RELATÓRIO DE ESTÁGIO 1/3 (primeiro de três) Período: de 01/09/2009 a 30/09/2009

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1 Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de Engenharia Mecânica CEP Florianópolis - SC - BRASIL estagio@emc.ufsc.br RELATÓRIO DE ESTÁGIO 1/3 (primeiro de três) Período: de 01/09/2009 a 30/09/2009 Voltalia Energia do Brasil Nome do aluno: Eduardo Victor Dias Nome do supervisor: Eng. Ricardo Barros Nome do orientador: Prof. Júlio César Passos Rio de Janeiro, 13 de janeiro de 2009

2 INDICE 1) Apresentação da empresa e de seus produtos ) Apresentação da área de atuação na empresa ) Descrição das atividades realizadas durante o período ) Introdução ) Revisão Bibliográfica )Torre... 6 Características e tipos de torre )Equipamentos de medição eólica... 6 a- Anemômetro... 7 b- Sensor de Direção... 7 c- Sensor de Temperatura... 7 d- Sensor de Pressão... 8 e- Sensor de Umidade... 8 f- Conectores... 8 g- Protetores... 8 h- Suportes... 8 i- Data logger... 8 j- Calibração ) Interferência da Torre ) Disposição dos equipamentos de medição eólica ) Materiais e Métodos Parâmetros construtivos a- Torre b- Equipamentos c- Disposição dos equipamentos ) Resultados e Discussão ) Conclusão ) Bibliografia... 15

3 1) Apresentação da empresa e de seus produtos VOLTALIA é uma empresa especializada na produção de eletricidade a partir de energias renováveis que atua na França, na Guiana Francesa, no Brasil e na Grécia. Ela concebe, desenvolve e explora centrais elétricas, apostando no uso das energias alternativas, escolhendo a fonte mais apropriada entre a hidráulica, a eólica, a solar ou a biomassa, para cada projeto. Atuando em países em desenvolvimento como o Brasil, onde os projetos se adaptam ao MDL (Mecanismo de Desenvolvimento Limpo), e por meio de uma atividade de aconselhamento e de negociação de créditos de carbono, a VOLTALIA se posiciona como uma operadora global em créditos de carbono. VOLTALIA se desenvolve segundo um modelo econômico que concilia o respeito ao meio ambiente, o desempenho energético e trocas harmoniosas entre o Norte e o Sul. Uma visão geral dos locais de atuação da Voltalia: Fonte: Figura 1 Localização dos projetos da empresa Cada fonte de energia possui suas particularidades em termos econômicos, o que implica em investimentos e rentabilidades diferentes. Na tabela abaixo, podem-se distinguir as diferentes características e as principais diferenças entre as energias desenvolvidas por VOLTALIA.

4 Figura 2 Comparativo entre as energias renováveis O mercado de energias renováveis está em grande crescimento, todos os setores inclusos: Figura 3 Comparação entre a produção das energias renováveis* * Fonte: ObservER, La production d'électricité d'origine renouvelable dans le monde, 8ème inventaire - Editions 2006 (ObservER, A produção de eletricidade de origem renovável no mundo, 8º inventário Edições 2006)

5 2) Apresentação da área de atuação na empresa O presente estágio está sendo realizado no departamento de energia eólica (Eólica), no escritório da Voltalia Brasil (Rio de Janeiro). Estado da arte Os aerogeradores modernos, freqüentemente chamados de geradores eólicos, vêm se beneficiando de grandes progressos nos últimos anos. Eles são seguros, eficazes e permitem uma produção elétrica descentralizada, sem poluição, sem emissão de gases do efeito estufa (GEE). Sua instalação requer uma estreita negociação com as populações durante o desenvolvimento dos projetos. Um aerogerador possui um mastro de 50 a 110 m de altura. No seu pico encontra-se uma estrutura equipada com um rotor de eixo horizontal e três hélices rotacionadas pelo vento. O diâmetro do círculo percorrido por elas varia de 40 a 120 m. O vento faz as hélices girarem entre 10 e 25 rotações por minuto. A energia mecânica assim produzida é transformada em energia elétrica graças a um gerador. A energia produzida é função da superfície percorrida pelas hélices. Os novos aerogeradores instalados na França desenvolvem geralmente uma potência média de 2 MW. A evolução dos aerogeradores é exponencial. Um país como a Alemanha dispõe mais de MW instalados. A França, que possui o segundo parque europeu, tem somente MW instalados. O mercado é, portanto muito promissor. Figura 4 Evolução acumulativa da potência instalada

