DESENVOLVIMENTO DE REDES DE SENSORES SEM FIO PARA CARACTERIZAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA VERTICAL

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1 DESENVOLVIMENTO DE REDES DE SENSORES SEM FIO PARA CARACTERIZAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA VERTICAL Guilherme de Souza Araújo Faculdade de Engenharia Elétrica CEATEC/PUC-Campinas Júlio César Penereiro Grupo de Modelagem Matemática CEATEC/PUC-Campinas Resumo: Por meio do aproveitamento da energia gerada pelos ventos, o trabalho descrito pretendeu construir, implementar e aperfeiçoar um dispositivo eólico para geração de energia elétrica. Esse dispositivo foi projetado com o intuito de empregar coletores de vento (aerogeradores) usando materiais de baixo custo e sensores específicos para aquisição de grandezas físicas relevantes para obtenção de medidas de eficiências em diferentes condições de uso. A proposta envolveu as seguintes etapas: pesquisa bibliográfica; seleção de materiais; construção, montagens e testes mecânicos e, principalmente, aplicações de sensores e de elementos elétricos e eletrônicos; além de alguns testes de computacionais que viabilizaram o uso e a aquisição de medidas por meio de uma turbina eólica vertical. Optou-se por realizar as medições experimentais por meio de sensores digitais de temperaturas, velocidade de rotação, voltímetros e amperímetros, que foram colocados em pontos estratégicos do dispositivo eólico. Simultaneamente, por meio do emprego de um anemômetro, procurou-se efetuar medidas da velocidade do vento durante os vários ensaios experimentais previstos. Todos os parâmetros experimentais puderam ser identificados com o uso de programas de computador (SCADABR e do EXCEL) desenvolvidos especificamente conforme as necessidades. Para tanto, foi necessário construir e aperfeiçoar uma placa micro-controladora cuja função foi a identificação e leitura de todas informações, além de realizar a interface entre os dispositivos utilizados (sensores de temperaturas e de rotação, voltímetros, anemômetro, dentre outros) com o microcomputador. Palavras-chave: energia alternativa, RSSF, turbina eólica. Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra Engenharia Elétrica. 1. INTRODUÇÃO A importância que a geração de energia eólica vai ocupar no futuro próximo ainda não está definida, porém, o espaço a ser ocupado se abre pela necessidade de reduzir a participação da queima de combustíveis fósseis. Além deste fator, há outros, como a rejeição justificada ou não ao uso de sistemas nucleares para geração de energia elétrica, o elevado custo dos sistemas solares fotovoltaicos e pela grande dificuldade em construir hidroelétricas, com cada vez maiores perdas de terra devido ao reservatório criado, além dos impactos ambientais causados. Num contexto histórico, a evolução dos antigos moinhos de vento até as máquinas atuais se deu a partir de algumas inovações tecnológicas das quais convém destacar o uso de pás com perfil em formato de aerofólio, provocando o verdadeiro surto de instalações nos anos , e a aplicação dos imãs de alta potência que dão competitividade às máquinas de hoje. Um grande impulso aos sistemas de captação de energia eólica foi o realizado quando se aplicou os denominados perfis aerodinâmicos, idênticos àqueles usados em asas de aeronaves. Porém, alguns pesquisadores, interessados em estudar os coletores eólicos, se voltaram para o aperfeiçoamento de perfis mais eficientes ao uso em turbinas eólicas. Esses estudos permitiram obter uma limitação de velocidade, pelo fenômeno do stall, e do ruído causado pelas altas velocidades das pontas das hélices. Outra motivação desses estudos tem sido o emprego de alternadores elétricos, por serem extremamente úteis em condições de operações onde a topologia do local é adequada às condições das velocidades do vento, permitindo a construção de máquinas mais leves e potentes [1, 2]. Finalmente, nesta mesma linha de raciocínio, o acoplamento elétrico às redes de distribuição ainda constituiu-se numa área de amplos estudos, visto

