Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010 Gerador Eólico de 24kW Daniela Vacarini de Faria Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP Brasil Bolsista PIBIC CNPq danivacarini@gmail.com Lindolfo Araújo Moreira Filho Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 Vila das Acácias CEP 12228-901 - São José dos Campos, SP Brasil lindolfo@ita.br Resumo: Neste trabalho analisou-se dois projetos distintos de uma torre para emprego em gerador eólico, sendo uma cônica e outra telescópica. Ambas foram analisadas segundo o critério de Von Misses, para verificação do deslocamento e tensão máxima, sendo que as duas satisfaziam os requisitos do projeto. Na análise modal, porém, apenas a torre cônica possuía frequências naturais fora da faixa de frequências da sombra das pás do rotor. Palavras-chave: energia eólica, aerogerador. 1. Introdução Em locais com velocidades de vento elevadas, as usinas eólicas competem com os custos das formas de geração convencional, além de não poluir. Em locais isolados e distantes da rede elétrica, mesmo com velocidades mais baixas, a energia eólica é competitiva devido aos altos custos de extensão da rede convencional. Com a conscientização ecológica e o gradual esgotamento das reservas energéticas convencionais, a energia eólica torna-se cada vez mais competitiva. Em países como Dinamarca e Alemanha, por exemplo, a energia eólica já tem participação expressiva na matriz energética nacional. No Brasil, além dos problemas energéticos comuns mundiais, a geração insuficiente de energia elétrica pode comprometer a retomada do crescimento econômico e ainda existem várias localidades que ainda não possuem acesso a energia elétrica, comprometendo a inclusão social. Neste contexto a energia eólica pode cumprir importante papel, pois grande parte do litoral brasileiro e diversas áreas montanhosas no interior são propícias para a geração eólica. Temos sete destas usinas em operação no Brasil, mas utilizando equipamentos importados. Além disso várias fazendas, vilas e cidades isoladas poderão obter o acesso à energia elétrica, reduzindo o uso de geradores diesel e, o mais importante, abandonando a escuridão e a exclusão social. 2. Objetivos Avaliar teórica e numericamente a torre de um gerador eólico de 24 kw, de características inovadoras, de baixo custo, para velocidades moderadas de vento, destinado a emprego individual em residências ou instalações (micro usinas) e também para compor uma "fazenda de geradores", com possibilidade de integração a outras fontes alternativas de energia e à rede de energia das operadoras. A investigação concentra-se na aerodinâmica de turbinas eólicas tradicionais com hélice de eixo horizontal, no armazenamento da energia por baterias de acumuladores e por capacitores especiais, no material e dinâmica de vibrações das torres e estruturas e no circuito de controle para inicialização, frenagem, guinada, proteção contra ventos muito fortes e otimização da eficiência de geração. As facilidades e recursos humanos do ITA e da empresa interveniente serão utilizados para a construção e teste do protótipo, que poderá ensejar uma fabricação em larga escala. 3. Método 3.1. Requisitos do projeto A torre deve ser projetada para ser instalada na região rural de São José dos Campos, se adequando às condições climáticas da região. A nacele terá 600kg, sendo q o eixo das pás fica a 60cm de sua base. O rotor é constituído de 3 pás, projetadas para funcionarem entre 60 e 100rpm. A torre deverá ter aproximadamente 18m de altura.
3.2. Força exercida pelo vento Os cálculos da força exercida pelo vento foram feitos de acordo com a norma NBR 6123 Forças devidas ao vento em edificações, de Junho de 1988. De uma maneira geral, cada componente da força exercida pelo vento pode ser expressa pela Eq. (1). Onde q é a pressão dinâmica; Cf e A são, respectivamente, um coeficiente de força e a área de referência, especificados em cada caso. A pressão dinâmica será dada Eq. (2). Sendo Vk, velocidade característica, obtida através da Eq. (3). Onde V0 é a velocidade básica; S1, um fator topográfico; S2, um fator que considera a influência da rugosidade do terreno e das dimensões da edificação e de sua altura sobre o terreno; S 3, um fator baseado em conceitos probabilísticos 3.3. Análise As torres projetadas foram analisadas usando-se o programa Nastran. 4.Resultados e discussão 3.1. Força exercida pelo vento O cálculo da força exercida pelo vento encontra-se a seguir. 3.1.1. Velocidade Básica A velocidade básica foi obtida através da figura 1. (1) (2) (3)