6 3) Descrição das atividades realizadas durante o período 3.1) Introdução O estudo de um parque eólico passa por várias etapas, de forma geral divide-se em: desenvolvimento, construção e operação. Os projetos eólicos da Voltalia Brasil encontram-se na fase de desenvolvimento. Nesta fase, é necessária a elaboração de um projeto completo do parque, que envolve documentação do terreno, licenças ambientais, estudos de conexão e estudos do vento. Um dos documentos necessários se refere à Certificação dos dados de vento. Neste item, medições anemométricas, de no mínimo um (1) ano, realizadas no local devem ser apresentadas, juntamente com a previsão da energia produzida (anual e mensal). Para tal realiza-se a instalação de uma torre anemométrica no parque. Como primeiro relatório de estágio, as características relativas a instalação de uma torre e disposição dos equipamentos serão apresentadas e discutidas. 3.2) Revisão Bibliográfica 3.2.1)Torre Características e tipos de torre Auto-portante: normalmente utilizadas para telecomunicações. Possui uma grande estrutura, uma base larga, é mais cara e robusta, seu custo-benefício se torna justificado para o caso de medições em longo prazo ou no caso de terrenos muito acidentados, como em montanhas. Figura 5: torre auto-portante. Fonte Estaiada: Uma torre menos robusta que uma auto-portante, sua sustentação está na fundação e em estaios (cabos). O terreno tem que ser relativamente plano para a fixação dos estaios. Figura 6: torre estaiada Fonte Estrutura do corpo ( mast ) da torre: Estrutura tubular: Não-vazada o que pode dificultar o transporte. Não há um valor específico que limite a altura. Estrutura treliçada: Vazada, o que pode facilitar o transporte e a montagem. A seção transversal é geralmente triangular. Não há um valor específico que limite a altura )Equipamentos de medição eólica

7 A medição do vento é feita por um conjunto de equipamentos: sensores de velocidade, sensores de direção, sensores de temperatura e data logger. a- Anemômetro A medição da velocidade do vento é feita por anemômetros. Existem muitos tipos como ultrasônico, que detecta o deslocamento de fase do som ou anemômetro laser, que mede a reflexão da luz nas moléculas do ar. Em sua forma mais comum e mais utilizada, os anemômetros são compostos de três receptores ( cups ) que giram em torno de um eixo vertical. O número de revoluções é registrado eletronicamente para se realizar o cálculo da velocidade. Recomendações internacionais [IEA, 1999] e [IEC, 2006] prevêem registros de médias num intervalo de integração de 10 minutos. Dentre as marcas e modelos situados no mercado podemos citar: Thies , NGR maximum #40, Vaisala WAA 151, Riso P2445b e Vector L100K. anemômetro ultra-sônico Fonte anemômetro laser Fonte Figura 7 modelos de anemômetros fonte ACCUWIND b- Sensor de Direção O conjunto que mede a direção é composto basicamente por uma cauda, chamada vane e um potenciômetro. Um sinal de tensão, proporcional à direção do vento, é produzido quando uma excitação elétrica é aplicada ao potenciômetro. Estes dados são registrados para a determinação da direção. Figura 8: sensor de direção Fonte c- Sensor de Temperatura