2 que, devido a sua natureza permanentemente variável, o vento oferece uma curva de potência aleatória, obrigando os sistemas elétricos a possuírem desconfortáveis ajustes tecnológicos. Além de ser uma fonte renovável e que reduz a emissão de gases estufa, a energia eólica estimula o desenvolvimento tecnológico e industrial do país de forma sustentável, o que, em alguns anos, pode ampliar a oferta dessa matriz energética. Desta forma, aproveitando esse cenário otimista, o trabalho descrito visa contribuir com os estudos na geração da energia elétrica a partir da energia eólica. Desenvolveu-se e analisou-se o comportamento de uma turbina eólica de pequeno porte, em princípio, para finalidades didáticas. A meta principal foi a de desenvolver um conversor de energia eólica de pequeno porte, apropriado para fins didáticos, mas que pudesse ser utilizado em residências e estabelecimentos comerciais. O equipamento apresentado, em uma versão inicial, pretende reduzir o consumo de eletricidade, o que significará uma economia na conta de energia elétrica do usuário. 2. OBJETIVOS A proposta inicial, contida em um Plano de Trabalho, visava utilizar a geração da energia elétrica a partir da energia proveniente do vento, isto é, a energia eólica. Para esse propósito, iniciou-se desenvolvimento de uma turbina eólica de pequeno porte, cujo objetivo foi estudar e analisar o comportamento dos processos físicos envolvidos nas diferentes formas de energias presentes no equipamento. Além disso, com auxílio de sensores digitais de velocidade do vento, de rotação, de voltagens e correntes elétricas, aliado ao uso de programas computacionais específicos, pretendeu-se criar um dispositivo empregando RSSF para medir grandezas físicas que possibilitassem a determinação da eficiência instantânea e média do mesmo. Essas medidas de eficiências podem ser obtidas por meio de análises das potências elétricas geradas em função da velocidade do vento incidente, simulando diferentes condições ambientais em laboratório. 3. METODOLOGIA DESENVOLVIDA O trabalho de Iniciação Científica foi desenvolvido parcialmente nos Laboratórios de Física e de Meios de Transmissão do CEATEC da PUC-Campinas. Tendo como meta o desenvolvimento, os testes e a coleta de medidas num sistema que usa a conversão da energia eólica em energia elétrica. O equipamento desenvolvido e estudado, do ponto de vista financeiro, é de baixo custo, além de ser relativamente leve e de fácil manuseio. Os parâmetros climáticos, tais como temperatura ambiente do ar, pressão atmosférica, umidade relativa do ar, velocidade de vento, em todos os processos dos estudos, são também importantes fontes de informações necessárias para obtenção da eficiência do dispositivo proposto além dos parâmetros elétricos, como a tensão e a corrente elétrica geradas. Além disso, o trabalho desenvolvido levou à realização de uma ampla pesquisa bibliográfica, seleção de materiais, testes e montagem que obedeceram ao propósito da construção, assim como a utilização de ferramentas e acessórios que o viabilizaram. Durante essa etapa inicial, avaliaram-se os dispositivos disponíveis para medidas de algumas grandezas físicas, como a velocidade de vento, velocidade de rotação do rotor da turbina, temperatura, corrente e voltagem elétrica gerada por um alternador de veículo, dentre outras. Após a implantação do modelo definitivo para o equipamento aerodinâmico, em posição simétrica de instalação no eixo de rotação, foram realizados alguns ensaios experimentais básicos independentes, visando medições qualitativas das grandezas físicas para determinação da eficiência do dispositivo eólico. Espera-se que, com a eficiência determinada ao longo de vários ensaios experimentais, por meio da medida da potência elétrica gerada e a velocidade instantânea do vento, dentre outros parâmetros experimentais, foi possível determinar as características do coletor eólico e em seguida compará-lo com outros equipamentos similares do mercado. O conversor eólico, a ser definitivamente desenvolvido num futuro próximo, será factível de ser empregado em algumas atividades do dia-a-dia, tais como, carregar baterias elétricas, alimentar um aparelho de som e um microcomputador, dentre outros dispositivos com baixa demanda de energia elétrica. Obviamente, pretende-se com a turbina eólica desenvolvida extrair o máximo de energia disponível no vento incidente, tornando-a compatível com o uso em aparelhos domésticos, reduzindo desta maneira o consumo de eletricidade. 4. RESULTADOS 4.1. Montagem da turbina eólica vertical A turbina eólica desenvolvida foi a de tipo vertical, também conhecida como Aerogerador Savonius ou

