UTILIZAÇÃO DE GERADORES EÓLICOS DE PEQUENO PORTE EM ÁREAS ISOLADAS

Faculdade de Tecnologia de Garça CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL LUCAS FERNANDO GRANAI MARCO ANTONIO NUNES DA SILVA UTILIZAÇÃO DE GERADORES EÓLICOS DE PEQUENO PORTE EM ÁREAS ISOLADAS GARÇA 2013

Faculdade de Tecnologia de Garça LUCAS FERNANDO GRANAI MARCO ANTONIO NUNES DA SILVA UTILIZAÇÃO DE GERADORES EÓLICOS DE PEQUENO PORTE EM ÁREAS ISOLADAS Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça FATEC, como requisito para a conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores: Data da aprovação: 03/12/2013 Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes Prof. Espec. Adalberto Sanches Munaro Prof. Ms. José Augusto Ferraz de Campos GARÇA 2013

UTILIZAÇÃO DE GERADORES EÓLICOS DE PEQUENO PORTE EM ÁREAS ISOLADAS Lucas Fernando Granai¹ lucas_granai@hotmail.com.br Marco Antonio Nunes da Silva marco.mecat@yahoo.com.br Ulysses de Barros Fernandes² ulyssesbfernandes@yahoo.com.br Abstract-This article describes the importance of renewable energy sources focusing the study on wind power, through an application demonstrating its functionality. Performing the scaling of a small wind generator in a residential application with basic equipment, it is possible to get essential data such as diameter blade, for use in localized areas or in isolated spots outside the cities, out of reach of broadcasts grid. Keywords : Renewable Energy, Wind Generator, Diameter blade. Resumo-Este artigo descreve a importância das fontes de energias renováveis focando o estudo na energia eólica, demostrando através de uma aplicação sua funcionalidade. Realizando o dimensionamento de um gerador eólico de pequeno porte em uma aplicação residencial com equipamentos básicos, torna-se possível conseguir dados essenciais como diâmetro das pás, para a utilização em áreas localizadas em pontos isolados ou fora das cidades, longe do alcance das transmissões da rede elétrica. Palavras chave: Energias Renováveis, Gerador Eólico, Diâmetro das Pás. ¹ Alunos da Faculdade de Tecnologia de Garça-FATEC do Curso de Mecatrônica Industrial ² Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça-FATEC

2 1 INTRODUÇÃO A geração de energia elétrica por meio de fontes renováveis é um tema relevante, levando em consideração às fontes convencionais (como exemplo, os combustíveis fósseis) que, por sua vez, trazem consigo agressões ao meio ambiente e ao planeta. A qualidade de vida de uma sociedade está diretamente ligada ao seu consumo de energia, tornando necessária uma conscientização maior no que diz respeito à sua utilização. As energias que são consideradas recursos não-renováveis, como o petróleo e o carvão, com a utilização acabam se esgotando, além de causarem efeitos colaterais ao planeta. É assim que surge a necessidade das fontes de energias renováveis e limpas, entre elas se destacam a energia solar, biomassa, eólica, entre outras. Para desenvolvimento do projeto foi escolhida a energia eólica que se bem aproveitada pode ser de grande utilidade, pois além de não poluir o meio ambiente e quase não causar danos à natureza, também pode ser muito bem aproveitada no Brasil onde há um potencial eólico grande e a ser considerado em algumas regiões. A energia eólica para Chaves, Alves, Moreira et al: É uma forma de energia cinética produzida pelo aquecimento diferenciado das camadas de ar, originando uma variação da massa específica e gradientes de pressão. Além disso, também é influenciada pelo movimento de rotação da Terra sobre o seu eixo e depende significativamente de influências naturais. Sabendo dessa importante forma de produzir energia elétrica, pode se ver no mundo atual, muitos países investindo em parques eólicos, moinhos de ventos e principalmente em estudos que englobam todos esses fatores que implicam em um futuro melhor para os descendentes, que poderão sofrer consequências menores com a utilização dessa forma de geração de energia. No Brasil se encontram instalados 248 MW de capacidade de energia eólica derivados de dezesseis empreendimentos em operação. A figura 1 mostra algumas usinas em operação no Brasil no ano de 2007.

