PROJETO DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL. Eduardo Ribeiro Rei Gomes da Silva

Transcrição

1 PROJETO DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL Eduardo Ribeiro Rei Gomes da Silva Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Prof. Flávio de Marco Filho Rio de Janeiro Março de 2014

2 PROJETO DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL Eduardo Ribeiro Rei Gomes da Silva PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Examinado por: Prof. Flávio de Marco Filho. Prof. Anna Carla Monteiro de Araujo Prof. Thiago Gamboa Ritto RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL MARÇO DE 2014

3 Silva, Eduardo Ribeiro Rei Gomes da Projeto de uma Turbina Eólica de Eixo Horizontal/Eduardo Ribeiro Rei Gomes da Silva - Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, VIII, 67 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Flávio de Marco Filho Projeto de Graduação UFRJ/ Escola Politécnica/Curso de Engenharia Mecânica, Referências Bibliográficas: p Projeto Mecânico. 2. Dimensionamento dos Componentes. 3. Conclusão. I. Filho, Flávio de Marco. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Título. iii

4 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. PROJETO DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL. Eduardo Ribeiro Rei Gomes da Silva Março/2014 Orientador: Flávio de Marco Filho Curso: Engenharia Mecânica Este trabalho apresenta o projeto de uma turbína eólica de eixo horizontal desenvolvida a partir de requisitos estabelecidos no início do projeto. A partir destes requisitos foram dimensionados e desenhados os componentes mecânicos da turbina eólica utilizando os conhecimentos adiquiridos durante o curso de engenharia mecânica. iv

5 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. DESIGN OF A HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE. Eduardo Ribeiro Rei Gomes da Silva March/2014 Advisor: Flávio de Marco Filho Course: Mechanical Engineering This work presents the design of a horizontal axis wind turbine developed after requirements established at the beginning of the design. The mechanical components of the wind turbine were designed and drawn following the requirements and applying the knowledge acquired during the mechanical engineering course. v

6 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO ENERGIA EÓLICA NO MUNDO ENERGIA EÓLICA NO BRASIL TURBINAS EÓLICAS TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL TURBINAS EÓLICAS DE EIXO HORIZONTAL COMPONENTES DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL OBJETIVO PROJETO MECÂNICO DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES MECÂNICOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS APÊNDICE A ANEXO ANEXO vi

7 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Comportamento do vento sob a influência das características do terreno Figura 2: Turbina eólica de eixo vertical tipo Darrieus Figura 3: Turbina eólica de eixo vertical tipo Giromill Figura 4: Turbina eólica de eixo vertical tipo Savonius Figura 5: Turbina eólica de eixo horizontal... 9 Figura 6: Componentes de uma turbina eólica de eixo horizontal Figura 7: Capacidade de produção acumulada em dezembro de Figura 8: Capacidade de produção instalada de janeiro a dezembro de Figura 9: Fluxo de ar através de uma área transversal A Figura 10: Perdas de velocidade do vento na passagem por um conjunto de pás Figura 11: Distribuição de c p em função de v 3 /v Figura 12: Distribuição de c p em função de λ para diversos tipos de rotores Figura 13: Gráfico da Solidez em função do TSR Figura 14: Velocidades e forças atuando sobre uma seção da pá de um rotor Figura 15: Perfil do aerofólio NREL S Figura 17: C l em função de α para R e = Figura 18: C d em função de α para R e = Figura 19: Motor GPA da Bosch Figura 20: Gráfico característico do modelo Bosch GPA vii

8 1. INTRODUÇÃO 1.1. MOTIVAÇÃO A produção de energia elétrica através de energia eólica tem várias vantagens das quais podemos ressaltar as principais: é uma fonte renovável, não emite gases de efeito estufa, gases poluentes e nem gera resíduos na sua operação, o que a torna uma fonte de energia de baixíssimo impacto ambiental. Os parques eólicos (ou fazendas eólicas) são compatíveis com os outros usos do terreno como a agricultura ou pecuária, já que as atuais turbinas eólicas têm dezenas de metros de altura. O grande potencial eólico no mundo, aliado com a possibilidade de gerar energia em larga escala torna esta fonte a grande alternativa para diversificar a matriz energética do planeta e reduzir a dependência ao petróleo. Com a tendência de redução nos custos de produção de energia eólica, e com o aumento da escala de produção, deve se tornar uma das fontes de energia mais barata. Apesar de todos os pontos positivos, é preciso tomar cuidado antes de apostar na energia eólica. Se não forem feitos os estudos de mapeamento, medição e previsão dos ventos, ela não é uma fonte confiável. Não há muitos dados sobre o regime de ventos no Brasil, e eles costumam serem aproveitáveis somente durante parte do ano. Além disso, os parques eólicos produzem poluição sonora e visual, e podem interferir na rota migratória de pássaros ENERGIA EÓLICA NO MUNDO Atualmente mais de 79 países produzem energia eólica, sendo que 29 países possuem mais de 1.000MW de capacidade de produção anual instalada. A figura 7 mostra a capacidade de produção anual em dezembro de 2012, mostrando os 10 maiores 1

