Sérgo Leoardo Nhapulo Veto Como Fote Alteratva de Eerga do Futuro Para a Províca de Gaza Lcecatura em Eso de Físca Uversdade Pedagógca Xa-Xa, Abrl de 010
Sérgo Leoardo Nhapulo Veto Como Fote Alteratva de Eerga do Futuro Para a Províca de Gaza Moograa Cetca apresetada ao Departameto de Físca, Delegação de Gaza, o âmbto da obteção do grau de lcecatura. Supervsores: dr. Joatae Matas Mace dr. Nordo Mugo Co-supervsor Proessor Doutor Máro Suarte Balo Uversdade Pedagógco Xa-Xa, Abrl de 010
v Declaração de Hora Declaro que este trabalho de dploma é resultado da mha vestgação pessoal e das oretações dos meus supervsores, o seu coteúdo é orgal e todas as otes cosultadas estão devdamete mecoadas o texto, as otas e a bblograa al. Declaro ada que este trabalho ão o apresetado em ehuma outra sttução para a obteção de qualquer grau académco. Xa-Xa, aos 14 de Abrl de 010 (Sérgo Leoardo Nhapulo)
v Dedcatóra A presete moograa dedco ao meu pa Leoardo Nhapulo pelo carho que me tem dado para a cotuação com os estudos assm como à mha lha Meyva Suéa Sérgo Nhapulo e a Mha amorada Doa Luís Nhaa e aço votos para que teham muta saúde e tudo o que há de bom a vda.
v Agradecmetos É com muto amor que expresso o meu maor recohecmeto aos meus supervsores dr. Joatae Matas Mace, dr. Nordo Mugo e Proessor Doutor Máro Suarte Balo pela pacêca e dedcação que exbram em mm durate a produção desta moograa. A mesma gratdão gostava de laçar aos docetes da Uversdade Pedagógca Delegação de Gaza, em partcular realce aos docetes do Curso de Físca que de orma sába colaboram a ormação de um uturo proessor ão muto meos prátco. Com vva voz gostava de agradecer aos meus compaheros da trchera que compõem o grupo que apeldamos pelo ome de grupo da sorte (são eles: Arão Saa, Eérco Coe, Eríco Saveca, dr. Eduardo Muguambe, Hélo Ngahae e Isabel Mace) pela amzade e rmadade que têm prestado comgo. Agradeço também ao meu amgo Geraldo por me ter ajudado a mpressão deste trabalho. Um muto obrgado va em especal aos meus rmãos Alcído Leoardo, Arldo Leoardo e Hermeegldo Leoardo pelo apoo moral, acero e materal durate os últmos 5 aos. Em m, com esta oportudade, gostara também de agradecer a todos que drecta ou drectamete partcparam e apoaram-me a elaboração desta moograa.