8 O conjunto que mede a temperatura normalmente é bem simples, sendo composto de um sensor que excitado por determinada tensão gera uma tensão de saída proporcional a temperatura ambiente. Como o perfil do vento é uma função do gradiente de pressão e do gradiente de temperatura, esta é utilizada para validar os dados do anemômetro. d- Sensor de Pressão Figura 9 sensor de temperatura Fonte Relatório BRASELCO, doc. 006/VOL/08 Os sensores de pressão eletrônicos são montados diretamente no ponto de medição. O sensor de pressão converte o sinal (pressão) do fluido, num sinal de saída de corrente. Após o sinal é amplificado, linearizado e compensado em função da temperatura do fluido. e- Sensor de Umidade Equipamento que detecta a quantidade de vapor d água presente no ar nas condições de temperatura e pressão locais. Obs.: Como o perfil de velocidade do vento é uma função, principalmente, da variação de temperatura e da pressão, os resultados dos sensores c, d e e são utilizados para validação dos dados do anemômetro. f- Conectores Há ainda elementos de conexão entre os equipamentos, como cabos e condicionadores de sinais. Caso os componentes sejam de marcas diferentes, é necessário verificar a compatibilidade entre os equipamentos. Talvez seja necessário de equipamentos extras como outros condicionadores de sinais ou conversores. g- Protetores Componentes que visam a proteção dos equipamentos também estão presentes no conjunto, como caixas que envolvem os instrumentos e supressores de descargas elétricas. h- Suportes Também deve estar presente no conjunto, hastes de suporte para os sensores. O comprimento do braço da haste de suporte do anemômetro deve ter em torno de cinco vezes o diâmetro da seção transversal da torre ou no mínimo 1500 mm, segundo recomendação da IEA. i- Data logger O armazenamento das informações é feito por um data logger, também chamado anemógrafo, normalmente alimentado por baterias, mas existem modelos alimentados por painéis fotovoltaicos. O data logger é dotado de canais de entrada elétrica, aptos a receber sinais emitidos por sensores, medir sua intensidade e armazená-los. È necessário observar a capacidade de memória interna, o período de armazenamento e a forma de coleta de dados. Alguns modelos possuem a possibilidade de transmissão de dados automática (por telemetria de dados, via modem, gsm, rádio, satélite, etc) neste caso, deve-se observar a qualidade da conexão na área. Uma alternativa é a coleta manual dos dados, deslocar-se até o local e armazenar os dados em um cartão de memória externo ou ainda trocar o cartão de memória do data logger. Estes cartões de memória são usualmente do tipo MMC.

9 Figura 10: data logger Fonte Os principais parâmetros eólicos registrados no data logger são os seguintes: Tabela 1 parâmetro registrados pelo anemógrafo (data logger). Sensor Parâmetros Eólicos Velocidade Média aritmética, desvio padrão, máx. e mín. Direção Média vetorial, desvio padrão, máx. e mín. Temperatura Média aritmética, desvio padrão, máx. e mín. j- Calibração Deve-se observar, além das características dos equipamentos, se estes estão calibrados ou não. Como o princípio de medição dos equipamentos é o mesmo (transformação de um sinal de grandeza mecânica em um sinal elétrico) a calibração dos instrumentos fornece, além da incerteza associada a esta transformação, sua função de transferência. Existem funções de transferência gerais, mas é recomendável obter a função de transferência para cada equipamento de forma individualizada. È comum o data logger realizar os cálculos de transferência internamente mostrando assim o resultado na grandeza desejada (temperatura em C, pressão em hpa, direção em, etc), mas caso ele falhe, com a função de transferência pode-se facilmente obter os resultados na grandeza desejada. A medição para energia eólica necessita ser rigorosa em relação às incertezas, principalmente em relação à velocidade do vento. Segundo a WindPower (2003), um bom anemômetro deve ter a incerteza em torno de 1%. Isto se faz necessário porque o cálculo da potência gerada é uma função da velocidade do vento ao cubo ) Interferência da Torre A presença da torre causa interferência no escoamento do ar. Cuidados devem ser tomados a fim de esta interferência influenciar o mínimo possível nas medições. Os sensores devem ser posicionados de forma que a direção predominante do vento atinja primeiramente os sensores, e posteriormente a torre. Obviamente, devido a natureza variável da direção do vento, haverá períodos onde o efeito de esteira da torre estará presente. Uma simulação numérica pode mostrar as regiões de maior influência.