9 países produtores e a figura 8 mostra o aumento de capacidade de produção instalada de janeiro a dezembro de Figura 1: Capacidade de produção acumulada em dezembro de

10 Figura 2: Capacidade de produção instalada de janeiro a dezembro de ENERGIA EÓLICA NO BRASIL A energia eólica no Brasil teve seu primeiro indício em 1992 com o início da operação comercial do primeiro aerogerador instalado no Brasil, que foi resultado de uma parceria entre o Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE) e a Companhia Energética de Pernambuco (CELPE), através de financiamento do instituto de pesquisas dinamarquês Folkecenter. Essa turbina eólica, de 225 kw, foi a primeira a entrar em 3

11 operação comercial na América do Sul, localizada no arquipélago de Fernando de Noronha (Pernambuco). Durante os dez anos seguintes, porém, pouco se avançou na consolidação da energia eólica como alternativa de geração de energia elétrica no país, em parte pela falta de políticas, mas principalmente pelo alto custo da tecnologia. Durante a crise energética de 2001 houve a tentativa de incentivar a contratação de empreendimentos de geração de energia eólica no país. Criou-se então, o Programa Emergencial de Energia Eólica PROEÓLICA. Esse programa tinha como objetivo a contratação de MW de projetos de energia eólica até dezembro de Já se falava, então, da complementaridade sazonal do regime de ventos com os fluxos hidrológicos nos reservatórios hidrelétricos. Esse Programa, no entanto, não obteve resultados, e foi substituído pelo Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica, o PROINFA. Além de incentivar o desenvolvimento das fontes renováveis na matriz energética, o PROINFA abriu caminho para a fixação da indústria de componentes e turbinas eólicas no país. No final de 2009 ocorreu o Segundo Leilão de Energia Reserva (LER), que foi o primeiro leilão de comercialização de energia voltado exclusivamente para a fonte eólica. O Leilão de Energia Reserva contrata um volume de energia além daquele estimado para suprir a demanda do país, para ser utilizada, conforme a sua denominação, como reserva de Garantia Física ao sistema elétrico. O 2ºLER foi um sucesso com a contratação de 1,8GW e abriu portas para novos leilões que ocorreram nos anos seguintes. Em agosto de 2010 foram realizados o 3ºLER e o Leilão de Fontes Alternativas (LFA) onde foram contratados 2GW de fonte eólica. Esses leilões não trabalhavam mais com o modelo exclusivamente eólico, mas sim contemplavam diversas fontes renováveis competindo entre si para negociar sua energia no leilão. Já em 2011 contamos com mais três leilões, o 4º LER, o A-3 e o A-5 onde a fonte eólica teve grande destaque ao negociar o total de 2,9GW. Por fim, no mês de dezembro de 2012 ocorreu o leilão A-5, que contratou energia para início de suprimento em Neste leilão foram contratados 281,9MW. Além do PROINFA e dos leilões, a fonte eólica também comercializa sua energia, em uma escala menor, no mercado livre onde as condições contratuais são livremente negociadas entre as contrapartes. 4

12 Como resultado do PROINFA, dos leilões realizados e do mercado livre, ao final de 2012, o Brasil possuia 108 parques eólicos que totalizavam 2,5 GW de capacidade instalada. As perspectivas para o final de 2017 indicam 8,7 GW de energia eólica em operação na matriz elétrica brasileira TURBINAS EÓLICAS Turbinas eólicas são equipamentos que transformam a energia eólica em energia elétrica. Elas são divididas em duas categorias: turbinas eólicas de eixo vertical e turbinas eólicas de eixo horizontal. A energia proveniente do vento é captada através de um rotor e transformada em energia elétrica através de um gerador elétrico. A energia eólica pode ser considerada como uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do Sol, isto porque os ventos são causados pelo aquecimento diferenciado da atmosfera. Essa não uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra. Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam em pequena escala são influenciados por diferentes aspectos, entre os quais destacam-se a altura, a rugosidade do terreno, os obstáculos e o relevo. Figura 3: Comportamento do vento sob a influência das características do terreno. 5