Resumo A geração de eerga eléctrca através da utlzação da eerga dos vetos tem avaçado substacalmete os últmos aos em países emergetes. Este trabalho relecte de orma geral, uma pesqusa realzada o campus da Uversdade Pedagógca Delegação de Gaza o setdo de ecotrar um strumeto alteratvo de geração de electrcdade a partr de uma udade eólca costruída com base o materal de baxo custo. Portato, este trabalho é dvddo em sete partes prcpas a saber: trodução, reerecal teórco, metodologa, apresetação e aálse de dados, terpretação dos dados, coclusão e sugestões. Etretato, estes tes costam os objectvos, o motvo de se ter que abordar este tema, as deas teórcas que sustetam a costrução do protótpo assm como a terpretação e aálse dos dados, a metodologa usada (que por sal é meramete expermetal e bblográca devdo a atureza da pesqusa), as dscussões dos dados orecdos pelo INAM e os meddos o sstema relatvos a trasormação da eerga eólca em eléctrca e por últmo as lações extraídas durate a observação do eómeo e alteratvas de como se pode adqurr maor quatdade de correte eléctrca. O aparelho ora costruído gera eerga eléctrca com base a eerga eólca e é capaz de recarregar uma batera de 6V, podedo assm esta eerga ser usada para dversos s (uso doméstco, uso laboratoral as escolas, ) e o protótpo pode ser usado o PEA para mostrar o processo de trasormação de eergas a sala de aulas. v
Ídce I. Lsta de guras...11 II. Lsta de tabelas...1 III. Lsta dos grácos...13 IV. Lsta de símbolos e abrevaturas...14 1. Itrodução...6 1.1. Tema... 7 1.. Delmtação da abordagem... 7 1.3. Formulação do Problema... 7 1.4. Objectvos... 8 Pág. 1.4.1. Objectvo geral... 8 1.4.. Objectvos especícos... 8 1.5. Hpóteses e Varáves... 9 1.5.1. Hpóteses... 9 1.5.. Varáves... 9 1.5..1. Varável depedete... 9 1.5... Varável depedete... 9 1.6. Importâca do Tema... 9 1.7. Motvação e Relevâca Prátca do Tema... 10. Reerecal teórco...11.1. O recurso eólco... 11.1.1. Mecasmos de Geração dos Vetos... 11.1.1.1. Tpos de Vetos... 11.1.1.1.1 Vetos globas... 11.1.1.1. Vetos de superíce... 1.1.1.1.3 Vetos locas... 1.1. Factores que luecam a eerga proveete do veto... 14.1..1 Desdade do ar... 14.1.. Área de varrmeto do rotor... 14.1..3 Dstrbução da pressão o rotor... 14.. Eerga e Potêca Extraída do Veto... 15.3. Tpos de Aerogeradores para Geração de Eerga Eléctrca... 0.3.1. Rotores de Exo Vertcal... 0.3.. Rotores de Exo Horzotal... 1
7.3..1. Pás, cubo e exo... 1.3..1.1. Torre....4. Aplcações dos Sstemas Eólcos....4.1. Sstemas Isolados... 3.4.. Sstemas Híbrdos... 4.4.3. Sstemas Iterlgados à Rede... 4 3. Metodologa...5 3.1. Motagem do Aerogerador de Cochas... 5 3.1.1. Materas e peças usadas... 5 3.1.. Etapas da motagem do rotor... 6 3.. Gradezas íscas meddas... 7 3.3. Tpo de pesqusa... 7 3.4. Métodos Quattatvos de Ivestgação... 8 3.5. Método de abordagem... 8 3.6. Téccas e strumetos de recolha de dados... 8 3.7. Área Geográca de vestgação... 9 4. Apresetação dos Dados e sua Aálse...30 4.1.Trasormação da eerga eólca em eléctrca... 30 4.. Dados relatvos a velocdade do veto durate 005 a 009... 31 4..1. Velocdade do Veto... 31 4... Velocdade do Veto Durate a Semaa... 3 4.3. Varações da Tesão e da Itesdade durate o carregameto da batera... 33 4.4. Tesão e Itesdade médas adqurdas pela batera... 34 4.5. Potêca gerada pelo sstema... 35 5. Iterpretação dos Resultados...35 5.1. Coversão de eerga... 35 5.. Iterpretação da velocdade do veto (005-009)... 35 5..1. Velocdade do veto com maor requêca... 35 5... Teste de hpótese e determação de tervalo de coaça... 36 5.3. Relação etre a varação da velocdade do veto e da tesão... 38 5.4. Relação etre a varação da velocdade do veto e da tesdade... 39 5.5. Tesão e tesdade adqurda pela batera... 40