10 Figura 11 Campo de velocidades em torno de uma torre de seção triangular Figura 12 Zoom da figura 6.

11 Outro fator a ser observado é o comprimento dos braços que sustentarão os anemômetros, o comprimento do braço deve ter em torno de cinco vezes o diâmetro* da seção transversal da torre ou no mínimo 1500 mm, segundo recomendação da IEA(1999). Se for inevitável que os anemômetros captem influência da torre na medição do vento, é preferível que estes captem a mesma interferência, a fim de validar as correlações, por isso os sensores devem ficar do mesmo lado. O mesmo ocorre para os sensores de direção. Obs.: Caso a seção transversal da torre não seja circular, o diâmetro estimado é o diâmetro hidráulico D h. 4A Dh = P Onde: A = área da seção transversal e P = perímetro da seção transversal. (1) 3.2.4) Disposição dos equipamentos de medição eólica A norma IEC regulamenta e fornece sugestões para a disposição dos equipamentos de medição. Um arranjo apropriado dos instrumentos é importante para a exatidão da medição. O anemômetro, em particular, merece bastante cuidado e deve estar localizado onde há a mínima distorção do escoamento, seja causada pela torre ou pelos braços de suporte. A menor distorção do escoamento é captada quando o anemômetro é instalado no topo da torre anemométrica. Quando os anemômetros estão instalados lateralmente, a influência da torre deve ser considerada. Os limites para a instalação dos equipamentos podem ser observados através de uma série de ilustrações presentes na norma: Figura 13 Anemômetro instalado no topo

12 Figura 14 Anemômetros (2) instalados no topo. Figura 15 Anemômetros (2), sensor de direção, balizamento (sinalização) e sensor de pressão.

13 Figura 16 Anemômetros (2) na lateral e no topo da torre, sensor de direção, balizamento e sensor de pressão. 4) Materiais e Métodos Este documento propicia uma divulgação do conhecimento técnico na área de torres e equipamentos de medição eólica (materiais) para que o engenheiro possa adequar a melhor configuração de tipo de torre, equipamentos e disposição destes à necessidade do parque. As escolhas irão mudar de parque para parque devido a variáveis como orografia, clima e localização. Aconselha-se seguir a metodologia abaixo: Parâmetros construtivos a- Torre O ideal é que haja sensores na altura que será instalado o hub do aerogerador, evitando assim a necessidade de correções e estimativas. Com a altura do hub ou sua estimativa, define-se a altura da torre e através de uma análise de custo-benefício, seu tipo e estrutura: altura da torre - h h típicas = entre 50 e 100 m tipo da torre Estaiada Auto-portante estrutura treliçada tubular É necessário levantar outros dados da torre, variáveis de acordo com o fornecedor. outras informações (seção transversal, pintura, pára-raios) local da entrega montagem no local (prazo) ferragens para colocação dos sensores (suporte, comprimento, descrição) instalação dos sensores (descrição) sistema anti-escala seguro anti-furto