13 TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL Em geral, as turbinas eólicas de eixo vertical têm a vantagem de não necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variações da direção do vento, o que reduz a complexidade do projeto e os esforços. As turbinas eólicas de eixo vertical podem ser movidas por forças de sustentação (lift) e por forças de arrasto (drag). Os principais tipos de turbinas eólicas de eixo vertical são Darrieus, Savonius e Giromill. As turbinas eólicas do tipo Darrieus são movidas por forças de sustentação e constituem-se de lâminas curvas (duas ou três) de perfil aerodinâmico, atadas pelas duas pontas ao eixo vertical. Figura 4: Turbina eólica de eixo vertical tipo Darrieus. As turbinas eólicas Giromill são similares às turbinas tipo Darrieus. Neste caso as lâminas curvas são substituídas por lâminas retas e verticais conectadas ao eixo central por suportes horizontais. 6

14 Figura 5: Turbina eólica de eixo vertical tipo Giromill. A turbina eólica do tipo Savonius é uma das mais simples. São movidas por forças de arrasto e consistem em duas ou três conchas. Olhando de cima para uma turbina de duas conchas ela tem o formato da letra s. Por causa da curvatura, as conchas sofrem menos arrasto quando se movem contra o vento comparado com quando se movem a favor do vento. Essa diferença na força de arrasto faz a turbina tipo Savonius girar. Por serem tubinas de arrasto, as turbinas tipo Savonius extraem muito menos da potência do vento quando comparadas com turbinas de tamanho similar movidas por força de sustentação. 7

15 Figura 6: Turbina eólica de eixo vertical tipo Savonius TURBINAS EÓLICAS DE EIXO HORIZONTAL As turbinas eólicas de eixo horizontal são as mais comuns, e grande parte da experiência mundial está voltada para a sua utilização. São movidas por forças de sustentação (lift) e forças de arrasto (drag). Um corpo que obstrui o movimento do vento sofre a ação de forças que atuam perpendicularmente ao escoamento (forças de sustentação) e de forças que atuam na direção do escoamento (forças de arrasto). Ambas são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do vento. Adicionalmente, as forças de sustentação dependem da geometria do corpo e do ângulo de ataque (formado entre a velocidade relativa do vento e o eixo do corpo). As turbinas que giram predominantemente sob o efeito de forças de sustentação permitem liberar muito mais potência do que aquelas que giram sob efeito de forças de arrasto, para uma mesma velocidade de vento. As turbinas eólicas de eixo horizontal são predominantemente movidas por forças de sustentação e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Tais turbinas podem ser constituídas de uma pá e contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas pás. 8

16 Construtivamente, as pás podem ter as mais variadas formas e empregar os mais variados materiais. Em geral, utilizam-se pás rígidas de madeira, alumínio ou fibra de vidro reforçada. Quanto à posição do rotor em relação à torre, o disco varrido pelas pás pode estar a jusante do vento (down wind) ou a montante do vento (up wind). No primeiro caso, a sombra da torre provoca vibrações nas pás. No segundo caso, a sombra das pás provoca esforços vibratórios na torre. Sistemas a montante do vento necessitam de mecanismos de orientação do rotor com o fluxo de vento, enquanto nos sistemas a jusante do vento, a orientação realiza-se automaticamente. As turbinas mais utilizadas para geração de energia elétrica são as de eixo horizontal do tipo hélice, normalmente compostas de 3 pás. Figura 7: Turbina eólica de eixo horizontal. 9

17 COMPONENTES DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL Figura 8: Componentes de uma turbina eólica de eixo horizontal. O rotor é composto pelas pás e pelo bosso, onde são fixadas as pás. Sua função é extrair a potência do vento e transformá-la em torque. O rotor pode ser composto por 1, 2, 3 ou mais pás, que possuem os mais variados perfis aerodinâmicos. A potência extraida do vento depende do diâmetro do rotor, do diâmetro do bosso, do número de pás e do perfil aerodinâmico das pás. O eixo da turbina eólica tem a função de transmitir o torque gerado pelo rotor para o gerador elétrico. Dependendo do projeto, a turbina pode ter apenas um eixo 10