8 5.6. Potêca... 40 6. Coclusões...4 7. Recomedações, Sugestões e Dculdades...43 8. Bblograa...44 9. Aexo...45 10. Apêdce...46
I. Lsta de guras Fgura 1 Brsas Marhas ao da (Fote:Slva, 005), pg.13 Fgura Brsas Marhas a ote (Fote:Slva, 005), pg.13 Fgura 3 Fluxo de ar através de uma área trasversal A (Fote: BRITO, 008), pg.16 Fgura 4 Perdas de velocdade do veto a passagem por um cojuto de pás. (Fote: BRITO, 008), pg.17 Fgura 5 Dstrbução de c p em ução de v / v 3 1(Fote: BRITO, 008), pg.18 Fgura 6 Prcpas orças actuates em uma pá de aerogerador Fote: Motezao, 008, p.137), pg.19 Fgura 7 Característcas c, p traçadas em ução de aproxmações umércas (Fote: Motezao, 008), pg.0 Fgura 8 Coguração de um sstema eólco solado (Fote: BRITO, 008), pg.3 Fgura 9 Coguração do sstema eólco (aerogerador eléctrco de cochas) solado, pg.7 Fgura10 Sstema de trasormação da eerga eólca em eléctrca, pg. 30 Fgura 11: Carregameto da batera de 6V, pg. 31 Fgura1 Quatdade de eerga produzda a uma velocdade 17km/h, pg. 31
1 II. Lsta de tabelas Tabela 1: Característca do materal, pg.5 Tabela : Méda, moda, medaa erro padrão, varâca, desvo padrão e coecete de Perso da velocdade do veto (005-009), pg.3 Tabela 3: Méda, moda e medaa da velocdade do veto etre os das 18 e 4 de Jaero de 010, pg.33 Tabela 4: Varações da tesão e da tesdade adqurdas pela batera etre os das 18 e 4 de 01 de 010, pg.34 Tabela 5: Méda, medaa, desvo padrão da varação da tesão e da tesdade adqurdas pela batera durate os 7 das, pg.34 Tabela 6: Valores da potêca méda e máxma gerada pelo sstema, pg.35 Tabela 7: Stetzação de teste de hpóteses estatístca, pg.36
13 III. Lsta dos grácos Gráco 1: Dstrbução das médas das velocdades, pg.44 Gráco : Dstrbução ormal padrão, pg.44 Gráco 3: Varação da tesão dára em ução da velocdade méda, pg.45 Gráco 4: Varação da tesdade dára em ução da velocdade méda, pg.46
14 IV. Lsta de símbolos e abrevaturas PEA Processo de Eso Apredzagem ESG Eso Secudáro Geral E Eerga INAM Isttuto Nacoal de Meteorologa P Potêca UEM Uversdade Eduardo Modlae INFP Isttuto Nacoal de Emprego e Formação Prossoal
1. Itrodução Toda actvdade humaa precsa de Eerga para que possa ser realzada. Qualquer movmeto só é possível se exstr eerga mecâca dspoível. Em ução desta ecessdade muto cedo a hstóra do desevolvmeto humao a coversão de ormas de eerga prmára em eerga Mecâca para a realzação de trabalhos motvou o ser humao a estudar e desevolver téccas de coversão de eerga. Uma das ormas de eerga prmára abudate a atureza é a Eerga dos Vetos, deomada eerga Eólca. A técca de coversão da eerga dos vetos em eerga mecâca prmeramete o explorada para utlzação em propulsão de avos, mohos de cereas, bombas de água e a dade méda para mover a dústra de orjara. A coversão da eerga dos vetos em eerga mecâca cosste uma técca relatvamete smples, bastado apeas que se teha um potecal eólco dspoível e que ressta aos caprchos da atureza. É este âmbto que o presete trabalho de pesqusa az uma abordagem relacoada com a eerga eólca procurado ecotrar uma alteratva que possa ser usada a geração de eerga eléctrca para o uso laboratoral assm como doméstco, a partr de udades eólcas smples e costruídos com materal de baxo custo.