3 rotor S. Optou-se por esse modelo por não ser necessário o dispositivo de orientação da turbina face ao vento, tal como ocorre nas turbinas de eixo horizontal. Além disso, pode-se dizer que esse tipo de rotor é um dos mais simples e o principal foco de sua instalação é a economia financeira adquirida por seu comprador [3]. Sendo a eficiência relativamente baixa nos Aerogeradores Savonius, esses equipamentos acabam por se diferenciarem das demais turbinas de eixo vertical e horizontal devido, principalmente, à simplicidade na montagem e no funcionamento. Resumidamente, os coletores de formatos específico, permitem absorver com eficiência a energia cinética do vento. Como eles estão solidários a um eixo de rotação, possibilitam que se transmita a energia eólica em energia mecânica de rotação. Por meio de um sistema de engrenagens anexado a esse eixo de rotação, é possível transferir a energia mecânica ao eixo de um gerador de energia elétrica. Usando reguladores de tensão e cabos apropriados, pode-se, como aplicação direta, carregar uma bateria ou outro sistema que requeira energia elétrica para o funcionamento. Para execução da montagem da unidade eólica prevista no projeto, foram necessárias algumas aquisições específicas para o correto dimensionamento e garantir o pleno funcionamento do dispositivo. Neste sentido, empregaram-se para montagem os seguintes materiais: vinte metros de tubos metálicos de 17,5 mm de diâmetro; quatro mancais de rolamento com 100,0 mm de diâmetro externo; quatro tambores plásticos e três metálicos cortados ao meio; eixo metálico com 26,8 mm de diâmetro e 1890,0 mm de comprimento; eixo metálico de entrada do gerador de energia elétrica; alternador elétrico automotivo de 24 Volts; gerador de frequências Toshiba; regulador (com transistor) de tensão de saída para 3,0 Volts; engrenagens de 20 dentes e 80,0 mm de diâmetro; e correntes de borrachas para transmissão. A Figura 1a ilustra a estrutura principal da turbina eólica vertical. A primeira etapa da montagem foi soldar os tubos metálicos estruturais da turbina eólica juntamente com os mancais de rolamento. Posteriormente, foi possível posicionar os rolamentos nos mancais e o eixo vertical do rotor, conforme mostra a Figura 1a. Esta estrutura pode ser separada em três partes de mesmas dimensões, sendo no módulo inferior fixado o alternador que capta, por meio de uma correia ajustável, a rotação do eixo principal que por sua vez está fixado nos rolamentos e mancais. A Figura 1b ilustra uma separação do módulo inferior com o módulo central e o superior. (a) (b) Figura 1. (a) Estrutura principal da turbina eólica vertical. (b) Módulo inferior, com o alternador elétrico fixado e conectado ao eixo de rotação por meio de uma correia, separado do módulo central e do superior. Após a montagem desses módulos estruturais, partiu-se para a etapa relacionada à fixação dos coletores de vento. Como citado anteriormente, optou-se pelo uso de materiais de baixo custo, daí o emprego de tambores metálicos cortados ao meio. A Figura 2 mostra a composição desses materiais fixados ao eixo de rotação da estrutura metálica comentada anteriormente. Figura 2. Ilustração da versão simplificada da turbina eólica vertical com os componentes principais para coleta do vento incidente. Visando um maior aproveitamento eólico, foi previsto que os coletores de vento seriam posicionados com uma diferença de 60º de cada nível de rotação. Após o posicionamento e fixação desses coletores, necessitou-se incluir um sistema de transmissão do rotor da turbina para o gerador elétrico do tipo automotivo, visando a execução e a conversão da energia mecânica para energia elétrica (Figura 3). Para tanto, uma