18 ligando o rotor ao gerador elétrico ou pode ter dois eixos: um de baixa rotação conectado ao rotor e um de alta rotação conectado ao gerador. O mancal é responsável por suportar cargas, diminuindo o esforço sobre os eixos. Ele pode suportar cargas radiais ou então pode suportar cargas radiais e axias. Existem diversos tipos de mancais. A seleção do tipo de mancal, suas dimensões e a quantidade dependerá do projeto do sistema mecânico da turbina. Alguns projetos de turbinas eólicas utilizam variadores de velocidade para aumentar a rotação do eixo e atingir as elevadas rotações de trabalho do gerador elétrico. Mais recentemente, alguns fabricantes desenvolveram com sucesso turbinas eólicas sem a caixa multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construí-las. Assim, ao invés de utilizar um variador de velocidades com alta relação de transmissão, necessária para alcançar a elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores multipolos de baixa velocidade e grandes dimensões. Para limitar a rotação do eixo, algumas turbinas eólicas possuem freios. A alta rotação do rotor pode causar um esforço excessivo nos componentes mecânicos, além de gerar vibrações que podem danificar o sistema. A função do gerador elátrico é converter energia mecânica em energia elétrica. Atualmente, existem várias alternativas, entre elas: geradores de corrente contínua, geradores síncronos, geradores assíncronos e geradores de comutador de corrente alternada. Cada uma delas apresenta vantagens e desvantagens que devem ser analisadas com cuidado na sua incorporação ao sistema de conversão de energia eólica. A nacelle é a carcaça que abriga todos os componentes mecânicos da turbina eólica: eixos, mancais, variador de velocidade, freio, gerador elétrico, etc. Ela fica montada em cima da torre. As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o seu funcionamento. É um item estrutural de grande porte e de elevada contribuição no custo do sistema. Inicialmente, as turbinas utilizavam torres de metal treliçado. Com o uso de geradores com potências cada vez maiores, as nacelles passaram a sustentar um peso muito elevado tanto do gerador quanto das pás. Desta forma, para dar maior mobilidade e segurança para sustentar toda a nacelle em alturas 11

19 cada vez maiores, tem-se utilizado torres de metal tubular ou de concreto que podem ser sustentadas ou não por cabos tensores OBJETIVO O projeto consiste em desenvolver o protótipo de uma turbina eólica de eixo horizontal utilizando os conhecimentos adquiridos durante o curso de graduação de engenharia mecânica. Para tal, foram utilizados como base alguns dados que servirão como base para o desenvolvimento do projeto. Esses são parâmetros para o desenvolvimento de um protótipo de pequeno porte de uma turbina eólica de eixo horizontal. São eles: Diâmetro do rotor = 2m Número de pás = 3 Altura da torre = 10m Velocidade do vento = 8m/s 12

20 2. PROJETO MECÂNICO 2.1. DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA A energia cinética de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade v é dada por: (1) = 1 2 Considerando a mesma massa de ar m em movimento a uma velocidade v, perpendicular a uma sessão transversal de um cilindro imaginário (figura 9), pode-se demonstrar que a potência disponível no vento que passa pela seção A, transversal ao fluxo de ar, é dada por: (2) = 1 2 Onde: P = potência do vento [W] ρ = massa específica do ar [kg/m 3 ] A = área da seção transversal [m 2 ] v = velocidade do vento [m/s] 13

21 Figura 9: Fluxo de ar através de uma área transversal A. A expressão 2 também pode ser escrita por unidade de área, definindo, desta forma, a densidade de potência DP, ou fluxo de potência: (3) = = 1 2 Ao reduzir a velocidade do deslocamento da massa de ar, a energia cinética do vento é convertida em energia mecânica através da rotação das pás. A potência disponível no vento não pode ser totalmente aproveitada pela turbina eólica na conversão de energia elétrica. Para levar em conta esta característica física, é introduzido um índice denominado coeficiente de potência c p, que pode ser definido como a fração da potência eólica disponível que é extraída pelas pás do rotor. Para determinar o valor máximo desta parcela de energia extraída do vento ( c p máximo), o físico alemão Albert Betz considerou um conjunto de pás em um tubo onde v 1 representa a velocidade do vento na região anterior às pás, v 2 a velocidade do vento no nível das pás e v 3 a velocidade no vento após deixar as pás, conforme apresentado na figura

22 Figura 10: Perdas de velocidade do vento na passagem por um conjunto de pás. Como na figura 10, Betz assume um deslocamento homogêneo do fluxo de ar a uma velocidade v 1 que é retardada pelo conjunto de pás, assumindo uma velocidade v 3 a jusante das pás. Pela lei da continuidade, temos que: (4) ρ A = ρ A = ρ A Como a redução da pressão do ar é mínima, a densidade do ar pode ser considerada constante. A energia cinética extraída pelo aerogerador é a diferença entre a energia cinética a montante e a energia cinética a jusante do conjunto de pás: (5) í = 1 2 A potência extraída do vento por sua vez é dada por: (6) 15

23 í = 1 2 Neste ponto é necessário fazer duas considerações extremas sobre a relação entre as velocidades v 1 e v 3 : A velocidade do vento não é alterada ( v 1 = v 3 ): Neste caso nenhuma potência é extraída; A velocidade do vento é reduzida a valor zero ( v 3 = 0): Neste caso o fluxo de massa de ar é zero, o que significa também que nenhuma potência seja retirada. A partir dessas duas considerações extremas, a velocidade referente ao máximo de potência extraída é um valor entre v 1 e v 3. Este valor pode ser calculado se a velocidade no rotor v 2 é conhecida. A massa de ar é dada por: (7) = ρa Pelo teorema de Rankine-Froude, pode-se assumir que a relação entre as velocidades v 1, v 2 e v 3 é dada por: (8) = + 2 Se a massa de ar apresentada na equação 7 e a velocidade v 2 apresentada na equação 8 forem inseridas na mesma equação 6, tem-se: 16