3 Figura 1 - Usinas em operação no Brasil Fonte: www.aneel.com.br (2007) Sabe-se também que a energia eólica não é uma energia fixa e que tende a variar, não sendo constante como as demais e por isso é necessário o controle de potência dos aerogeradores. Outra opção é o armazenamento em baterias, que é o mais viável em instalações de baixa potência. A utilização dessa opção energética em áreas isoladas pode ser de grande ajuda já que em algumas regiões, famílias ainda não podem usufruir da energia por não terem transmissão das redes elétricas até suas residências. 1.1 OBJETIVO Desenvolver um projeto teórico de um gerador eólico de pequeno porte para suprir necessidades básicas de uma residência em locais onde não se tenha transmissão de energia por redes elétricas e em lugares onde haja potencial eólico que satisfaça a necessidade do projeto, apresentando também através de um protótipo experimental a validação e demonstração da energia eólica. 1.2 JUSTIFICATIVA

4 Todos precisam da energia elétrica e é impossível pensar no mundo atual sem ela. Com isso tornam-se importantes os meios alternativos de geração de energia. A produção da eletricidade através da energia eólica é uma ótima opção para nosso país que tem um grande potencial eólico em algumas regiões. Levando em conta uma residência com equipamentos básicos para uma localidade, com ventos que supram os requisitos para movimentação das pás, podese produzir energia elétrica, diminuindo um problema e ainda colaborando com o meio ambiente pelo fato de se utilizar de uma fonte renovável e limpa de geração de energia. 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 AEROGERADORES O aerogerador é um dispositivo que capta a energia contida nos ventos através de suas pás e pelo movimento de rotação de seu eixo, acoplado á um gerador elétrico, transforma a energia cinética gerada pelo rotor em energia elétrica. Entretanto os geradores elétricos acoplados a eles não produzem energia suficiente girando na mesma rotação em que as pás do rotor giram, pois não alcançam altas rotações, geralmente entre 100 RPM, dependente do diâmetro de suas pás, já os geradores produzem energia acima de 1000 RPM. Existem hoje vários tipos de aerogeradores, sendo que cada um tem uma funcionalidade e características diferentes. Para que se haja um aproveitamento melhor é necessário entende-los e saber para que, como e onde serão utilizados. horizontal. horizontal. Entre os geradores eólicos pode-se dizer que o mais conhecido é o de eixo Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns, e grande parte da experiência mundial está voltada para a sua utilização. São movidos por forças aerodinâmicas chamadas de 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). CRESESB (2008) A figura 2 mostra um modelo esquemático de um aerogerador de eixo

5 Figura 2 Esquemático de um aerogerador Fonte: Andrade, 2007 A pá é um dos equipamentos mais importantes, pois é através da sua movimentação, causada pelo vento que passa por ela, que se pode gerar energia elétrica. Para saber qual a quantidade de energia que pode ser gerada é necessário entender quatro fatores que influenciam no sistema que são: a quantidade de vento que passa pelas pás, o diâmetro das pás, a dimensão do gerador e o rendimento de todo o sistema. O princípio para geração de energia é simples, o gerador é ligado por meio de um conjunto acionador e um rotor, constituído de um cubo e um grupo de pás. O vento aciona o rotor girando o gerador, que por sua vez, converte a energia mecânica das pás em energia elétrica. 2.2 COMPONENTES DE UM SISTEMA EÓLICO CONVENCIONAL 2.2.1 Vento É o principal elemento, ele determina a disponibilidade energética do local destinado à instalação do sistema eólico.

6 2.2.2 Rotor Componente responsável por captar a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica de rotação. É o componente que mais caracteriza um sistema eólico, pois ele influencia diretamente no rendimento do sistema. 2.2.3 Transmissão e caixa multiplicadora A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador adequando a rotação do rotor compatível com a rotação do gerador elétrico. 2.2.4 Gerador Elétrico Responsável pela transformação da energia mecânica de rotação em energia elétrica através de equipamentos de conversão eletromecânica. 2.2.5 Mecanismo de Controle Destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao controle de carga, etc. Pela variedade de controles, existe uma enorme variedade de mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da carga). 2.2.6 Torre As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o seu funcionamento. Em geral, as torres são fabricadas de metal (treliça ou tubular) ou de concreto e podem ser ou não sustentadas por cabos tensores. 2.2.7 Sistema de Armazenamento Também chamado de banco de baterias, pode ser necessária à utilização desse sistema devido à mudança de comportamento do vento ao longo do tempo, ele garante o fornecimento de energia adequado à demanda. 2.2.8 Transformador