4 correia flexível interliga o eixo de rotação, onde está fixada uma roldana, ao alternador elétrico. Posteriormente, o sinal elétrico gerado é repassado para um regulador de tensão visando compatibilizar essa tensão de saída. Figura 3. Detalhe do sistema de transmissão da energia mecânica de rotação em energia elétrica com uso de um gerador elétrico automotivo (alternador). No sentido de realizar ensaios controlados, visando medidas experimentais da eficiência global da turbina eólica que foi construída, decidiu-se construir um protótipo de túnel de vento, isto é, um equipamento complementar que fornece ventos forçados direcionados por meio do emprego de um grande ventilador elétrico (marca Munters-Euroemme, com dimensão de 1,40m x 1,40m). Este equipamento ligado a um gerador de frequências, conectado ao motor elétrico do ventilador, possibilita o controle da velocidade de rotação do mesmo e, consequentemente, a velocidade do vento gerado. Por meio de um sistema metálico fechado, onde em uma das extremidades fica posicionado o ventilador e na outra a turbina eólica vertical, permite analisar o comportamento da turbina eólica com o vento incidente sobre ela. Para que as medições dos parâmetros experimentais pudessem ser realizadas por intermédio de procedimentos adequados, rápidos e seguros, empregaramse alguns sensores digitais do tipo DS1820 [4], sensores de velocidades no eixo de rotação, anemômetros, placas de comunicação e interfaces do tipo ARDUINO [5] ou RADIUINO [6]. Lembrando que esses últimos dispositivos já existiam no Laboratório de Meios e de Telecomunicações e puderam ser usados na pesquisa. Entretanto, outros materiais utilizados no desenvolvimento do trabalho foram custeados pelo responsável do projeto maior, enquanto que outros foram doados por fornecedores e/ou adquiridos por doações de pessoas conhecidas pelo professor responsável, mas não relacionadas diretamente ao projeto Determinação da curva de eficiência e acessórios A curva de eficiência, ou curva de potência, da turbina eólica vertical, cuja montagem é descrita no item anterior, pode ser obtida por meio de dados da potência gerada para velocidade do vento incidente no local de realização dos ensaios. Para tanto, primeiramente, deve-se calcular a potência com dados de tensão e corrente elétrica medida durante ensaios na saída da turbina, por meio da Equação 1. ( ϕ) P = V I cos (1) Nesta relação, P é a potência calculada (em Watt); V é a tensão voltaica medida (em Volt = V); I é a corrente elétrica (em Ampère = A) e φ é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente elétrica. Adicionalmente, a incerteza dos resultados pode ser obtida usando a Equação 2. δp = P δv V 2 δi + I 2 (2) Sendo que, nesta equação, os termos δv e δi são as incertezas fornecidas pelos fabricantes do voltímetro e amperímetro, respectivamente. As medições de tensão podem ser feitas por meio de um voltímetro e amperímetro ligados aos terminais de saída do alternador e um banco de baterias, em paralelo e em série, respectivamente. Mede-se e registraram-se os valores instantâneos da tensão e corrente elétrica, com medidas realizadas, por exemplo, a cada 5 minutos em cada ensaio. Para a medição da velocidade do vento foi usado um anemômetro (Figura 4), localizado na direção entre a saída do ventilador e na entrada principal, onde se localizava o rotor da turbina eólica vertical. Figura 4. Vista do anemômetro utilizado amedição da velocidade do vento. Utilizando o mesmo sensor e método utilizados no item anterior, o sensor de Efeito Hall (Figura 5) foi

5 usado, já que, da mesma forma, iria usar a frequência para o cálculo das velocidades de rotação para análise de dados e estudo de hipóteses [7]. Sendo levado em conta que, os sensores foram colocados de modo que não atrapalhassem o movimento das pás coletoras, para que não houvesse nenhuma perda, por interferências na resistência do ar. Figura 5 Imagem do sensor de Efeito Hall utilizado. O sensor escolhido é usado em diversas áreas, mas com o mesmo intuito, medir velocidades. Porém, apenas com ele, conseguimos valores de frequência (número de oscilações por segundo) para futuros cálculos. Por isso, foi escrito um algoritmo para o tratamento de dados vindos do sensor. Assim, temos as velocidades, tanto linear quanto angular. Neste sentido, o sensor trabalha exatamente como o fenômeno estudado por Edwin H. Hall, mas invertendo o sentido do fluxo de corrente a cada vez que um imã passa por ele, ou, em outras palavras, trocando o pino de entrada pelo de saída ao sofrer ação do campo magnético. Como comentado antes, a turbina eólica trabalhou, na maior parte do tempo, sofrendo a ação do ventilador. Então, o emprego dessas grandezas ao projeto virá quando a unidade eólica for colocada em um ambiente