24 (9) í = 1 2 ρa ! "# Onde: (2) = 1 2 Portanto: (10) $ % = ! "# Ao considerar o coeficiente de potência c p em função de v 3 /v 1 temos que: $ %&'() = * + = 0,59 quando = 17

25 Figura 11: Distribuição de c p em função de v 3 /v 1 O Tip-Speed Ratio (λ), ou TSR de uma turbina eólica é a razão entre a velocidade rotacional da ponta da pá do rotor e a velocidade do vento real (U). O TSR está relacionado com a eficiência, com seu valor ótimo variando com o projeto da turbina. Quanto maior o TSR, maior o nível de ruídos e mais forte precisam ser as pás do rotor devido a altas forças centrífugas. 3 = 45 6 (11) Onde: λ = Tip-Speed Ratio U = Velocidade do Vento [m/s] R = Raio do Rotor [m] ω = Velocidade Rotacional do Rotor [rad/s] 18

26 A figura 12 mostra a distribuição do coeficiente de potência (c p ) em função do TSR (λ) para diversos tipos de rotores. Figura 12: Distribuição de c p em função de λ para diversos tipos de rotores. A Solidez do rotor (σ) é definida como a razão entre a área total das pás e a área varrida pelas pás. Então, quanto maior for a área das pás, ou menor for a área varrida pelas pás, maior será a solidez do rotor. (12) Onde: σ = Solidez do rotor n = Número de pás 7 = na 9 πr 19

27 A p = Área da superfície da pá R = Raio do rotor A Solidez e o TSR estão relacionados através do gráfico a seguir: Figura 13: Gráfico da Solidez em função do TSR A solidez calculada para este projeto é: 7 = 8,6% Portanto, a partir do gráfico da Figura 13 temos que: 20

28 λ = 5 E de acordo com a figura % = 0,4 Aplicando os dados abaixo na equação 11: 5 = 1 6 = 8 B Temos que: 4 = 40 1 B = 382DE Outros dados importantes para o projeto do rotor dependem do perfil aerodinâmico escolhido para a pá. A figura 13 ilustra as velocidades e as forças atuando sobre uma seção de uma pá do rotor. Onde: ϕ = Ângulo de escoamento [º] α = Ângulo de ataque [º] β = Ângulo de passo [º] W = Velocidade relativa do vento [m/s] U = Velocidade do vento [m/s] ωr = Velocidade rotacional [m/s] 21

29 L = Força de sustentação [N] D = Força de arrasto [N] Figura 14: Velocidades e forças atuando sobre uma seção da pá de um rotor. A velocidade relativa resultante na pá é: (13) F = G6 +45 Portanto: F = 40,8 B O ângulo de escoamento ϕ pode ser definido como: (14) I = tan L 6 45! 22

30 Portanto: I = 11,3 Para este projeto foi utilizado o perfil aerodinâmico das pás de acordo com o aerofólio NREL (National Renewable Energy Laboratory) S822. Este perfil é indicado para rotores de até 2 metros de diâmetro. A maior razão entre o coeficiente de sustentação e o coeficiente de arrasto (quando o número de Reynolds é igual a ) ocorre quando o ângulo de ataque é igual a 9,5º. Ou seja: 5 = O P O Q = 27,7 S = 9,5 Os gráficos abaixo mostram o coeficiente de sustentação e o coeficiente de arrasto em função do ângulo de ataque para o aerofólio NREL S822 quando Reynolds é igual a Figura 15: Perfil do aerofólio NREL S

31 Figura 16: C l em função de α para R e = Figura 17: C d em função de α para R e =

32 T = =0,034 E mais: (15) 5 = 6$ U Onde: U = Velocidade do vento [m/s] c = corda [m] υ = Viscosidade cinemática do ar [m 2 /s] U = 1,5 10 LW B 5 = = 8 B Portanto: $ 0,1 25

33 Considerando que o perfil aerodinâmico da pá é constante ao longo do raio do rotor, pode-se mostrar através da teoria de Glauert que o torque gerado por um rotor é: (14) Y = 1 4 F Z % $@ T cosi5 5 _ Pode-se mostrar também que a força axial exercida sobre o rotor é: (15) ` = 1 2 F Z % $@ T sini5 5 _ Onde: ρ = Massa específica do ar [Kg/m 3 ] W = Velocidade relativa [m/s] n p = Número de pás do rotor c = corda da pá do rotor [m] C l = Coeficiente de sustentação C d = Coeficiente de arrasto R = Raio do rotor [m] R b = Raio do Bosso [m] Com: = 1,225 ab 5 _ = 0,1 26