7 Responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede elétrica. 2.2.9 Acessórios Englobam todos os itens de apoio necessários ao funcionamento do sistema eólico como freios, embreagens, acoplamentos, eixos e mancais. 2.3 POTENCIAL EÓLICO Levantamentos de estudos feitos e de alguns ainda em andamento (locais, regionais e nacionais), têm dado suporte e motivado a exploração comercial da energia eólica no País. Os primeiros estudos foram feitos na região Nordeste, principalmente no Ceará e em Pernambuco. De acordo com informações da Secretaria de Energia de São Paulo (2012), cidades como Bauru, Campinas e Sorocaba destacam-se no Atlas Eólico do Estado de São Paulo, tendo a possibilidade de gerar 13 TWh de energia limpa e renovável por ano que implica no atendimento de cinco milhões de residências durante doze meses. Com o apoio da ANEEL e do Ministério de Ciência e Tecnologia - MCT, o Centro Brasileiro de Energia Eólica CBEE, da Universidade Federal de Pernambuco UFPE, publicou em 1998 a primeira versão do Atlas Eólico da Região Nordeste. A continuidade desse trabalho resultou no Panorama do Potencial Eólico no Brasil. Os recursos apresentados a seguir, referem-se à velocidade média do vento e energia eólica média a uma altura de 50m acima da superfície para 5 condições topográficas distintas: Zona costeira áreas de praia, normalmente com larga faixa de areia, onde o vento incide predominantemente do sentido mar-terra; Campo aberto áreas planas de pastagens, plantações e /ou vegetação baixa sem muitas árvores altas; Mata áreas de vegetação nativa com arbustos e árvores altas mas de baixa densidade, tipo de terreno que causa mais obstruções ao fluxo de vento; Morro áreas de relevo levemente ondulado, relativamente complexo, com pouca vegetação ou pasto;

8 Montanha áreas de relevo complexo, com altas montanhas. A tabela 1 demonstra os dados para cada uma das condições. Tabela 1 - Definição das classes de energia Fonte: http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_3.htm Apesar de toda potência do vento, somente parte dela pode ser extraída para geração de energia, e essa parcela é determinada pelo coeficiente de potência, Cp, isto é, a relação entre a potência possível de se extrair do vento e a quantidade total nele contida (FARRET, 1999, p.70). O coeficiente de potência máximo teórico que uma turbina pode extrair do vento, segundo o limite de Betz, é de aproximadamente 59% (Cp de 0,59), mas para aplicações práticas utilizam-se valores inferiores. Outro fator a ser levado em consideração é distribuição dos ventos no país, o qual pode ser observado na figura 3: Figura 3 - Distribuição dos Ventos no Brasil Fonte: G1, 2011

9 2.4 Utilização da energia eólica isolada Com o uso da energia eólica isolada torna-se possível utilizar se de sistemas de pequeno porte, onde um armazenamento posterior à geração, que pode ser feito através de baterias, torna-se necessário. Esse sistema necessita de um controle de carga e um inversor para utilização em corrente alternada (CA). Os geradores eólicos são uma ótima opção de geração de energia elétrica para pontos isolados, pois um pequeno aerogerador pode abastecer uma residência, sendo bastante viável comparando-o com outros tipos de geradores (geradores á diesel ou á gasolina). Na figura 4 é demonstrada uma exemplificação de um sistema eólico residencial. Figura 4 - Sistema Eólico Residencial Fonte: Andrade, 2007 2.5 Dimensionamento do gerador eólico de pequeno porte 2.5.1 Cálculo da demanda Antes de dimensionar o aerogerador é necessário conhecer a demanda e a carga na qual ele será submetido para que não haja sobrecarga no sistema. Na tabela 2 é calculada, para uma residência com equipamentos básicos, a demanda total para o dimensionamento através do cálculo de demanda:

10 Onde: D= Demanda total P= Potência em watts FD = Fator de demanda FP = Fator de Potência N= rendimento do equipamento Tabela 2 - Demanda de uma pequena residência Fonte: Os autores O chuveiro elétrico deve ser evitado para aplicações de pequeno porte, pois consome muita energia e implica em um grande acréscimo de custo neste sistema e sabe-se que existem outras formas de aquecimento de água muito mais viáveis. Tendo já calculada a demanda total é necessário também determinar o tempo de uso de cada aparelho para conseguir dimensionar a bateria para fornecer a energia necessária para o consumo diário total. A tabela 3 determina o valor através do cálculo de demanda para bateria: ( ) Onde : D= demanda P = potência em watts V= tensão da bateria T= tempo de uso do equipamento

11 Tabela 3 - Consumo de Bateria Fonte: Os autores Nessas condições de uso torna-se necessário um banco de baterias com carga disponível em torno de 202 Ah (ampere hora). 2.5.2 Cálculo da pá necessária Para a demanda total de 588 W e o consumo de carga de 202 Ah encontram-se alternadores bem próximos dos valores obtidos como, por exemplo, um alternador de 55 A e 12 V, totalizando 660 W de potência que supri o abastecimento da residência. Para se obter o tamanho das pás que movimentará o aerogerador é preciso conhecer a força necessária para o funcionamento e esse valor é obtido pela seguinte expressão: Onde: Aplicando na fórmula tem-se que: Para acionar o gerador, é necessário cerca de 0,965 CV de potência a ser extraída do vento por suas pás. Conversão de unidades de cavalo vapor (CV) para watts (W):

12 Onde: Totalizando um montante de 704 W a ser extraído do vento. Com base nessas informações, é possível determinar o diâmetro das pás que impulsionarão o gerador eólico. Através do cálculo do potencial eólico tem-se que: Sendo: Isolando a área (S) da fórmula, obtem-se: Assim é possível determinar a área varrida pelas pás. Como descrito anteriormente, necessita-se de uma potência a ser extraída do vento de 704 W. Convertendo unidades: 704/9,81= 71,76 kgm/s Substituindo na fórmula utilizando um coeficiente de potência (CP) de 0,25 e com velocidade média de ventos de 4,5 m/s: Sendo: Obtendo assim, uma pá que tenha 4,87 m² de área varrida.