7 1.1. Tema Costtu tema desta moograa o segute: Veto Como Fote Alteratva de Eerga do Futuro Para a Províca de Gaza. 1.. Delmtação da abordagem A ossa teção o de produzr um strumeto (aerogerador de cochas de coco) que possa servr de alteratva o processo de geração de correte eléctrca. Neste strumeto deu-se prordade a costrução assm como a medção de algumas gradezas como por exemplo: a tesão gerada pelo sstema com o crcuto aberto, a correte gerada com o crcuto aberto, a tesão gerada com o crcuto echado, a correte gerada com o crcuto echado, a potêca eléctrca do sstema, a carga adqurda pela batera por hora (em relação a uma determada velocdade méda do veto). É mportate destacar que estas e outras gradezas íscas são as que garatram a ecáca e ecêca do strumeto produzdo. Etretato, o strumeto em abordagem o motado e testado o Campus da Uversdade Pedagógca Delegação de Gaza por este costtur, a ossa vsão, um potecal eólco. 1.3. Formulação do Problema Como se sabe em geral para que um proessor seja bem suceddo uma aula de Físca, é ecessáro que a sua aula seja acompahada por uma experêca de demostração do eómeo em abordagem. É esta ordem de deas que se deede que as experêcas de demostração desempeham um papel prepoderate o Processo de Eso Apredzagem (PEA) de Físca. Um dos grades tormetos do Mudo de hoje é a questão relatva à eerga, o aprovetameto desta, ada ão atgu um ível satsatóro, vsto que a maora da eerga utlzada o plaeta é de orgem ão reovável, seja de ote meral, atómca, térmca ou hídrca. A eerga pode ser utlzada de orma mas cvlzada e meos dspedosa, por meo de otes reováves como a eerga eólca, solar, das marés, geotérmca e de outras mas.
8 A eerga eólca é uma das eergas reováves em destaque o paorama teracoal. Portato, é com base esta e outras udametações que propusemo-os em colocar as segutes questões de partda: 1. Como trasormar a eerga eólca em eléctrca?. Que strumeto de ácl acesso pode ser eto e usado a trasormação de eerga eólca em eléctrca? 1.4. Objectvos No correte tem são apresetados, o objectvo geral e os objectvos especícos a ser cocretzados esta moograa. 1.4.1. Objectvo geral O osso objectvo geral é costrur um strumeto alteratvo com base o materal de baxo custo ou recclado, que possa ser usado a geração de eerga eléctrca para o uso laboratoral assm como doméstco, a partr de udades eólcas smples. 1.4.. Objectvos especícos Detre város objectvos especícos destacam se os segutes: Idetcar um strumeto que pode auxlar a lustração do processo de trasormação de eerga eólca em eléctrca, durate as aulas de Físca as escolas do Eso Secudáro Geral (ESG); Motar o strumeto, com base o materal recclado, que possa carregar uma batera de 6V; Dscutr a cêca evolvda o sstema; Fazer medções das gradezas íscas evolvdas o sstema. Trar coclusões relacoadas com a ecáca e ecêca do strumeto.