Figura 1:Carta de ventos Para a região do Vale do Paraíba, a velocidade básica é 30 m/s. 3.1.2. Fator topográfico, S1 Este fator considera o relevo do terreno, que deve ser classificado numa das seguintes categorias: I. terreno plano ou fracamente acidentado; II. III. taludes e morros; vales profundos, protegidos de ventos de qualquer direção. Considerando um terreno fracamente acidentadado, tem-se S1=1. 3.1.3. Fator de rugosidade e geometria, S2 No cálculo do fator S2 leva-se em consideração os efeitos da rugosidade do terreno, da variação da velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimensões da torre. Em ventos fortes em estabilidade neutra, a velocidade do vento aumenta com a altura acima do terreno. Este aumento depende da rugosidade do terreno e do intervalo de tempo considerado na determinação da velocidade. Este intervalo de tempo está relacionado com as dimensões da edificação, pois edificações pequenas e elementos de edificações são mais afetados por rajadas de curta duração do que grandes edificações. Para estas, é mais adequado considerar o vento médio calculado com um intervalo de tempo maior. Com base nas características da zona rural do Vale do Paraíba e das classificações fornecidas na pág8 da NBR 6123 foi escolhida a classificação que se segue: I. Rugosidade do terreno Categoria III: Terrenos planos ou ondulados com obstáculos, tais como sebes e muros, poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas. II. Dimensões da edificação
Classe A: Todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças individuais de estruturas sem vedação. Toda edificação na qual a maior dimensão horizontal ou vertical não exceda 20 m. Figura 2: Tabela do fator S2 A partir das considerações feitas, o valor adotado para o fator S2 será igual a 1,06. 3.1.4. Fator probabilístico, S3 O fator estatístico S3 considera o grau de segurança requerido e a vida útil da edificação., para este projeto S3=1. 3.1.5. Pressão dinâmica Apartir dos dados obtidos, a pressão dinâmica será calculada pelas Eq.(1) e (2). 3.1.6. Coeficientes aerodinâmicos A tabela a seguir fornece os coeficientes aerodinâmicos em uma edificação cilíndrica de seção circular. Estes coeficientes aplicam-se somente para número de Reynolds Re > 420000 (acima da região crítica) e com vento incidindo perpendicularmente ao eixo do cilindro, de diâmetro d. O número de Reynolds é obtido a partir da Eq.(4). (4)
Tabela 1- Coeficientes de arrasto, Ca, para barras prismáticas de seção circular e de comprimento infinito Considerando que o diâmetro da torre será da ordem de 1m, tem-se a partir da Eq.(4): A partir do Reynolds obtido, tem-se que: Ca=0,7. Os coeficientes acima referem-se a barras prismáticas de comprimento. Para barras de comprimento finito, os coeficientes de força devem ser multiplicados por um fator K. Este fator depende da relação entre comprimento da barra (l) e de sua largura (d) medida na direção perpendicular à do vento. A tabela a seguir fornece os valores de K em função de l/d. Tabela 2 - Valores do fator de redução, K, para barras de comprimento finito Considerando que l é da ordem de 18m e d da ordem de 1m, tem-se : Para barras de seção circular em regime acima de Re=4,2.105 e razão l/d=20, a tabela fornece K=0,9. 3.1.7. Cálculo da pressão na Torre A partir dos valores calculados nas seções anteriores, tem-se pela Eq. (5): (5) 3.2. Planta da Torre Foram analisadas as duas torres representadas na figura 3. As duas torres foram analisadas para uma chapa de aço com 4mm de espessura.
Figura 3: Projeto da torre cônica e telescópica. 3.3. Análise dos projetos 3.3.1. Análise estrutural As torres foram analisadas pelo critério de Von Misses, usndo-se o Nastran. Os resultados encontram-se nas figuras 4 e 5.
Figura 4:Tensões na torre cônica Figura 5: tensões na torre telescópica Ambas estruturas possuem tensão máxima inferior a 200MPa, limite de escoamento do aço.
3.3.2. Analise de frequências naturais O resultado da análise modal das estruturas encontra-se nas figuras 6 e 7. Figura 6:Primeiro modo de vibração Figura 7:Primeiro modo de vibração A estrutura telescópica apresenta primeiro modo de vibração igual a 5,05Hz, enquanto a torre cônica apresenta primeiro modo igual a 6,16Hz. A frequência das pás vai de 60rpm a 100rpm, ou seja, 1Hz a 1,7Hz. Considerando um rotor com 3 pás, as sombras na torre serão de 3Hz a 5Hz, portanto a torre cônica é mais adequada ao projeto.
5. Conclusão Por satisfazer tanto o critério de Von Misses quanto os requisitos referentes a frequência das sombras das pás, a torre cônica é a mais indicada para este projeto. 6. Agradecimentos Agradeço ao Cnpq, aos professores Lindolfo Araújo Moreira Filho e Alfredo Faria e ao colega Elder Soares Rodrigues. 7. Referências Comitê Brasileiro de Construção Civil, 1988, Forças devidas ao vento em Edificações, Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, Brazil, pp. 4-35.