estratégico para entrar em contato com os ventos espontâneos. Com os valores em mãos, teremos conhecimento do comportamento dessas grandezas na produção dos ventos. O sensor utilizado está ilustrado na Figura 6. Figura 6 Ilustração do sensor de temperatura e umidade. Para receber todos os dados vindos dos sensores, foi necessária a construção de uma placa de controle, já que a mesma seria responsável pelos cálculos e outros tratamentos de dados. A placa por sua vez, se comunica com uma base (UartsBee), ligada a um computador via USB, por meio da comunicação via rádio com o dispositivo BE900 e transfere essas informações a um software de gerencia, que no caso é o ScadaBR, o qual nos desse uma visão mais organizada das grandezas e, consequentemente, dos sensores aplicados na turbina eólica. Vemos que na placa, conforme na Figura 7, que há entradas e saídas. Nas entradas temos a ligação dos sensores e as saídas foram usadas para tomada de decisão, quando algum sensor apontar um valor prédeterminado [3]. Figura 7 Imagem da placa de controle, onde na entrada foram implementados os sensores. O trabalho permitiu aprofundar e compreender a ideia proposta no Plano de Trabalho de Iniciação Científica, ou seja, a geração de energia elétrica a partir da energia eólica durante o processo. Foi possível estar perto da construção, desenvolvimento e uso da turbina eólica e, principalmente, o emprego de sensores somados numa RSSF visando à eficiência energética. Apesar da dificuldade de realizar o estudo, pois o equipamento utilizado e a área estudada nos impõe certas exigências e premissas, tais como: condições reais de operação de uma turbina eólica, condições ambientais favoráveis e a incidência dos ventos, além de problemas na construção das pás coletoras, dentre outras. Dessa forma, é possível admitir que os objetivos propostos foram sendo alcançados satisfatoriamente.

6 Os testes, aqui apresentados e discutidos, revelam que os sensores tiveram um desempenho bom, diante dos objetivos que haviam sido determinados no inicio do trabalho. 5. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES Com as etapas discutidas no resumo e concluídas, foi possível a exploração qualitativa e quantitativa de áreas da Eletricidade, Eletrônica, Física Básica e Moderna. Foi possível ter uma melhor compreensão de conceitos dos campos citados anteriormente, além da oportunidade de se ter contato com estudos teóricos de caráter científico, somados aos objetivos de otimizações de técnicas experimentais. Quando o Plano de Trabalho proposto estiver completado, se poderá ter a oportunidade de comparar os dispositivos de detecção para medições das eficiências da turbina eólica com as eficiências de outras fontes alternativas de energia. Por intermédio dessa conduta, poder-se-á refletir sobre diferentes maneiras de diminuir os impactos ambientais causados pelo uso excessivo de outras fontes não renováveis, como por exemplo, os combustíveis fósseis. Entretanto, aplicações e outras análises deverão ainda ser realizadas, já que tivemos um curto período de tempo para concluir todas as atividades previstas. Sendo assim, os realizadores do projeto pretendem consolidar todas as etapas previstas no próximo período de bolsa de Iniciação Científica. AGRADECIMENTOS Agradecemos à PROPESQ e à Reitoria da PUC- Campinas pela concessão da bolsa de Iniciação Científica no período parcial de REFERÊNCIAS [1] Lima, M. R. (2009). O uso da energia eólica como fonte alternativa para solucionar problemas de energia e bombeamento de água subterrânea em locais isolados. TCC do curso de Engenharia da Universidade Federal de Lavras. 45p. [2] Silva, G. B. O. (2011). Desenvolvimento de uma turbina eólica de eixo vertical. Dissertação em Engenharia Aeroespacial. Instituto Superior Técnico da Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, 98p. [3] EAESL (The Encyclopedia of Alternative Energy and Sustainable Living). (2012). Disponível em: < _Savonius_turbine.html>. Acesso em: 19/10/2012. [4] DALLAS INSTRUMENTS. Semiconductor - DS1820 digital thermometer. (2012). Disponível em: < Acesso em: 14/05/2012. [5] ARDUINO. (2012) Disponível em: < Acesso em: 04/08/2012. [6] RADIUINO. (2012). Disponível em: < Acesso em: 13/11/2012. [7] HALL (2014). Disponível em < Efeito-Hall.pdf>. Acesso em 07/06/2014.