9 1.5. Hpóteses e Varáves No correte tem dcamos as hpóteses e as respectvas varáves da pesqusa. 1.5.1. Hpóteses São dcadas como hpóteses do problema proposto o tem 1.3. as segutes: Através de um aerogerador de cochas de coco, pode-se trasormar a eerga eólca em eléctrca; O sstema pode ser motado a partr de um díamo a ser movdo por hélces horzotas; O sstema prevsto este projecto va carregar uma batera de 6V. 1.5.. Varáves Para este trabalho destacamos dos tpos de varável a saber: varáves depedete e varável depedete: 1.5..1. Varável depedete Neste caso a correte eléctrca é uma varável depedete. 1.5... Varável depedete Destacamos como varável depedete o veto. 1.6. Importâca do Tema O tema em abordagem assume um papel mportate a vda socal e ecoómca da população em partcular moçambcaa, assm como o processo de eso e apredzagem cocretamete o ramo de Físca, porque como se sabe, a Físca é uma colecção sstematzada de experêcas (experêca em termos de vvêca/ tercâmbo com a atureza). Ela cosste uma grade varedade de métodos de pesqusa (observação, medção, experêca, etc.) e apreseta-se como um sstema de resultados dessa pesqusa (cocetos, les, teoras, etc.) ou por outras, a Físca é uma cêca que estuda os eómeos aturas e les que regem esses eómeos,
10 portato, para que o aluo perceba esses eómeos, o proessor deve levar para a sala de aulas experêcas smples que lustram de orma mas clara os eómeos em causa. O teresse deste tema quado comparado com outros temas de pesqusas asce da vsão costrutvsta ode o aluo é vsto como cetro de ateção e também por ser de carácter emetemete cetíco. 1.7. Motvação e Relevâca Prátca do Tema Para além de ser um assuto de destaque o paorama acoal e teracoal, há város motvos que os levaram a ter que abordar este tema, porém teressa aqu dcar algus: Acredta-se que o tema tem uma relevâca cetca e socal porque é através deste tema que se pode crar um cohecmeto que cotrbua para o avaço da cêca, tecologa e cosequete desevolvmeto da socedade; Pos é com base o dspostvo ora costruído, que se dscut a cêca evolvda o sstema. O acto de exstr materal acessível para a costrução de protótpo que possa lustrar o eómeo mplca que em qualquer síto pode se motar o sstema desde mometo que esse síto seja potecal eólco, azedo com que as comudades se beecem deste tpo de eerga reovável (meos poluete) de baxo custo e, sobre tudo as zoas ruras ode a rede eléctrca de Cahora Bassa ão alcaça. Um dos motvos que aqu merece destaque é o acto de querermos respoder à váras questões que têm sdo colocadas pelas comudades e por algumas etdades do govero da Províca, a título de exemplo as que oram colocadas por Sua Exca Goverador da Províca de Gaza, durate uma exposção que teve lugar o INEFP 1. Ode os estudates da UP-Gaza colocavam em exposção a produção da eerga eléctrca (azedo tocar o rádo) a partr duma mavela e um díamo. Em que passamos a ctar as questões laçadas depos de se ter vercado o eómeo com sucesso: Já que vocês dzem que o sstema pode servr a comudade, o campoês terá que dexar de lavrar a terra mavelar o sstema para ouvr a rádo? Já pesaram em alguma alteratva que possa permtr com que a doméstca lá em Chdeguele... possa ouvr a rádo sem que teha que dexar dos seus aazer para mavelar o sstema? Etretato estas e váras outras questões são respoddas de orma resumda este trabalho através da costrução deste strumeto. 1 Localzada a baxa da cdade de Xa-Xa por detras do Cocelho Mucpal de Xa-Xa
11. Reerecal teórco Neste tem az-se uma abordagem relacoada com recurso eólco, eerga e potêca extraída do veto e tpos de aerogerador para a geração da eerga eléctrca..1. O recurso eólco De acordo com BRITO (008, p.14), A eerga eólca provém da radação solar uma vez que os vetos são gerados pelo aquecmeto ão uorme da superíce terrestre. Uma estmatva da eerga total dspoível dos vetos ao redor do plaeta pode ser eta a partr da hpótese de que, aproxmadamete, % da eerga solar absorvda pela Terra é covertda em eerga cétca dos vetos. Acredtamos que o percetual destacado por este autor embora se pareça pequeo, represeta ceteas de vezes a potêca aual stalada as cetras eléctrcas do mudo..1.1. Mecasmos de Geração dos Vetos Para realzação de um trabalho académco sobre eerga eólca como esse, certamete ão se podera dexar de ressaltar a prcpal ote atural de estudo dessa eerga que é o veto..1.1.1. Tpos de Vetos O veto é o ar em movmeto provocado pela dereça de pressão (FACULDADE DE LETRAS-UEM, 198, p.37). É com base esta deção que se pode armar que o veto é a prcpal característca da movmetação das massas de ar exstetes a atmosera e o seu surgmeto está drectamete relacoado às varações das pressões de ar que por sua vez é orgada termcamete através da radação solar e das ases de aquecmeto das massas de ar. Os vetos podem ser classcados de acordo com suas orges, sedo assm dvde-se da segute maera (SILVA, 005):.1.1.1.1 Vetos globas O veto que sobe desde o Equador para os pólos, ode crcula pelas camadas mas altas da atmosera, por volta dos 30º de lattude, a orça de Corols evta que cotue em drecção aos
1 pólos. Nessa lattude ecotra-se uma zoa de altas pressões, pelo que o ar começa a descer de ovo. Etretato sabe-se que quado o veto sobe desde o Equador orga uma zoa de baxas pressões perto do solo o que atra vetos do Norte e do Sul. Nos pólos, devdo ao ar ro, são orgadas zoas de altas pressões. A Troposera é ode ocorrem todos os eómeos meteorológcos assm como o eeto de estua (FACULDADE DE LETRAS-UEM, 198, p.3). Portato as drecções domates do veto são mportates a localzação dos aerogeradores, o etato a geograa local também pode luecar as drecções acma dcadas..1.1.1. Vetos de superíce Os vetos são muto luecados pela superíce terrestre até alttudes de 100 metros. A tesdade do veto é reduzda pela rugosdade da superíce da terra e pelos obstáculos (BRITO 008, p.16)..1.1.1.3 Vetos locas Apesar da mportâca dos vetos locas a determação dos vetos domates uma determada área, as codções clmátcas locas podem luecar as drecções do veto. A drecção do veto é luecada pela soma dos eetos globas e locas. Quado os vetos globas são suaves, os vetos locas podem domar o regme de vetos. Slva subdvde os vetos locas em dos tpos (este caso, chamados de A e B ), brsas marhas e vetos da motaha ou vale (005, p.358): A - Brsas marhas: Durate o da a terra aquece mas rapdamete pela luêca do sol que o mar (FACULDADE DE LETRAS-UEM, 198, p.34). O ar sobe e crcula para o mar, crado uma depressão ao ível do solo, que atra o ar ro do mar. A essa atracção é dado o ome de brsa. Nas guras 1 e o ar ro está represetado pelas setas a posção horzotal e o ar quete está represetado pelas setas a vertcal.
13 Fgura 1 Brsas Marhas ao da (Fote:Slva, 005) Normalmete ao etardecer há um período de calma, quado as temperaturas do solo e do mar se gualam. Durate a ote os vetos sopram em setdo cotráro, tedo a brsa terrestre, ormalmete, velocdades erores, uma vez que a dereça etre a temperatura do solo e do mar é meor. Fgura Brsas Marhas a ote (Fote:Slva, 005) B - Vetos da motaha ou vale: Um exemplo é o veto da motaha a qual tem orgem os declves oretados ao orte o hemséro sul e ao sul o hemséro orte (FACULDADE DE LETRAS-UEM, 198, p.33). Etretato quado o ar próxmo das motahas está quete a desdade do ar dmu, sobe segudo a superíce do declve. Durate a ote a drecção do veto verte-se, passado a descer o declve. Se o udo do vale or clado o ar pode asceder e desceder pelo vale, a este eeto é dado o ome de veto cahão (SILVA, 005, p.359).
14.1. Factores que luecam a eerga proveete do veto O aerogerador obtém eerga covertedo a eerga do veto um báro actuado sobre as hélces do rotor. A quatdade de eerga traserda ao rotor pelo veto depede, bascamete, dos segutes actores: (BRITO 008, p.16),.1..1 Desdade do ar Brto deede que a eerga cétca de um corpo em movmeto é proporcoal a sua massa, assm a eerga cétca do veto depede da desdade do ar e de sua massa por udade de volume (BRITO 008, p.17). Evdetemete a armação eta pelo autor ctado o parágrao ateror é udametada pela equação (1.0) e sto leva-os a crer que quato mas deso seja o ar, maor quatdade de eerga a turba receberá. E é do osso cohecmeto que a pressão atmosérca ormal a desdade do ar é de 3 1,5Kg / m. A grades alttudes a pressão do ar dmu e o ar é meos deso..1.. Área de varrmeto do rotor A área de varrmeto do rotor ou, pode-se dzer, a crcuerêca ode o rotor actua scamete é que determa quata eerga do veto a turba eólca é capaz de captar. Dado que a área do rotor aumeta com o quadrado do rao, por exemplo, uma turba duas vezes maor recebe quatro vezes mas eerga..1..3 Dstrbução da pressão o rotor A pressão do ar aumeta gradualmete à medda que o veto se aproxma do rotor, uma vez que o rotor actua como barrera ao veto, a parte posteror do rotor a pressão ca medatamete, establzado gradualmete à medda que se aasta. À medda que o veto se aasta do rotor a turbulêca do veto provoca que o veto mas leto se msture com o veto mas rápdo da área crcudate, reduzdo o eeto de abrgo ao veto. Para além dos dcados aterormete etre os prcpas actores de luêca o regme dos vetos destacam-se: A varação da velocdade com a altura;
15 A rugosdade do terreo, que é caracterzada pela vegetação, utlzação da terra e costruções; Preseça de obstáculos as redodezas; As ormações ecessáras para o levatameto das codções regoas podem ser obtdas a partr de mapas topográcos e de uma vsta ao local de teresse para avalar e modelar a rugosdade e os obstáculos. O uso de mages aéreas e dados de satélte também cotrbuem para uma aálse mas apurada (BRITO 008, p.16). Nos dzeres deste autor houve toda uma ecessdade de se vstar o local ode posterormete sera motado o dspostvo o setdo de averguar os actores acma reerecados... Eerga e Potêca Extraída do Veto A eerga cétca de uma massa de ar m em movmeto a uma velocdade v é dada por: 1 E mv Cosderado a mesma massa de ar m em movmeto a uma velocdade v, perpedcular a uma sessão trasversal de um cldro magáro (gura 3), pode-se demostrar que a potêca (1.0) dspoível o veto que passa pela secção A, trasversal ao luxo de ar, é dada por: 1 3 P Av Ode: P potêca do vetow 3 massa especíca do ar kg / m A área da secção trasversal m v velocdade do veto m / s (.0)
16 Fgura 3 Fluxo de ar através de uma área trasversal A (Fote: BRITO, 008) A expressão (.0) também pode ser escrta por udade de área, dedo, desta orma, a desdade de potêca DP, ou luxo de potêca: DP P A 1 3 v (3.0) Ao reduzr a velocdade do deslocameto da massa de ar, a eerga cétca do veto é covertda em eerga mecâca através da rotação das pás (ou cochas). A potêca dspoível o veto ão pode ser totalmete aprovetada pelo aerogerador a coversão de eerga eléctrca, (BRITO, 008, p.0). Para levar em cota esta característca ísca, é troduzdo um ídce deomado coecete de potêca c p, que pode ser dedo como a racção da potêca eólca dspoível que é extraída pelas pás do rotor Para determar o valor máxmo desta parcela de eerga extraída do veto ( c p máxmo), o ísco alemão Albert Betz cosderou um cojuto de pás em um tubo ode v1 represeta a velocdade do veto a regão ateror às pás, v a velocdade do veto o ível das pás e v3 velocdade o veto após dexar as pás, coorme apresetado a gura 4. a