14 balizamento da torre (regras DAC e Ministério da Aeronáutica) tipo de fundações Balizamento: conjunto de equipamentos de sinalização, compostos normalmente por: luminária com luz de baixa intensidade (10 candelas), alimentador fotovoltaico, controlador de carga, bateria e cabos conectores. Para torres maiores que 50 m é necessário, além do balizamento do topo, um balizamento intermediário. Obs.: Posteriormente será necessário o envio do projeto completo para o COMAR (Comando Aéreo Regional). b- Equipamentos Escolher os equipamentos, realizando uma análise de custo-benefício, informações na seção deste mesmo relatório. c- Disposição dos equipamentos Escolher a disposição dos equipamentos, segundo a norma IEC , apresentada na seção 3.2.4, deste mesmo documento. 5) Resultados e Discussão Este relatório é um documento informativo sobre torres anemométricas, contemplando suas características, os equipamentos de medição e sua disposição. Com as informações deste documento confeccionou-se uma planilha para a realização de um pedido de uma torre anemométrica, o que irá agilizar o trabalho na empresa além de divulgação deste conhecimento técnico. Realizador do pedido: Revisor do pedido: altura da torre m PEDIDO DE UMA TORRE ANEMOMÉTRICA tipo da torre Estaiada Auto-portante Estrutura treliçada tubular Outras informações (seção transversal, pintura, pára-raios) local da entrega montagem no local (prazo) ferragens para colocação dos sensores (suporte, comprimento, descrição) instalação dos sensores (descrição) sistema anti-escala (S/N): seguro anti-furto balizamento da torre (descrição) tipo de fundações torre anemômetro marca: tipo configuração: EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO

15 Sugestão de configuração: 60m: 1 a 20m, 1 a 40m e 2* a 60m 80m: 1 a 20m, 1 a 60m e 2* a 80m 100m: 1 a 20m, 1 a 60m e 2* a 100m Sensores de direção marca: Sugestão de configuração: 60m: 1 a 40m e 1 a 60m Sensor de temperatura Sugestão de configuração: Datalogger: Sensor de pressão Sugestão de configuração: Sensor de umidade relativa Sugestão de configuração: Conectores Protetores 80m: 1 a 60m e 1 a 80m 100m: 1 a 80m e 1 a 100m altura: de 15m a 20m compatibilidade com marcas diferentes (S/N): altura (sugestão: idem temperatura): alimentação e duração: periocidade da retirada dos dados: transmissão dos dados: marca: idem direção marca: idem temperatura compatibilidade entre os equipamentos (S/N): descrição: Suportes descrição: conformidade com IEA (comprimento p/ anemômetros) prazo de entrega pagamento seguros validade da proposta garantia dos equipamentos em relação ao local (montanha, maresia...) CONDIÇÕES COMERCIAIS DA PROPOSTA plano de manutenção Figura 17 Visualização da planilha Pedido de uma torre anemométrica. 6) Conclusão As principais conclusões alcançadas com o estudo foram as seguintes: - Deve-se minimizar a influência do efeito de esteira da torre nos equipamentos de medição. Para quantificar este efeito e escolher a região menos afetada, deve-se analisar as figuras (11) e (12) que foram resultadas de simulação numérica. Regiões boas são aquelas com influência menor que ±1% da velocidade de vento incidente. - O engenheiro tem ao seu dispor uma grande variabilidade de tipos de torre, equipamentos e disposição destes, porém sua escolha deve seguir padrões rigorosos, regulamentados por norma (IEC e IEA Recommended practices for Wind turbine testing part 11). 7) Bibliografia

16 ObservER, La production d'électricité d'origine renouvelable dans le monde, 8ème inventaire - Editions 2006 (ObservER, A produção de eletricidade de origem renovável no mundo, 8º inventário Edições 2006) Pesquisa em nas seções, wind speed measurement in practice e wind speed measurement: anemometers. Acesso em 23/10/2008. Pesquisa em Estudos para licitação da expansão da geração Empreendimentos Eólicos Instruções para o cadastramento e habilitação técnica com vistas à participação nos leilões de energia. Nº EPE-DEE- 160/2007-r1; 07/02/2008 IEA, Recommended practices for Wind turbine testing part 11: Wind Speed measurement and use of cup anemometry, Internacional Standard, Paris France, IEC, Wind Turbines Generations part 12-1: Power measurement of electricity producting wind turbines, Internacional Standart, Geneva Switzerland, Nota técnica Disposição de equipamentos de medição eólica segundo IEC Eduardo Dias, GWEC Global Wind Energy Council (2007) - Design & production: