Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO. ETEC Jorge Street

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1 1 Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO ETEC Jorge Street Trabalho de Conclusão do Curso Técnico Em Mecatrônica Bruno Willians Leite Victor França da Silva Vinícius Campos Sampaio Vinicius Paternezi Comicio Vitor Guilherme Antunes Vitor Napolitano Moreira Turbina Eólica Orientador: Vínicius Peruzzi São Caetano do Sul / SP 2014

2 2 Turbina Eólica Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como pré-requisito para obtenção do Diploma de Técnico em Mecatrônica. São Caetano do Sul / SP 2014

3 3 Agradecimentos Turbina Eólica Primeiramente a Deus, pois sem ele nada seria possível. As nossas famílias e aos nossos colegas por todo apoio e incentivo dado ao nosso trabalho. Aos nossos professores por todas as duvidas que tivemos no decorrer do projeto, em especial aos seguintes professores por todo conhecimento fornecido: Ivo, Beto, Filiputi, Rosa, Vinicius e ao Arcy. E finalmente, gostaríamos de agradecer a todos os profissionais que nos ajudaram nessa longa jornada, dentre eles: Seu Zé, Alemão da oficina da estrada das lagrimas, Edson da área técnica.

4 4 Resumo Turbina Eólica A energia eólica é, atualmente, a energia renovável mais promissora e com melhor relação custo-benefício para exploração. Por isso, a utilização de turbinas de eixo vertical e horizontal tem aumentado muito com o passar dos anos. Neste trabalho, pretendemos construir uma turbina eólica demonstrando detalhadamente cada passo, assim como os componentes utilizados e o porquê da escolha dos mesmos. Palavras-chaves: Energia, Eólica, Sustentável.

5 5 Lista de Figuras Turbina Eólica Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura

6 6 Figura Figura Figura Figura Figura e 69 Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura

7 7 Sumário Turbina Eólica Glossário...09 Objetivo...10 Definição do Projeto...11 Descrição do Projeto...13 Diagrama Elétrico...14 Fluxo do Projeto...15 O que é a Energia Eólica...16 O que é uma Turbina Eólica...21 Inversor...31 Bateria...38 Dínamo...44 Regulador de Tensão...48 Rolamento Radial...51 Disjuntor...53 Pás e Haste...56 Eixo...58 Base para sustentação da Turbina...61 Lâmpada LED...63 Planilha de Custos...67 FMEA...68 e 69 Cronograma...70

8 8 Croqui do projeto...71 Desenho em AutoCAD...75 Cálculos para a realização do projeto...79 Conclusão...80 Referências Bibliográficas...81

9 9 Glossário Turbina Eólica A Ampere Ah Ampere/hora C Celsius CC Corrente Contínua CA Corrente Alternada H Hora Hz Hertz KWh Quilowatt hora Pb Chumbo V Volts W Watts Ø Diâmetro

10 10 Objetivo Turbina Eólica Projetar e montar uma turbina eólica de médio porte, utilizando um dínamo como fonte de eletricidade, e com a energia obtida alimentar aproximadamente quinze lâmpadas de 7W cada, assim obtendo energia suficiente para alimentar o sistema de iluminação de uma casa inteira com energia ecológica e auto suficiente.

11 11 Turbina Eólica Definição do projeto Projeto 1 Mesa de tênis de mesa automatizada: O projeto consistia em marcar o placar automaticamente, demonstrando-o em um painel localizado em um determinado local perto da mesa. Decidimos não fazer esse projeto devido ao seu alto custo e por causa do grande número de variáveis do jogo praticamente impossíveis de prever e executar. Projeto 2 Turbina eólica: O projeto consiste em projetar e montar uma turbina eólica caseira, gerando energia suficiente para alimentar quinze lâmpadas de 7W. Decidimos fazer esse projeto, pois ele é mais econômico que a mesa de tênis e além disso é um projeto sustentável

12 12 Turbina Eólica Descrição do Projeto O nosso trabalho consiste em uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte, pois a mesma obtém melhor desempenho em áreas urbanas. Os componentes da turbina são: um eixo de rotação (figura 22), três pás eólicas (figura 20), revestimento em metal, seis hastes de ligação (figura 21), três rolamentos radiais (figura 17), duas arruelas, um dínamo (figura 12), uma bateria (figura 8), um inversor (figura 4), um disjuntor (figura 18), um regulador de tensão (figura 15) além de cantoneiras e parafusos. As três pás eólicas são de alumínio, e possuem comprimento de 500 mm, largura de 440 mm e sua parte curvada possui raio de 60 mm. O eixo possui duas arruelas de alumínio, para sustentação das hastes fixadas as pás, com ø de 30 mm posicionadas em ângulos de 120º. Elas serão encaixadas no eixo de rotação e posicionadas na altura de 1460 mm e 1820 milímetros respectivamente. As seis hastes que ligam as pás ao eixo de rotação serão produzidas de alumínio, e têm 500 mm de comprimento, 41 mm de largura. Cada uma será parafusada no furo de ø 6 mm. Na outra ponta das hastes estão fixadas as pás. O eixo de rotação é revestido até 1000 mm de altura por um tubo de ferro com ø 70 mm. Possui um rolamento radial na base, na altura de 10 mm, outro na tampa da base na altura de 400 mm e outro na altura de 1400 mm respectivamente. Na base possui uma caixa de 600 milímetros de comprimento, 400 mm altura e 400 mm de largura, que armazena o gerador que é ligado ao eixo de rotação. Para gerar a tensão necessária é utilizado um dínamo (gerador), que gera uma tensão suficiente para carregar a bateria, que depois ligada ao inversor, nos dá autonomia de 4,25 Ah para alimentar 15 lâmpadas de LED, que utilizam 1 Ah, assim, suprindo nossa necessidade.

13 13 A bateria está ligada a um inversor transformador de 100w W 12V 127V, que transformará corrente continua em corrente alternada e elevará a tensão de 12 V para 127 V. Será feito uma instalação elétrica levando a tensão de saída do inversor transformador para um quadro de distribuição onde será ligado em um disjuntor 20A. E depois ligada a 15 lâmpadas LED de 7 W dividas em dois circuitos, um com oito e outro com sete lâmpadas de LED, que são mais econômicas e sustentáveis que as incandescentes e fluorescentes.

14 14 Turbina Eólica Diagrama elétrico

15 15 Fluxo do Projeto Turbina Eólica

16 16 Turbina Eólica O que é a Energia Eólica A energia eólica é a energia obtida pelo movimento do ar (vento). É uma abundante fonte de energia, renovável, limpa e disponível em todos os lugares. Os moinhos de vento foram inventados na Pérsia no séc. V. Eles foram usados para bombear água para irrigação. Os mecanismos básicos de um moinho de vento não mudaram desde então: o vento atinge uma hélice que ao movimentar-se gira um eixo que impulsiona uma bomba (gerador de eletricidade). ORIGEM Os ventos são gerados pela diferença de temperatura da terra e das águas, das planícies e das montanhas, das regiões equatoriais e dos polos do planeta Terra. A quantidade de energia disponível no vento varia de acordo com as estações do ano e as horas do dia. A topografia e a rugosidade do solo também tem grande influência na distribuição de frequência de ocorrência dos ventos e de sua velocidade 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. A avaliação precisa do potencial de vento em uma região é o primeiro e fundamental passo para o aproveitamento do recurso eólico como fonte de energia. Para a avaliação do potencial eólico de uma região é uma necessário a coleta de dados dos ventos com precisão e qualidade, capaz de fornecer um mapeamento eólico da região.

17 17 As hélices de uma turbina de vento são diferentes das lâminas dos antigos moinhos porque são mais aerodinâmicas e eficientes. As hélices têm o formato de asas de aviões e usam a mesma aerodinâmica. As hélices em movimento ativam um eixo que está ligado à caixa de mudança. Através de uma série de engrenagens a velocidade do eixo de rotação aumenta. O eixo de rotação está conectado ao gerador de eletricidade que com a rotação em alta velocidade gera energia. Um aero gerador consiste num gerador elétrico movido por uma hélice, que por sua vez é movida pela força do vento. A hélice pode ser vista como um motor a vento, cuja quantidade de eletricidade que pode ser gerada pelo vento depende de quatro fatores: da quantidade de vento que passa pela hélice do diâmetro da hélice da dimensão do gerador do rendimento de todo o sistema VENTOS E MEIO AMBIENTE A energia eólica é considerada a energia mais limpa do planeta, disponível em diversos lugares e em diferentes intensidades, uma boa alternativa às energias não renováveis. IMPACTOS E PROBLEMAS Apesar de não queimarem combustíveis fósseis e não emitirem poluentes, fazendas eólicas não são totalmente desprovidas de impactos ambientais. Elas alteram paisagens com suas torres e hélices e podem ameaçar pássaros se forem instaladas em rotas de migração. Emitem certo nível de ruído (de baixa

18 18 frequência), que pode causar algum incômodo. Além disso, podem causar interferência na transmissão de televisão. O custo dos geradores eólicos é elevado, porém o vento é uma fonte inesgotável de energia. E as plantas eólicas têm um retorno financeiro a um curto prazo. Outro problema que pode se citado é que em regiões onde o vento não é constante, ou a intensidade é muito fraca, obtêm-se pouca energia e quando ocorrem chuvas muito fortes, há desperdício de energia. Os países que mais geram energia eólica no mundo são: 1º - China (62,7 mil megawatts) 2º - Estados Unidos (46,9 mil megawatts) 3º - Alemanha (29 mil megawatts) 4º - Espanha (21,6 mil megawatts) 5º - Índia (16 mil megawatts) 6º - França (6,8 mil megawatts) 7º - Itália (6,7 mil megawatts) 8º - Reino Unido (6,5 mil megawatts) 9º - Canadá (5,2 mil megawatts) 10º- Portugal (4 mil megawatts) PERSPECTIVAS FUTURAS Na crise energética atual, as perspectivas da utilização da energia eólica são cada vez maiores no panorama energético geral, pois apresentam um custo reduzido em relação a outras opções de energia. Embora o mercado de usinas eólicas esteja em crescimento no Brasil, ele já movimenta 2 bilhões de dólares no mundo. Existem 30 mil turbinas eólicas de

19 19 grande porte em operação no mundo, com capacidade instalada da ordem de MW. A energia eólica pode garantir 10% das necessidades mundiais de eletricidade até 2020, pode criar 1,7 milhão de novos empregos e reduzir a emissão global de dióxido de carbono na atmosfera em mais de 10 bilhões de toneladas. Os campeões de uso dos ventos são a Alemanha, a Dinamarca e os Estados Unidos, seguidos pela Índia e a Espanha. No âmbito nacional, o estado do Ceará destaca-se por ter sido um dos primeiros locais a realizar um programa de levantamento do potencial eólico, que já é consumido por cerca de 160 mil pessoas. Outras medições foram feitas também no Paraná, Santa Catarina, Minas Gerais, litoral do Rio de Janeiro e de Pernambuco e na ilha de Marajó. A capacidade instalada no Brasil é de 20,3 MW, com turbinas eólicas de médio e grande porte conectadas à rede elétrica. Vários Estados brasileiros seguiram os passos do Ceará, iniciando programas de levantamento de dados de vento. Hoje existem mais de cem anemógrafos computadorizados espalhados pelo território nacional. Um mapa preliminar de ventos do Brasil, gerado a partir de simulações computacionais com modelos atmosféricos é mostrado na figura abaixo. Considerando o grande potencial eólico do Brasil, confirmado através de estudos recentes, é possível produzir eletricidade a custos competitivos com centrais termoelétricas, nucleares e hidroelétricas, com custo reduzido.

20 Figura 3 Mapa eólico do Brasil 20

21 21 Turbina Eólica O que é uma Turbina Eólica A turbina eólica, ou aero gerador, é uma máquina eólica que absorve parte da potência cinética do vento através de um rotor aerodinâmico, convertendo em potência mecânica de eixo (torque x rotação), a qual é convertida em potência elétrica (tensão x corrente) através de um gerador elétrico. A turbina eólica é composta pelo rotor e pela torre que o sustenta, pela transmissão/multiplicação e pelo conversor. Ela pode extrair energia cinética somente do ar que passa através da área interceptada pelas pás rotativas. Embora combinada com a eficiência do modelo, a área varrida pelo rotor circular (p r 2 ) é um fator crucial na determinação da energia entregue pela turbina eólica. A energia cinética bruta por unidade de tempo, potência, do vento passando por uma área A perpendicular ao seu vetor velocidade instantânea V, é dada por: P = Cp 1/2 r.a.v 3 Onde: r = densidade do ar, que varia com a latitude e as condições atmosféricas; 1.2kg/m 3 ; Cp = é o coeficiente da performance que se relaciona com a energia cinética de saída e depende do modelo e na relação entre a velocidade do rotor e a velocidade do vento. V = velocidade do vento em m/s 2. A energia potencial da turbina eólica depende do cubo da velocidade do vento; isto significa, por exemplo, que se a velocidade do vento em um local dobrar, a energia potencial de saída de uma turbina eólica é multiplicada por 8 ( 2 3 ). Esta sensibilidade da energia com a velocidade do vento mostra a importância na obtenção dos dados do vento para a estimativa da energia disponível.

22 22 A velocidade média anual é um bom parâmetro para pesquisar o vento. A tabela 2.12 serve como guia. Além da velocidade média anual do vento, as médias mensais são úteis, já que elas dão uma melhor ideia das variações sazonais. Isto é importante quando a investigação do abastecimento de energia irá partir da demanda mensal. A velocidade do vento decresce à medida que se aproxima da superfície da terra devido à fricção entre o ar e a solo. A quantidade de decréscimo depende da rugosidade do solo; por exemplo, áreas florestais têm menor escoamento de ar que áreas descampadas. Medições em estações meteorológicas são geralmente tomadas em duas alturas-padrão: 2 metros (para propósitos agrícolas) e 10 metros (o padrão internacional para medições meteorológicas). Pode ser possível obter dados de um instituto meteorológico que tenha as velocidades médias anuais do vento de todas as estações meteorológicas do país. Também pode ser válido tentar obter dados de uma universidade local. Se houver uma estação meteorológica perto do local proposto, obtenha seus dados lá. Se possível, visite a estação para checar se ela não está rodeada por construções (por exemplo: árvores) que possam levar a medidas não confiáveis. Se houver dúvidas sobre a validade das medições, use os dados coletados nos aeroportos, que são geralmente os mais confiáveis. Mesmo quando o local está a 100 km da estação meteorológica, os dados podem ainda ser usados em conjunto com as comparações entre a estação e o local. Entretanto, diferentes circunstâncias podem necessitar de correção de dados meteorológicos. Por exemplo, locais perto das costas geralmente têm velocidades do vento maiores do que as de uma ilha; a velocidade do vento numa ilha é cerca de 2/3 daquela próxima à costa. Também é necessário comparar o terreno. Estações meteorológicas geralmente fornecem velocidade do vento em terreno-aberto. Quaisquer obstáculos tais como moitas, árvores e construções reduzem significativamente a velocidade do vento e montanhas podem gerar ventos muito turbulentos concentrados num local. Também é importante a coleta de dados em tornados e calmarias. Turbinas eólicas são normalmente projetadas para resistir a velocidades de vento abaixo de 55 m/s; assim é necessário conhecer a velocidade de sobrevivência da turbina.

23 23 Calmarias não ameaçam a turbina, mas podem levar a períodos inaceitáveis sem saída de energia. Velocidade média anual Possibilidades de uso para a energia eólica Abaixo de 3 m/s Usualmente não viável, a menos em ocasiões especiais 3-4 m/s Pode ser uma opção para bombas eólicas, improvável para geradores eólicos 4-5 m/s Bombas eólicas podem ser competivas com bombas à Diesel. Pode ser viável para geradores eólicos isolados Mais que 5 m/s Mais que 7 m/s Viável tanto para bombas eólicas quanto para geradores eólicos isolados. Viável para bombas eólicas, geradores eólicos isolados e conectados à rede. Rotor Componente destinado a captar energia cinética dos ventos e convertê-la em energia mecânica no eixo. Rotor de eixo vertical Em geral, rotores de eixo vertical têm a vantagem de não precisarem de mecanismos de acompanhamento para variações de direção do vento. Isto reduz a complexidade do projeto e os esforços devido a forças de "Coriolis". Também os rotores de eixo vertical podem ser movidos por forças de "drag" ou por forças de "lift". Os principais tipos de rotores de eixo vertical são: - Savonius - Darrieus

24 24 - Turbina com torre de vórtices Os rotores do tipo Savonius são movidos predominantemente por forças de "drag" embora desenvolvam algum "lift". Têm relativamente alto torque de partida, embora em baixa velocidade. Sua eficiência é baixa. Seu rendimento mecânico máximo pode atingir 31%. Os rotores tipo Darrieus desenvolvidos em 1927 pelo francês G.J.M Darrieus são os mais fortes concorrentes aos cata-ventos convencionais de hélices. São movidos por forças de "lift". Constituem-se de lâminas (duas ou três) curvas de perfil aerodinâmico atadas pelas duas pontas ao eixo vertical. Em rotação, suas lâminas são curvadas por força centrífuga até um diâmetro aproximadamente igual a distância entre as pontas, assumindo a forma de uma catenária. Podem atingir alta velocidade, mas o torque de partida é aproximadamente nulo. Várias configurações podem ser concebidas. Estes rotores podem ser combinados a outros rotores para aumentar o torque de partida. Sua eficiência é alta, quase comparável aos tipos convencionais de cata-ventos. As turbinas com torre de vórtice são unidades mais compactas do que outros cata-ventos, fixada uma potência de saída. Estão em estágio de desenvolvimento. Pás Construtivamente, as pás podem ter as mais variadas formas e empregar os mais variados materiais. Em particular, pás rígidas de madeira, alumínio, aço, fibra de vidro, fibra de carbono e/ou Kevlar são os mais promissores. Fibras de vidro: Materiais compostos reforçados com fibra de vidro oferecem boa resistência específica e resistência à fadiga, bem como os custos competitivos para as pás. É o material utilizado em quase todas as pás dos aero geradores dos parques eólicos da Califórnia (EUA), e já foi utilizado em rotores de até 78m de diâmetro. As pás em materiais compostos possibilitam uma geometria aerodinâmica lisa, contínua e precisa. As fibras são colocadas estruturalmente nas principais direções de propagação das tensões quando em operação.

25 25 Aço: Os aços estruturais são disponíveis a custo relativamente baixo no mercado interno de alguns países, e há bastante experiência na sua utilização em estruturas aeronáuticas de todos os tamanhos. No entanto, uma desvantagem do aço é que as pás nesse material tendem a ser pesadas, o que acarreta aumentos de peso e custo de toda a estrutura suporte. Pás de aço necessitam de proteção contra a corrosão, para a qual existem diversas alternativas possíveis. Madeira: Essa fibra natural, que também constitui um material composto, evoluiu ao longo de milhões de anos para suportar cargas de fadiga induzidas pelo vento, que tem muito em comum com aquelas a que são submetidos os rotores de aero geradores. A madeira é amplamente utilizada no mundo para pás de rotores pequenos (até 10 m de diâmetro). O baixo peso da madeira é uma vantagem, mas deve-se cuidar para evitar variações do teor de umidade interna, o que pode causar degradação das propriedades mecânicas e variações dimensionais, que enfraquecem a estrutura das pás e podem causar rompimentos na estrutura. Alumínio: a maior parte dos aero geradores do tipo Darrieus usam pás feitas de ligas de alumínio, entrudadas na forma de perfil aerodinâmico. Entretanto, ligas de alumínio não têm limite inferior de tensão de fadiga, à medida que os ciclos de carregamento são aumentados, e este comportamento sempre tem levantado dúvidas quanto à possibilidade de se atingir a longa vida de 20 anos ou mais para um rotor de alumínio. Fibra de carbono e/ou Kevlar: são materiais compostos mais avançados, que podem ser utilizados em áreas críticas (longarina da pá, por exemplo), para melhorar a rigidez da estrutura. Tem sido utilizados experimentalmente, mas tais materiais tem preços altos demais para serem utilizados nos aero geradores economicamente mais competitivos. A maioria dos rotores modernos tem duas ou três pás. Projetistas têm escolhido geralmente duas pás com base no argumento de que o custo de duas pás é menor que o de três. Outros argumentam que o custo extra da terceira pá é compensado pelo comportamento dinâmico mais suave do rotor

26 26 de três pás, e que o custo total do aero gerador é virtualmente idêntico quer se usem duas ou três pás. Um rotor de três pás fornece oscilações menores de torque no eixo, o que simplifica a transmissão mecânica. Se um rotor de duas pás é escolhido - pelo menos para aero geradores grandes - é usual se ter o rotor articulado, isto é, permitindo uns poucos graus de movimento perpendicular ao eixo de rotação. Com um cubo articulado, cada pá, ao passar pelo topo do círculo de rotação - onde a velocidade do vento é maior devido ao gradiente vertical - move-se um pouco para trás; ao mesmo tempo a outra pá, no curso inferior do círculo de rotação - onde o vento é menor - move-se para frente. Este movimento de articulação alivia significativamente as tensões na raiz das pás, e o consequente custo/benefício mais do que compensa pelo custo extra da articulação no cubo. Como o peso próprio das pás introduz cargas cíclicas na raiz (no plano de rotação), e também penaliza a estrutura da torre, as pás devem obedecer ao critério de peso mínimo, resistência à fadiga e rigidez estrutural. Rotores modernos com mais de três pás são apenas usados quando se necessita de um grande torque de partida, o que é basicamente o caso de bombeamento mecânico de água. Aerodinamicamente, no entanto, grande número de pás e alto torque de partida implicam em menor eficiência. O rotor deve ser fabricado com grande esbeltes, precisão nos perfis aerodinâmicos, bom acabamento superficial, que são requisitos para maximizar a eficiência aerodinâmica. Transmissão/ Multiplicação A velocidade angular de rotores varia habitualmente na faixa de 15 a 220 rpm devido a restrições de velocidade na ponta da pá (tangenciais), que operam na ordem de 50 a 110m/s, quase independentemente do tamanho do diâmetro. Como geradores trabalham, sobretudo geradores síncronos, há rotações bastante altas (comum entre 1200 e 1800 RPM), torna-se necessária à instalação de sistemas de multiplicação entre o eixo do rotor e o eixo do gerador. Isto significa geralmente um multiplicador convencional, com dois ou três estágios de engrenagens, apesar de transmissões metálicas também

27 27 terem sido experimentadas. Nos aero geradores conectados às redes de distribuição elétrica, a rotação no gerador é de, tipicamente, 1500 rpm ( para 50 Hz ) e de 1800 rpm (para 60Hz). Para aplicações onde a rede é de alta potência, o simples e confiável gerador de indução (assíncrono) pode ser usado; a rotação é então mantida dentro de certa porcentagem da rotação síncrona (um pequeno ângulo de "escorregamento" é essencial para a operação deste tipo de gerador). Devido a esta pequena (mas finita) margem de velocidades é permitida alguma absorção de energia das flutuações rápidas de vento na forma de energia cinética do rotor pela sua inércia. Desta forma, as flutuações de cargas nas engrenagens da caixa de multiplicação são levemente suavizadas. Para alguns rotores de tamanhos pequenos, é possível a conexão direta, pois, por exemplo, rotores de 1m de diâmetro podem atingir rotações de até 2000 RPM. Também, para potências na ordem de poucos quilowatts, geradores especiais podem ser construídos, com baixa rotação, para conexão direta aos rotores. Para potências acima de 1 a 2 kw, e rotores com mais de 3m de diâmetro, a regra geral é a utilização de alguma forma de multiplicador de velocidades entre o rotor e o gerador. Correias, correntes e transmissões hidráulicas têm sido utilizadas, mas a forma mais amplamente utilizada e provavelmente com maior sucesso é a transmissão por engrenagens, nas suas várias formas, desde engrenagens de dentes paralelos a dentes helicoidais, sistemas planetários ou não. A multiplicação por engrenagens é a de maior eficiência. Multiplicação por correias ou correntes tem a possibilidade de baixos custos, porém são viáveis apenas para pequenas potências. Geradores A transformação de energia mecânica de rotação em energia elétrica através de equipamentos de conversão eletromecânica é um problema tecnologicamente dominado. Grupos geradores são correntemente industrializados e comercialmente disponíveis. A problemática na integração dos grupos geradores existentes a sistemas de conversão eólica envolve:

28 28 Variações na velocidade do vento (extensa faixa de rotações por minuto para a geração); Variações do torque de entrada (posto que variações na velocidade do vento induzem variações de potência disponível no eixo conjunto gerador); Exigência de frequência e voltagem constante na energia final produzida; Facilidade de instalação, operação e manutenção de tais engenhos devido ao isolamento geográfico de muitos desses sistemas, sobretudo em caso de pequena escala de produção ( isto é, alta confiabilidade dos equipamentos); Baixos custos. Para aplicações isoladas, onde geralmente o objetivo é carregar baterias, existem duas opções: gerador de corrente contínua ou gerador síncrono com retificador. Em geradores DC não há necessidade de controle da velocidade do rotor e a tensão é independente de velocidade constante, uma vez que se exerce um controle sobre o campo, entretanto geralmente são mais pesados, mais caros, a fabricação é principalmente para baixas potências, necessita de regulador de tensão acoplado ao campo e de manutenção periódica. No Brasil, para potências maiores que 1 KW, são usados os geradores síncronos com retificador. Geradores e alternadores automotivos são produzidos em grande quantidade, têm baixo custo (por Watt), e têm assistência técnica em praticamente todo o território nacional. No entanto, existem apenas para potências abaixo de 1 KW (os mais comuns são de Watts), têm baixa eficiência e alta rotação, o que faz de seu uso um compromisso técnicoeconômico difícil. Já para os aero geradores conectados à rede, as principais opções que existem são: geradores síncronos, geradores assíncronos (de indução) e geradores de comutador de corrente alternada. O tipo de gerador decididamente influencia o comportamento em operação do aero gerador e suas interações com a rede. As tensões mecânicas e as

29 29 flutuações rápidas de potência gerada diminuem quanto maior for à capacidade e a amplitude das variações de rotação permissíveis no gerador. Torre As torres que elevam os rotores a altura desejada, estão sujeitas à inúmeros esforços. Primeiramente forças horizontais devem ser levadas em conta: resistência do rotor ("drag") e da própria torre à força do vento. Em seguida, forças torcionais, impostas pelo mecanismo de controle de rotação da gávea giratória e esforços verticais (peso do próprio equipamento), não devem ser desprezados. Quanto ao material, as torres podem ser de aço (em treliças ou tubulares), ou tubulares de concreto. Para aero geradores menores, é possível a utilização de torres de madeira sobre um poste de eucalipto com estais de aço. A torre suporta a massa da naquele e das pás; as pás, em rotação, excitam cargas cíclicas no conjunto, com a frequência da rotação e seus múltiplos, e assim uma questão fundamental no projeto da torre é a sua frequência natural, que deve ser desacoplada das excitações para evitar o fenômeno de ressonância, o qual aumenta a amplitude das vibrações e tensões resultantes e reduz a vida em fadiga dos componentes, entre outros efeitos desagradáveis. Logo após 1973, a primeira geração de aero geradores (ditos modernos) foi projetada com torres rígidas, com frequências naturais bem acima das forças de rotação do rotor. Entretanto, esse enfoque conduziu a torres desnecessariamente pesadas e caras. À medida que a compreensão dos problemas dinâmicos de aero geradores foi aumentando, durante a última década, tornou-se possível aero geradores mais leves, que são consequentemente menos rígidos, mas também significativamente mais baratos que seus antecessores. Desde que tenha as suas frequências naturais desacopladas das da excitação do rotor, as torres podem ser estaiada ou não. De modo geral, as frequências

30 30 naturais de uma torre estaiada podem ser melhor reguladas variando-se a tensão de estaiamento. Interessante notar que um estaiamento por barras de aço é preferível ao uso de cabos, pois estes são mais elásticos e necessitam de pré-tensões muito maiores do que as que seriam necessárias em barras para atingir a mesma frequência natural, numa mesma configuração. Um aero gerador moderno constitui uma estrutura esbelta, com a massa das pás em rotação sobre uma torre, excitando cargas cíclicas sobre todo o sistema. Um problema básico do projeto é determinar todos os modos e frequências naturais de vibração dos componentes, em especial pás e torre, para evitar ressonância com as frequências de excitação do rotor em operação. A ressonância causa aumento das amplitudes de carregamento cíclico no sistema, comprometendo a resistência à fadiga e reduzindo a vida útil prevista para o aero gerador, que é de aproximadamente 20 anos.

31 31 Inversor Turbina Eólica Figura 4 Inversor Transformador Modelo: Inversor Meind 12V CC para 110V CA 200W

32 32 Finalidade: Usaremos o inversor transformador para converter a corrente continua vinda da bateria, em corrente alternada ligada ao disjuntor. Introdução: As baterias e mesmo pilhas fornecem baixas tensões contínuas não servindo para alimentar aparelhos ligados na rede de energia. Os inversores ou conversores CC AC são aparelhos que podem converter as baixas tensões de bateria (geralmente de 12 V de carro ou caminhão), ou mesmo de um conjunto de pilhas grandes, em uma alta tensão alternada (geralmente 110 V ou 220 V) para alimentar aparelhos que são plugados na rede de energia. Muitas pessoas desejam ligar aparelhos de uso doméstico (e portanto projetados para funcionar com 110 V ou 220 V) no carro ou mesmo alimentálos por pilhas e baterias. Se bem que tais aparelhos, em geral, tenham consumo elevado e por isso não se recomenda o uso com baterias ou pilhas, existem situações em que não se pode escapar disso. É o caso de sistemas de iluminação de emergência que usam lâmpadas fluorescentes, pequenos televisores que devam ser usados em acampamentos ou locais em que não rede de energia, e até mesmo eletrodomésticos do tipo barbeador, ventilador, etc. Para converter a energia disponível em baterias na forma de uma baixa tensão contínua para alta tensão alternada são usados circuitos denominados inversores ou conversores DC/AC.

33 33 Funcionamento: Figura 5 Componentes de um inversor Um inversor desse tipo é formado por um circuito oscilador de potência que converte a tensão contínua pura em tensão contínua pulsante para que ela possa ser aplicada a um transformador. Isso é necessário pois os transformadores só podem operar com correntes que variam, e uma corrente contínua pura não passaria por esse componente. O transformador é o elemento seguinte do circuito e sua finalidade é elevar os pulsos de baixa tensão do oscilador, obtendo-se em seu secundário uma alta tensão alternada. É importante observar que na maioria dos circuitos, a tensão alternada não é perfeitamente senoidal, mas sim dotadas de alguns picos que podem ser perigosos se os aparelhos alimentados forem sensíveis. Normalmente, os osciladores são otimizados para que a tensão seja a mais próxima possível da senóide, no entanto, isso nem sempre ocorre. Outro problema comum nesses circuitos é o fato da frequência nem sempre ser de 60 Hz. Muitos inversores que se destinam à lâmpadas fluorescentes e outros aparelhos não sensíveis à frequência podem operar com frequências mais altas, entre 200 e 1000 Hz. Um ponto crítico no projeto do inversor é a qualidade do transformador. De fato, esse componente determina o rendimento do circuito e se não for bem dimensionado, a maior parte da energia pode ser perdida na forma de calor.

34 34 Energia não se cria: Um fato comum que ocorre com os que pretendem usar inversores é que eles pensam que a energia pode ser criada. Muitos acham que a partir de um jogo de pilhas ou bateria, pode-se elevar a tensão a ponto dela poder alimentar grandes televisores, geladeiras e outros aparelhos de alto consumo. Energia não pode ser criada. A capacidade de fornecimento de energia de baterias e pilhas é bastante limitada. Por exemplo, se uma bateria pode fornecer uma corrente máxima de 10 A com 12 V, sua potência máxima é 120 W. Isso, significa que, se convertermos os 12 V dessa bateria para 120 V a corrente máxima teórica será 1 A e nenhum aparelho de mais de 120 W poderá ser alimentado. Isso é claro, supondo que 100% da energia possa ser convertida, o que não ocorre na prática. Figura 6 Exemplo de conversão da energia Assim, a maioria dos inversores é de baixa potência e quando operam no limite a duração da carga da bateria ficará reduzida proporcionalmente. Veja então que ao usar um inversor é preciso observar que não é possível criar energia, assim, a bateria usada deve ter potência compatível com o aparelho alimentado e sua autonomia dependerá justamente disso. Assim, normalmente uma bateria de carro não pode fornecer energia por mais do que umas poucas horas a qualquer aparelho de consumo mais elevado

35 35 como, por exemplo, um pequeno televisor. Por outro lado, aparelhos cujo consumo seja superior a 100 W dificilmente podem ser alimentados mesmo com conversores, pois as baterias é que não dão conta da energia a ser fornecida. Por exemplo, para 240 W de potência usando uma bateria de 12 V, mesmo se tivéssemos um conversor de 100% de rendimento (o que não ocorre na prática) a corrente drenada seria da ordem de 20 ampères! Uma bateria de 30 Ah teria a capacidade de alimentar tal aparelho por apenas 1 hora e meia! Inversores são indicados apenas para alimentar pequenos equipamentos como lâmpadas fluorescentes em sistemas de emergência, computadores quando falta energia (no break), ou outros equipamentos cujo consumo não seja elevado. Mesmo assim, eles devem ser usados apenas quando não se dispõe da energia da rede de corrente alternada, observando-se a autonomia da sua fonte de alimentação. Trabalhando com inversores: Para o profissional é muito importante saber que tipo de inversor é recomendado para uma determinada aplicação. Se equipamentos sensíveis forem alimentados de forma indevida podem ocorrer danos. Damos a seguir as principais especificações de tais aparelhos para as quais o profissional deve estar atento: a) Potência de saída: O leitor deve estar certo de que o inversor pode fornecer a potência que o aparelho a ser alimentado exige, dando certa margem de segurança para que os componentes não trabalhem no limite. Por exemplo, se vai ser alimentada

36 36 uma lâmpada fluorescente de 40 W o inversor deve ser capaz de fornecer pelo menos 50 W de potência. b) Forma de onda Muitos inversores fornecem correntes de saída com formas de onda que não são senoidais. Lâmpadas fluorescentes e incandescentes não são sensíveis às formas de onda, mas existem aparelhos que não podem ser usados com conversores que não tenham uma saída senoidal de 60 Hz. c) Performance Deve-se optar pelo inversor que tenha o maior rendimento possível. Normalmente acima de 70%. d) Isolação A alta tensão da saída de inversores pode causar choques perigosos. Verifique a qualidade do isolamento do sistema que alimenta o aparelho externo. e) Colocação da bateria Ao instalar um inversor com uma bateria não selada cuide para que ela fique em local ventilado, pois os gases que ela produz são tóxicos. f) Conexões As conexões do inversor à bateria devem ser feitas com fios grossos, pois a corrente normalmente é intensa. O cabo da bateria ao inversor deve ser o mais

37 37 curto possível. Na figura mostramos o modo típico de instalação de um inversor. Figura 7 Instalação de um inversor

38 38 Bateria Turbina Eólica Figura 8 - Bateria Modelo: Bateria Moura 40 Ah - M40FC

39 39 Introdução: A bateria é um componente indispensável no projeto, e tem suas especificas funções: Acumulador de energia sob forma química que será transformada em elétrica. A bateria é uma fonte independente da turbina eólica, ou seja, com a turbina desligada deverá fornecer energia elétrica para alimentar os consumidores (15 lâmpadas de LED). Com a turbina em funcionamento, a bateria se recarrega, acumulando parte da energia elétrica produzida pelo dínamo. Construção interna: A bateria é um conjunto de acumuladores ácido-chumbo que armazenam energia elétrica na forma química. Internamente, a bateria é constituída de elementos, vasos ou células, cuja quantidade varia de 3 a 6 vasos, conforme a tensão da bateria. A tensão nominal em cada vaso é de 2,1V e os mesmos são ligados em série. Figura 9 Vista interna de uma bateria

40 40 Observação: A tensão real da bateria é de 12,6V, mas para efeito de cálculo usamos a tensão nominal que é de 12V. Construção interna de cada vaso: Cada um dos vasos é formado por certos números de placas positivas, cujo material ativo é o peróxido de chumbo (PbO2) de coloração marrom e placas negativas onde o material ativo é o chumbo esponjoso (Pb) de coloração acinzentada. O material ativo é prensado em uma grade de chumbo e antimônio. Ligadas em paralelo entre si, estas placas são separadas por separadores, os quais funcionam como isoladores elétricos. Principais componentes de uma bateria: 1 Caixa plástica a prova de ácido; 2 Elementos da bateria a Placas positivas; b Placas negativas; c Separadores; 3 Solução ou Eletrólito Figura 10 Componentes de uma bateria

41 41 Figura 11 Vista em corte de uma bateria Eletrólito (solução de bateria): É a mistura de ácido sulfúrico com água destilada com uma proporção aproximadamente de 36% de ácido sulfúrico e 64% de água destilada. Fórmula do eletrólito - H2SO4 Densidade: É o peso de um dado volume de solução de bateria, dividido pelo peso de um volume igual ao da água pura. O peso específico da água pura é de 1,000: isto quer dizer que o eletrólito da bateria é de 1,260 a 1,280 vezes mais pesado que a água pura. A medida da densidade da solução de uma bateria é um teste básico do seu estado e carga, pois, a densidade do eletrólito diminui quando a bateria está descarregada.

42 42 Nível do eletrólito: Uma pequena diminuição do nível do eletrólito da bateria, temporariamente pode ser considerada normal, a evaporação e a ação química no processo de carga libertam átomos da água. Como por exemplo, no processo de carga existe a eletrolise da água, que liberta átomos de hidrogênio que escapam pelos furos dos respiros das tampas, fazendo com que o nível baixe. O nível do eletrólito da bateria deve ser verificado periodicamente (a cada 15 dias) e se necessário ser corrigido. Para isso, deve-se adicionar somente água destilada, até completar 1,5 cm acima das placas. Muitas baterias trazem na tampa uma marca do nível do eletrólito. Perda de carga: As baterias armazenadas sofrem uma perda constante de carga, mesmo que não sejam solicitadas para nenhum uso. Essas auto descargas, como são chamadas, variam em função da temperatura. Por exemplo: Uma bateria à temperatura de 35 o C poderá perder totalmente sua carga em pouco mais de um mês, enquanto que uma bateria armazenada à temperatura de 10 o C, pouco perderá em um ano. Tanto a umidade como a sujeira sobre a bateria pode provocar uma fuga de corrente entre os terminais da bateria e o chassi do automóvel, que provoca sua descarga. O ácido que se desprende da bateria além de causar sua descarga pode também atacar as chapas do automóvel. Portanto, é bastante importante manter os polos e a bateria sempre limpos e secos.

43 43 Cuidados com a bateria durante a carga: Retirar todas as tampas dos vasos (elementos) Limpar os polos da bateria para evitar mau contato; Corrigir constantemente o nível do eletrólito, se necessário; Verificar periodicamente (a cada hora) a densidade do eletrólito para evitar sobrecarga na bateria; Quando for conectar ou desconectar as garras nos polos da bateria, manter o carregador desligado para evitar faíscas; Não fechar curto-circuito na bateria para evitar faíscas. Essas faíscas pode causar uma forte explosão na bateria provocada pelos gases que o eletrólito libera durante o processo de carga; Observar as temperaturas que não devem estar abaixo de 10 o C nem acima de 50 o C; Nunca adicionar solução na bateria que está em uso normal. Se for necessário, corrigir o nível do eletrólito. Usar somente água pura ou destilada; Não deixar que uma bateria se descarregue completamente; Não armazenar bateria sobre chão ou solo de cimento por tempo prolongado; Conservar os polos da bateria limpos e secos para evitar a auto descarga e a formação de zinabre sobre os terminais e quadro suporte; Quando colocar as tampas nos elementos (vasos), observar se não foi esquecido nenhum plástico sobre os respiros.

44 44 Dínamo Turbina Eólica Figura 12 - Dínamo Especificações: 14V - 25 A W

45 45 Finalidade: Recompor a carga da bateria gasta durante a utilização das lâmpadas e fornecer energia elétrica aos componentes elétricos durante o funcionamento das lâmpadas, mantendo uma carga constante para garantir o bom funcionamento, bem como, uma maior vida útil de todo o sistema elétrico. Introdução: O dínamo é um gerador de corrente contínua, de circuito derivado, o que significa que o enrolamento do induzido e o enrolamento de excitação se acham ligados em paralelo. Figura 13 Vista interna de um dínamo A corrente necessária para excitação do campo magnético é produzida pelo próprio dínamo, sendo derivada do induzido (princípio da auto excitação). Os dínamos se dividem em dois grandes grupos, que são: 1º - Dínamo com corrente contínua: É aquele que fornece corrente contínua, isto é, corrente que circula num único sentido. 2º - Dínamo com corrente alternada: Também chamado alternador é aquele que fornece corrente alternada, isto é, corrente que circula num sentido e noutro alternadamente.

46 46 Quando o dínamo entra em funcionamento, existe entre as sapatas polares apenas um campo magnético fraco, resultante do magnetismo remanente. Quando as linhas de força do campo forem cortadas pelas espirais do induzido, em movimento giratório, produz-se nestas espirais uma tensão inicialmente fraca. Consequentemente, circulará uma corrente de excitação ainda fraca que reforçará o campo magnético existente. Assim aumentará também a tensão induzida nas espirais do induzido. Essa tensão, por sua vez, fará fluir uma corrente mais elevada na bobina de campo. Na medida em que aumenta a intensidade da corrente, também o campo magnético ficará mais intenso, até que o dínamo esteja completamente excitado, ou seja, até que nenhum aumento adicional da rotação e da corrente de excitação faça elevar ainda mais a potência do campo magnético, em virtude da saturação do núcleo de ferro. Inversão do sentido de rotação Um dínamo, acionado em sentido oposto ao correto, não pode excitar-se, visto o campo magnético remanente e a tensão serem de sinais opostos e se anularem reciprocamente, o sentido de rotação acha-se indicado na designação do dínamo através de uma seta valendo à esquerda ou à direita, visto sempre pelo lado oposto ao do coletor. Polarização do dínamo Antes de ser colocado em funcionamento, tanto na primeira montagem no veículo como após um conserto ou uma inversão do sentido de rotação, o dínamo deve ser sempre polarizado. Durante uns breves instantes, o dínamo deverá funcionar no novo sentido de rotação como no motor, isto é, o terminal positivo de uma bateria é conectado ao D+ do dínamo que será mais tarde o seu pólo positivo. E o pólo DF ligado diretamente com a massa. Procedendo dessa forma, o dínamo girará como se fosse um motor elétrico garantindo sua pré-excitação.

47 47 Figura 14 Principais componentes de um dínamo 01. Carcaça polar 02. Induzido 03. Borne de conexão 04. Coletor 05. Mancal, lado do coletor 06. Mancal, lado de acionamento 07. Sapata polar 08. Bobina de campo 09. Porta-escovas 10. Escova 11. Mola de escova

48 48 Turbina Eólica Regulador de Tensão Figura 15 Regulador de tensão Modelo: Gauss GA002 14V Finalidade: Tem por função regular a tensão de saída do dínamo, através do circuito de excitação.

49 49 Figura 16 Desenho de um regulador de tensão O princípio de regulagem de tensão consiste em comandar a corrente de excitação do rotor. Como visto na teoria do eletromagnetismo, quanto maior a corrente que circula numa bobina, maior será a intensidade do campo magnético produzido por ela. Esta variação de campo é que causará a variação da tensão produzida no alternador. Quando a tensão ultrapassar o valor máximo indicado, o regulador de tensão causará, segundo o regime de funcionamento, uma redução ou interrupção total da corrente de excitação. A excitação do alternador diminuirá, e consequentemente diminuirá a tensão produzida por ele. Isso se passa com tanta rapidez, que a tensão do alternador fica praticamente ajustada a um valor constante. Esta variação é tão rápida que ultimamente tem-se optado por reguladores eletrônicos, por não possuírem contatos móveis que se desgastariam com o tempo. Regulador eletrônico: O regulador eletrônico não possui contatos móveis, a tensão é regulada eletronicamente. Para esse fim existe os diodos, transistores, resistores e capacitores montados numa placa de circuito impresso. Não existe, pois, nenhum componente sujeito ao desgaste mecânico, com exceção das escovas.

50 50 Para isolarmos então o regulador do alternador, basta fazer uma ponte unindo D + e DF; quando isto é feito, a corrente de excitação do alternador é máxima. Observação: Nem sempre as causas das irregularidades no sistema de carga encontram-se no alternador ou regulador, podendo estar na bateria, cabos, correia, etc. O regulador não exige manutenção ou regulagem.

51 51 Turbina Eólica Rolamento Radial Figura 17 Rolamento de esferas Modelo: Rolamento Radial de Esferas O que é Rolamento: Rolamentos são apoios mecânicos montados nos eixos. Basicamente, são constituídos por dois anéis fabricados de aço especial, separados por fileiras de esferas, ou de rolos cilíndricos ou cônicos e estas esferas ou rolos são separados entre si por meio de porta esferas ou porta rolos. Tem como função

52 52 suportar eixos permitindo-os realizar movimentos rotacionais com facilidade, minimizar a fricção entre as peças móveis da máquina e suportar uma carga. Sempre que há rotação, existe a necessidade de alguma forma de mancal, seja por meio de rolamentos ou mancais de deslizamento. Rolamentos Radias de Esferas Os rolamentos radiais de esferas são compostos por um anel interno e um anel externo, com um porta-esferas com o número máximo de esferas de precisão. A construção do rolamento possui uma ranhura capaz de suportar cargas radiais e axiais em qualquer sentido, o que permitem operações em alta rotação e aplicações onde se requer baixo ruído. Algumas vantagens e desvantagens dos rolamentos em relação aos mancais de deslizamento são: Vantagens Menor atrito e aquecimento; Coeficiente de atrito de partida (estático) não superior ao de operação (dinâmico); Pouca variação do coeficiente de atrito com carga e velocidade; Baixa exigência de lubrificação; Intercambialidade internacional; Mantem a forma de eixo (não ocasiona desgaste do eixo); Pequeno aumento da folga durante a vida útil; Desvantagens Maior sensibilidade aos choques; Maiores custos de fabricação; Tolerância pequena para carcaça e alojamento do eixo; Não suporta cargas tão elevadas como os mancais de deslizamento;

53 53 Disjuntor Turbina Eólica Figura 18 - Disjuntor Modelo: Disjuntor unipolar Lorenzetti DLBE A

54 54 Finalidade: Os disjuntores têm o mesmo papel dos fusíveis. Ele é um sistema de segurança de um circuito elétrico, contra sobrecargas elétricas ou curtoscircuitos, que tem a função de cortar a passagem de corrente elétrica no circuito, caso a intensidade da corrente ultrapassar a intensidade limite que, normalmente, vem especificada nos próprios disjuntores. Uma boa característica dos disjuntores, é que, além de proteger a corrente, ele também serve como dispositivo de manobra, funcionando como interruptores normais que permitem interromper manualmente a passagem de corrente elétrica. Para reativar o disjuntor, basta que ligue a chave (dispositivo de manobra) novamente, enquanto que nos fusíveis queimados precisamos trocá-los por novos, podendo até tomar choque, quanto que isto não ocorre quando religamos o disjuntor. Foi escolhido um disjuntor unipolar de 2A, pois é o suficiente para uma tensão de 127V e passagem de corrente de 1A que as 15 lâmpadas irão utilizar. Existem vários tipos de disjuntores, sendo os mais comuns: Disjuntor Térmico: Um disjuntor térmico é um sistema eletromecânico simples e robusto. Em contrapartida, não é muito preciso e dispõe de um tempo de reação relativamente lento. A proteção térmica tem como função principal a de proteger os condutores contra os sobreaquecimentos provocados pelas sobrecargas prolongadas na instalação elétrica. Disjuntor Magnético: A proteção magnética tem como fim principal o de proteger os equipamentos contra as anomalias como as sobrecargas, os curto-circuito e outras avarias. Normalmente, é escolhida para os casos onde existe a preocupação de proteger o equipamento com muita precisão.

55 55 Disjuntor Termomagnético: É o mais utilizado em instalações elétricas residenciais e comerciais. Esse disjuntor possui 3 funções, sendo elas: Manobra: abertura e fechamento do circuito; Proteção contra sobrecargas: É realizado através de um atuador bi metálico (é uma placa composta de dois tipos de metais diferentes, onde num lado da placa predomina um tipo de metal, e no outro lado um metal diferente do primeiro.), que é sensível ao calor e provoca a abertura quando a corrente elétrica permanece, por um determinado período, acima da corrente nominal do disjuntor. Proteção contra curto-circuito: através de um dispositivo magnético desativa o disjuntor, quando ocorre um aumento instantâneo da corrente elétrica. Figura 19 Componentes de um disjuntor

56 56 Turbina Eólica Pás eólicas e hastes Figura 20 - Pás

57 57 Figura 21 - Hastes Função e Aplicação: A pá eólica é um componente fundamental na turbina. Ela irá captar a energia dos eventos dando rotações ao eixo. As três pás foram produzidas para ter o melhor rendimento possível, sendo leves e captando maior energia. Como foram produzidas: Foi utilizada uma chapa de alumínio de 2 mm de espessura e 500x440 mm. A chapa foi dobrada com o auxilio de um tubo para formar um raio de 600 mm. As pontas foram fixadas com quatro rebites. As hastes eram duas réguas de alumínio de 2000 mm de comprimento, 51 mm de largura e 18 mm de altura cada. A régua foi divida em 4 partes de 500mm, sendo que apenas 3 partes foram utilizadas. Montagem: Cada pá foi fixada a duas hastes por meio de cantoneiras e rebites para melhor fixação. Cada haste foi fixada ao eixo sendo parafusada em uma arruela já presa ao eixo.

58 58 Eixo Turbina Eólica Figura 22 Eixo com a polia Função e Aplicação: O eixo é o componente mais importante da turbina, pois é ele que transmite o torque do rotor da turbina ao rotor do gerador.

59 59 Como foi produzido: O eixo usado em nosso trabalho comprado. Montagem: Como o eixo foi comprado, as únicas adaptações que fizemos foram as buchas para fixação dos rolamentos, polia e arruelas.

60 60 Polias Turbina Eólica Função e Aplicação: A polia passa o torque do eixo para dínamo através de uma correia, e esse torque é transformado em energia para recarregar a bateria. Como foram produzidas: A polia que vai no eixo foi comprada pronta, precisando somente fazer um furo de 30 mm. Já para a polia que vai ao dínamo foi necessário fazer um furo de 15 mm e uma chaveta de 1,4 mm.

61 61 Turbina Eólica Base para sustentação da Turbina Figura 23 Base para sustentação do eixo e do dínamo Função e Aplicação: A base serve de suporte para o eixo e, dentro dela estão às polias ligadas tanto ao eixo quanto ao dínamo. Como foram produzidas: A base é feita de chapas de ferro usinadas, apresentado as seguintes medidas: 600 mm de comprimento, 400 mm de profundidade/largura, 400 mm de altura e 3 mm de espessura.

62 62 Montagem: A caixa foi feita com quatro chapas unidas por meio de uma solda elétrica. Uma chapa lateral foi cortada com uma borda de 50 mm de espessura e a tampa dela foi presa por 4 cantoneiras com 24 parafusos. A tampa possui um furo de 32 mm para a passagem do eixo, e possui duas flanges, uma para o alojamento do rolamento de base que fica dentro da caixa, e uma na tampa para alojamento do rolamento intermediário.

63 63 Lâmpada de LED Turbina Eólica Figura 24 Lâmpada de LED Modelo: Lâmpada de LED: 7W 0,045A 127V Finalidade: As lâmpadas serão ligadas com a energia gerada na turbina eólica.

64 64 Introdução Em uma lâmpada incandescente comum, menos de 10% da energia que passa por ela é transformada em luz. Os outros 90% de eletricidade são perdidos na forma de calor, por isso uma lâmpada desse gênero esquenta tanto quando fica acessa por muito tempo. Já pensando na economia de energia, surgiram as lâmpadas fluorescentes, que usam bem menos energia do que as sucessoras, mas possuem mercúrio em sua composição. Por isso, o LED surgiu como uma alternativa razoável. O LED nada mais é do que um diodo emissor de luz (ou Light Emitting Diode). Além de possuir um tamanho bem reduzido em relação às demais lâmpadas, o diodo possui uma taxa de luminosidade realmente boa. LED, o que é? O LED é um componente eletrônico semicondutor, ou seja, um diodo emissor de luz (L.E.D = Light emitter diode), mesma tecnologia utilizada nos chips dos computadores, que tem a propriedade de transformar energia elétrica em luz. Tal transformação é diferente da encontrada nas lâmpadas convencionais que utilizam filamentos metálicos, radiação ultravioleta e descarga de gases, dentre outras. Nos LEDs, a transformação de energia elétrica em luz é feita na matéria, sendo, por isso, chamada de Estado sólido (Solid State). O LED é um componente do tipo bipolar, ou seja, tem um terminal chamado anodo e outro, chamado catodo. Dependendo de como for polarizado, permite ou não a passagem de corrente elétrica e, consequentemente, a geração ou não de luz. Abaixo, na figura 25, temos a representação simbólica e esquemática de um LED.

65 65 Figura 25 Esquema de um LED O componente mais importante de um LED é o chip semicondutor responsável pela geração de luz. Este chip tem dimensões muito reduzidas, como pode ser verificado na figura 26, onde apresentamos um LED convencional e seus componentes. Figura 26 Componentes de um LED Na figura 27, apresentamos alguns tipos de LEDs encontrados no mercado Figura 27 Tipos de LEDs no mercado

66 66 Diferenças entre lampâdas de LED, Incandescente e Fluorescente Figuras 28 e 29 Comparações entre lâmpadas de LED, Incandescente e Fluorescente.

67 67 Turbina Eólica Planilha de custos

68 Turbina Eólica 68 FMEA

69 Figura 31 FMEA do Projeto 69

70 Turbina Eólica 70 Cronograma