34 Temos que: Y = 23,2c ` = 254,5c 2.2. DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES MECÂNICOS Para esse projeto foi desenvolvido um multiplicador de velocidade com relação de transmissão 1:3. As engrenagens do multiplicador de velocidade são cilíndricas de dentes retos, com ângulo de pressão de 20, dentes fresados e retificados e módulo 1. Devido ao seu menor custo e facilidade de fabricação foi escolhido esse tipo de engrenagem. Para o projeto fora respeitados os critérios de tensões, fadiga e desgaste superficial. Foi adotada uma confiabilidade de 90%. O material escolhido para as engrenagens foi aço AISI 4130, temperado e revenido a 315 C, por ter alta dureza e alta resistência ao escoamento. Encontra-se no Apêndice A, os cálculos para dimensionamento das engrenagens do multiplicador. Já definidas as engrenagens, é possível iniciar o dimensionamento dos eixos. O material escolhido para os eixos foi o aço SAE 4340, temperado e revenido a 315 C. Esse material possui boas propriedades mecânicas, visto sua alta resistência ao escoamento e à tração, desta forma foi possível projetar os eixos com tamanho reduzido. Com a dimensão das engrenagens, o comprimento estimado dos eixos e os esforços resultantes dos engrenamentos, podemos calcular as reações nos apoios e o momento fletor nos eixos, que são usinados e foram projetados para uma confiabilidade de 90%. Os cálculos foram feitos respeitando o critério de Soderberg, que é utilizado para materiais dúcteis. Os cálculos para dimensionamento dos eixos estão presentes no Apêndice A. Sabendo as cargas geradas pelo rotor e pelos engrenamentos e sabendo também o diâmetro dos eixos é possível selecionar o mancal e os rolamentos. Como foram utilizadas engrenagens cilíndricas de dentes retos, os rolamentos do variador não sofrem 27

35 nenhum esforço axial. A carga axial gerada pelo rotor é suportada pelo mancal na nacelle (que também suporta o peso do rotor) e pelo rolamento radial da torre. O rolamento axial da torre suporta o apenas o peso da nacelle. Foram utilizados rolamentos de esferas para o mancal e o variador e uma combinação de rolamentos de rolos cilindricos e agulhas para a torre. Seguindo as recomendações da SKF, foram calculadas as vidas dos rolamentos. Os cálculos estão presentes no Apêndice A. Os catálogos com os rolamentos selecionados são apresentados no Anexo 1. Para a transmissão de movimento foram utilizadas chavetas paralelas. As chavetas são fabricadas com o mesmo material dos eixos. O dimensionamento foi feito seguindo os padrões de largura e altura, de forma que apenas o comprimento foi selecionado. Os cálculos das tensões atuantes e do coeficiente de segurança das chavetas encontram-se no Apêndice A. A torre do gerador éolico é responsável por sustentar o peso da nacelle e as cargas geradas pelo rotor. Como para este projeto a torre possui 10m de comprimento, para simplificar o transporte e montagem a torre foi dividida em 3 partes flangeadas. A torre é fabricada com tubos de aço de medidas comerciais. No Apêndice A são apresentados os cálculos das tensões atuantes, da carga crítica para flambagem e dos coeficientes de segurança para a torre. Para unir a torre à nacelle foi desenvolvido um adaptador flangeado. Ele possui um conjunto de rolamentos de rolos e agulhas, que permitem a nacelle girar sobre a torre. Este adaptador possui também um furo central por onde passam os fios do gerador elétrico. O projeto da nacelle para este gerador foi feito pensando em simplificar a montagem dos componentes mecânicos e simplificar tambêm as operações de manutenção do gerador. Com isso a nacelle ficou dividida em 3 partes: a caixa, que é fixada no adaptador da torre, a tampa da caixa, que fica aparafusada na caixa e a chapa onde são fixados os componentes do gerador. A chapa e feita em aço 1020, que é barata e facilmente encontrada no mercado, e fica aparafusada na caixa. Tanto a tampa quanto a caixa são fabricadas com ferro fundido. 28

36 Para este gerador eólico foi selecionado o motor elétrico modelo GPA da Bosch para gerar energia elétrica. Este é um gerador com dimensões reduzidas, o que é importante devido ao pequeno porte da turbina, mas capaz de gerar uma potência elétrica considerável. Figura 18: Motor GPA da Bosch A rotação na entrada do gerador é: 4 de = 1146DE 29