13 Isolando r: Colocando os dados na fórmula tem se que: Transformando para diâmetro:,, Após todo o procedimento chega-se á pás com 2,5 m de diâmetro para que se acione o gerador eólico com potência de 660 W. 2.6 Custo estimado Após consultas de preços dos principais componentes do aerogerador obtém os seguintes valores conforme indicado na tabela 4. Tabela 4 - Custo estimado do gerador Fonte: Os autores 2.7 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO Para demonstração da energia eólica foi desenvolvido um protótipo experimental em menor escala contendo alguns dos principais itens de um sistema eólico convencional como: rotor, gerador trifásico e retificador.

14 Figura 5 Protótipo Experimental de Aerogerador Fonte: Os autores Em testes realizados em túnel de vento, verificou-se a geração de energia com esse equipamento em torno de 8,5V com uma carga aplicada de 21W (uma lâmpada de 12V e 21W). Para utilização em condições reais de aplicação torna-se necessário um multiplicador de velocidades, pois o gerador que foi utilizado no protótipo necessita de rotação elevada para gerar energia em sua potência nominal. Figura 6 - Aerogerador Experimental Fonte: Os autores

15 3 CONCLUSÃO Com o desenvolvimento deste artigo conclui-se que as fontes de energias renováveis, como a energia eólica, vem ganhando espaço no mundo atual onde a busca por energias limpas é um grande desafio para as próximas décadas. A utilização eólica torna-se uma ótima opção de geração de eletricidade em locais onde não se tem redes de transmissão de energia elétrica. Sua instalação implica primeiramente conhecer alguns fatores determinantes como é o caso da disponibilidade dos ventos, sua intensidade e frequência. Logo após é preciso conhecer o consumo da residência para que se dimensione o gerador eólico e o banco de baterias capaz de suprir a demanda sem que haja sobrecarga no sistema. O protótipo desenvolvido é em menor escala e foi verificada a necessidade de um multiplicador de velocidade, pois o gerador, ao qual o rotor está acoplado diretamente, precisa girar em maior rotação para que produza energia conforme o especificado (potência nominal do gerador). Futuros estudos e o surgimento de novas tecnologias poderão implicar em novos projetos para utilização de aerogeradores mais acessíveis e com maior eficiência e consequentemente a redução de uso de fontes de energias nãorenováveis e nocivas ao meio ambiente. REFERÊNCIAS ANDRADE, José Roberto Junior. Energia eólica e aerogeradores. 2007. Apresentação (Disciplina tópicos de mecânica) Faculdade Tecnológica do Paraná UTFPR. ATLAS DE ENERGIA ELÉTRICA DO BRASIL/Agência Nacional de Energia Elétrica. Ed. Brasília: Aneel, 2008. CAMPOS, Fabio Galizia Ribeiro, Gerador de energia a partir de fonte eólica com gerador assíncrono conectado a conversor estático duplo, 2004, Dissertação (Mestrado em Engenharia), Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, 2004. CHAVES, Anderson Martins. SANTOS, Sheila Alves dos. MOREIRA, Maicon Roberto. GODOI Luciano de. Gerador eólico. Projeto, Universidade Paulista, UNIP, Limeira, SP, 2010.

16 CRESESB, Tipos de geradores para geração de Energia Eólica, 2008, Disponivel em: http://www.cresesb.cepel.br/content.php?cid=231, acesso em 02 de nov. 2013. FARRET, Feliz Alberto. Aproveitamento de pequenas fontes de energia elétrica- Santa Maria Ed. da UFSM, 1999 245 p. MARTINS, F., R., GUARNIERI, R., A., PEREIRA, E., B... O aproveitamento da energia eólica. Artigo (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos), São José dos Campos, SP, 2007. MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE - Energia Eólica. Disponível em:< http://www.mma.gov.br/clima/energia/energias-renovaveis/energia-eolica>. Acesso em: 05/11/2013. SECRETARIA DE ENERGIA DE SÃO PAULO, Atlas Eólico de São Paulo é lançado< http://www.energia.sp.gov.br/lenoticia.php?id=396>. Acesso em: 27 de out. de 2013.