices: (a) vista geral; (b) rotor em funcionamento normal; (c) rotor freado. Outros sistemas de regulagem, mecânicos ou eletrônicos, têm sido experimentados. No entanto, não nos ocuparemos deles, de vez que envolvem uma tecnologia mais sofisticada. Figura 4.6 Funcionamento esquemático de uma hélice de passo variável: à medida que aumenta a velocidade do vento, o ângulo de ataque θ se reduz de 45 o (posição 1) para 0 o (posição 3). 4.4 MULTIPLICAÇÃO DE VELOCIDADE Na maioria das aplicações a velocidade de rotação não é suficiente e/ou adequada ao dispositivo a ser acionado. Por exemplo, em condições normais, um rotor de hélices aerodinâmicas tem velocidade variando entre 50 e 200 rpm; se este rotor estiver acoplado a um gerador síncrono - cuja velocidade de acionamento recai na faixa de rpm torna-se claro que o acoplamento não poderá se dar de forma direta. Em casos como esse se torna necessária a instalação de algum mecanismo de multiplicação de velocidade, tal como: transmissão por engrenagens (retas ou helicoidais); transmissão por correntes ou correias em V (trapezoidais ou denteadas); caixas de relação de multiplicação (1 ou 2 marchas) podem ser usadas as caixas de engrenagem de automóveis, motos ou tratores.

6 Na Tabela 4.1, a título de exemplo, são mostradas as principais alternativas de transmissão para sistemas de conversão de energia eólico-elétricos. Tabela Alternativa para sistemas de conversão de energia eólico-elétrica Rotor Passo variável Velocidade constante Passo variável Velocidade constante Velocidade constante Velocidade variável Velocidade variável Velocidade variável Velocidade variável Diâmetro variável Transmissão (Razão de Multiplicação) (2 marchas) Variável Gerador Gerador CC Grupo motor/gerador Gerador síncrono Transformador/retificador Inversor Grupo motor gerador 4.5 SUSTENTAÇÃO As torres para sustentação de rotores são importantes, não só por questões de segurança, solidez e custo, mas também pelo fato de que quanto mais alto estiver o rotor, maior será a potência desenvolvida (V. Seção 2.4). Basicamente existem dois tipos de torres: a) Estaiadas, como aquelas vistas na Figura 4.7(a) e (b) - baratas e de fácil manutenção, são apropriadas para pequenos rotores. b) Auto-sustentadas, semelhantes às mostradas na Figura 4.7(c) e (d) - devido ao seu custo mais elevado, só são usadas quando se torna impossível a instalação de torres estaiadas. A torre deverá ser instalada de forma a permitir que o rotor receba ventos constantes, evitando as turbulências advindas de obstáculos naturais ou artificiais, como mostra a Figura 4.8. Deve-se, também, tomar precauções quando a torre é colocada sobre uma casa, a fim de que a vibração do rotor não seja transmitida às paredes. No projeto de uma torre, várias forças devem ser consideradas. Inicialmente, existem forças as forças verticais, como o peso do rotor e de outros dispositivos a ele acoplados e que também são sustentados pela torre. Importam, também, as forças horizontais (resistência do rotor e da própria torre à força do vento), as de torção (resultantes da rotação da gávea) e as vibratórias (oriundas da passagem do vento pelo

7 rotor). Por fim, devem-se considerar os momentos fletores a que está submetida a estrutura. Figura 4.8 Colocação da torre de sustentação: (a) totalmente errada: muito baixa, com vento fraco e turbulento; (b) errada: baixa, com fumaça e vento com turbulência; (c) boa: alta, com ventos constantes; (d) muito boa: bastante alta, com ventos constantes e de alta velocidade.

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