37 Figura 19: Gráfico característico do modelo Bosch GPA De acordo com o gráfico, a potência elétrica gerada será aproximadamente: Tégh = 1000F 30

38 3. CONCLUSÃO O objetivo do projeto foi desenvolver o protótipo um turbina eólica de eixo horizontal utilizando como base dados pré definidos e os conhecimentos adquiridos durante o curso de graduação de engenharia mecânica. O conhecimento de diversas disciplinas nas áreas de projeto mecânico, elementos de máquinas, fabricação,materiais, mecânica dos sólidos e mecânica dos fluidos foram fundamentais para a conclusão do projeto. Utilizando esses conhecimentos, foi possível projetar uma turbina eólica de eixo horizontal de pequeno porte capaz de gerar 1.000W de potência elétrica. O maior desafio foi aplicar estudos complexos, feitos para turbinas eólicas de grande porte, neste projeto que pode ser considerada uma turbina de pequeno porte. Outro desafio foi reunir conhecimentos de diversas áreas (mecânica, aerodinamica, elétrica, etc) em apenas um projeto. 31

39 4. REFERÊNCIAS Shigley, Joseph E., Projeto de Engenharia Mecânica/Joseph E. Shigley, Charles R. Mischke, Richard G. Budynas; Tradução João Batista de Aguiar, José Manuel de Aguiar.,8. Ed.- Porto Alegre: Bookman, Hau, Eric. Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics, 2. Ed. - Springer, Calister Jr., William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução, 5. Ed. Rio de Janeiro: LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, Catálogo SKF. Catálogo Geral de Rolamentos SKF, Edição

40 APÊNDICE A DETERMINAÇÃO DO TORQUE: Dr - Diâmetro do rotor Np - Número de pás U - Velocidade do vento Ht - Altura da torre Ar - Área do rotor Db - Diâmetro do bosso ρ - Densidade do ar c - Corda Ap - Área da superfície da pá 33

41 σ - Solidez do rotor λ - Tip Speed Ratio Cp - Coeficiente de potência Pv - Potência do vento Pr - Potência aproveitada pelo rotor ω - Velocidade angular do rotor W - Velocidade relativa do vento 34

42 ν - Viscosidade cinemática do ar Re - Número de Reynolds α - Ângulo de ataque ϕ - Ângulo de escoamento Cd - Coeficiente de arrasto Cl - Coeficiente de sustentação T - Torque 35

43 Fx - Força axial DIMENSIONAMENTO DA ENGRENAGEM: Potência do eixo - Pe Módulo da engrenagem - M Número de dentes do pinhão - Zp Ângulo de pressão - θp Relação de transmissão - i Número de dentes da coroa - Zc Aço AISI ºC: 36

44 Fator de forma AGMA - J Diâmetro primitivo do pinhão - dp Velocidade Tangencial no diâmetro primitivo - V Carga Transmitida - Wt Fator Dinâmico (dentes fresados) - Kv Coeficiente de Segurança - CS Tensão Admissível - σadm Largura do dente - F 37

45 Distância entre dentes - p LIMITE DE FADIGA PARA ENGRENAGENS Fator de acabamento superficial (retificado) - Ka1 Fator de dimensão - Kb1 Fator de Confiabilidade (90%) - Kc1 Fator de temperatura (<350ºC) - Kd1 Fator de concentração de tensões - Ke1 38

46 (já incluído no fator de forma J) Fator de efeitos diversos (Sut > 1400MPa) - Kf1 Fator de correção de sobrecarga - Ko Fator de distribuição de carga ao longo do dente - Km Tensão atuando na raiz do dente - σagma Fator de segurança estático - FSest Fator de segurança dinâmico - FSdin 39

47 FADIGA SUPERFICIAL DAS ENGRENAGENS Resistência ao desgaste superficial - Sc (para vida de até 10 8 ciclos) Fator de relação de durezas - Ch Fator de Temperatura - Ct Fator de confiabilidade - Cr Fator de correção para vida - Cl 40

48 DIMENSIONAMENTO DOS EIXOS: Material - aço SAE 4340 EIXO DO ROTOR: Peso do rotor - Pr Distância entre o rotor e o mancal - L1 Momento máximo no eixo do rotor - Mmax1 Critério de Soderberg: Fator de acabamento superficial (usinado) - Ka 41

49 Fator de dimensão - Kb Fator de confiabilidade (99%) - Kc Fator de temperatura (T<350ºC) - Kd Fator de concentração de tensões - Ke Diâmetro Recomendado - Ds 42

50 Diâmetro Padronizado: Eixo de Entrada do Variador: Carga transmitida da engrenagem - Wt Distância entre rolamentos do variador - L2 Momento máximo no eixo - Mmax2 Critério de Soderberg: Fator de acabamento superficial (usinado) - Ka Fator de dimensão - Kb 43

51 Fator de confiabilidade (99%) - Kc Fator de temperatura (T<350ºC) - Kd Fator de concentração de tensões - Ke Diâmetro Recomendado - Ds Diâmetro Padronizado: 44

52 Eixo de Saída do Variador: Carga transmitida da engrenagem - Wt Distância entre rolamentos do variador - L3 Momento máximo no eixo - Mmax3 Critério de Soderberg: Fator de acabamento superficial (usinado) - Ka Fator de dimensão - Kb Fator de confiabilidade (99%) - Kc Fator de temperatura (T<350ºC) - Kd 45

53 Fator de concentração de tensões - Ke Diâmetro Recomendado - Ds Diâmetro Padronizado: DIMENSIONAMENTO DOS ROLAMENTOS: Rolamento do Mancal: (1205 EKTN9 + H 205) Carga Radial - Fr Carga Axial - Fa 46

54 Valor limitante de Fa/Fr - e Fatores para cálculo da carga axial - Y1, Y2 & Y0 Capacidade de carga estática - C0 Capacidade de carga dinâmica - C Limite de fadiga - Pu Carga estática equivalente - P0 Carga dinâmica equivalente (quando Fa/Fr > e) - P Carga mínima - Pm 47

55 Vida nominal - L10 Fator de ajuste de vida para confiabilidade (90%) - a1 Fator de contaminação - ηc Diâmetro externo do rolamento - D Diâmetro do eixo - d Diâmetro médio - dm Viscosidade cinemática mínima - ν1 Visosidade cinemática do Óleo ISO VG 100 a 40ºC - ν 48

56 Razão de Viscosidade - K Fator de ajuste de vida SKF - askf Vida nominal ajustada (horas) - Lnm Rolamento Menor do Variador: (61800) Carga Radial - Fr Carga Axial - Fa Capacidade de carga estática - C0 Capacidade de carga dinâmica - C 49

57 Limite de fadiga - Pu Carga estática equivalente - P0 Carga dinâmica equivalente - P Vida nominal - L10 Fator de ajuste de vida para confiabilidade (90%) - a1 Fator de contaminação - ηc Diâmetro externo do rolamento - D Diâmetro do eixo - d Diâmetro médio - dm 50

58 Viscosidade cinemática mínima - ν1 Visosidade cinemática do Óleo ISO VG 46 a 40ºC - ν Razão de Viscosidade - K Fator de ajuste de vida SKF - askf Vida nominal ajustada (horas) - Lnm Rolamento Maior do Variador: (61804) Carga Radial - Fr 51

59 Carga Axial - Fa Capacidade de carga estática - C0 Capacidade de carga dinâmica - C Limite de fadiga - Pu Carga estática equivalente - P0 Carga dinâmica equivalente - P Vida nominal - L10 Fator de ajuste de vida para confiabilidade (90%) - a1 Fator de contaminação - ηc 52

60 Diâmetro externo do rolamento - D Diâmetro do eixo - d Diâmetro médio - dm Viscosidade cinemática mínima - ν1 Visosidade cinemática do Óleo ISO VG 100 a 40ºC - ν Razão de Viscosidade - K Fator de ajuste de vida SKF - askf Vida nominal ajustada (horas) - Lnm 53

61 Rolamento Radial da Torre: (NKIS 35) Carga Radial - Fr Carga Axial - Fa Capacidade de carga estática - C0 Capacidade de carga dinâmica - C Limite de fadiga - Pu Carga estática equivalente - P0 Carga dinâmica equivalente - P Vida nominal - L10 54

62 Rolamento Axial da Torre: (AXW 50) Carga Radial - Fr Carga Axial - Fa Capacidade de carga estática - C0 Capacidade de carga dinâmica - C Limite de fadiga - Pu Carga estática equivalente - P0 Carga dinâmica equivalente - P Vida nominal - L10 55

63 DIMENSIONAMENTO DAS CHAVETAS Material - aço SAE 4340 Diâmetro do eixo do rotor no acoplamento - Deixo Chaveta padronizada: 56

64 Diâmetro do eixo do variador no acoplamento - Deixo Chaveta padronizada: DIMENSIONAMENTO DA TORRE: Altura da torre - Ht 57

65 Módulo da elasticidade - E Diâmetro externo da torre - Dext Diâmetro interno da torre - Dint Carga crítica de flambagem - Pcr Força axial do rotor - Fx Momento Fletor Máximo - M.torre Tensão máxima na torre - σtorre 58

66 59

67 ANEXO 1 60

68 61

69 62

70 ANEXO 2 63

71

72

73