17 Fgura 4 Perdas de velocdade do veto a passagem por um cojuto de pás. (Fote: BRITO, 008) Como a gura 4, Betz assume um deslocameto homogéeo do luxo de ar a uma velocdade v1 que é retardada pelo cojuto de pás, assumdo uma velocdade v3 pás. Pela le da cotudade, temos que: v 1A1 v A v3 A3 a jusate das (4.0) Como a redução da pressão do ar é míma, a desdade do ar pode ser cosderada costate. A eerga cétca extraída pelo aerogerador é a dereça etre a eerga cétca a motate e a eerga cétca a jusate do cojuto de pás: E ex 1 3 m( v 1 v ) (5.0) A potêca extraída do veto por sua vez é dada por: ' E ex 1 1 v3 ' m ( v ) (6.0) Neste poto é ecessáro azer duas cosderações extremas sobre a relação etre as velocdades v1 e v 3 : A velocdade do veto ão é alterada v1 v este caso ehuma potêca é extraída; A velocdade do veto é reduzda a valor zero ( v 3 3) ar é zero, o que sgca também que ehuma potêca seja retrada. este caso o luxo de massa de A partr dessas duas cosderações extremas, a velocdade reerete ao máxmo de potêca extraída é um valor etre v1 e v 3. Este valor pode ser calculado se a velocdade o rotor v é cohecda. A massa de ar é dada por: ' m Av (7.0)
18 v, v e v 1 3 Pelo teorema de Rake-Froude, pode-se assumr que a relação etre as velocdades é dada por: v ' v 1 v 3 Cojugado ( 7.0) e ( 8.0) a ( 6.0) temos: ' 1 E ex Av Ode: 3 1 v 1 v 3 1 v 1 v 3 1 (8.0) (9.0) Potêca do Veto é gual a 1 3 1 v Av 1 e sto os leva a crer 3 v3 c p 1 1 v1 v1 Fgura 5 Dstrbução de c p em ução de v / v 3 1 (Fote: BRITO, 008) Ao cosderar o coecete de potêca v 3 / v1 1/ 3 c p em ução de 1 / v 16 v3 temos que: c 0, p 59 ode 4 A gura 4 mostra as prcpas orças actuates em uma pá do aerogerador, assm como os âgulos de ataque e de passo resultate vsto pela pá V res. A orça de sustetação é perpedcular ao luxo do veto, resultado da subtracção vectoral da velocdade do veto cdete V com a velocdade tagecal da pá do aerogerador V, coorme a equação. 10 w ta V res V w V ta (10)
19 A orça do arrasto é produzda a mesma drecção dev res. A resultate das compoetes da orça de sustetação e de arrasto a drecção V ta, produz o torque do aerogerador. Fgura 6 Prcpas orças actuates em uma pá de aerogerador (Fote: Motezao, 008, p.137) A potêca mecâca extraída do veto pelo aerogerador depede de város actores. Mas tratado-se de estudos eléctrcos, o modelo geralmete apresetado as lteraturas é smplcado pelas equações (11) e (1) (PAVINATTO, 005) P mec Com 1 3 w AV c p, (11) R Vw Ode: wt c p coecete de potêca do aerogerador 1 razão etre a velocdade tagecal da pota da pá e a velocdade do veto cdete (tp speed rato) velocdade agular do rotor s wt R rao do rotor m 3 desdade do ar Kg / m A área varrda pelo rotor m w rad / ; V velocdade do veto cdete o rotor m / s
0 Fgura 7 Característcas c, p traçadas em ução de aproxmações umércas (Fote: Motezao, 008) Na equação (11), o coecete de potêca c, p depede das característcas do aerogerador, sedo ução da razão de velocdades e do âgulo de passo das pás (ptch) do aerogerador. O c, p é expresso como uma característca bdmesoal. Aproxmações umércas ormalmete são desevolvdas para o cálculo de valores dados de e. A gura 7 mostra a característca c, de. p c p para traçada para város valores.3. Tpos de Aerogeradores para Geração de Eerga Eléctrca.3.1. Rotores de Exo Vertcal Em geral, os rotores de exo vertcal têm a vatagem de ão ecesstarem de mecasmos de acompahameto para varações da drecção do veto, o que reduz a complexdade do trabalho e os esorços devdo às orças de Corols. Os rotores de exo vertcal também podem ser movdos por orças de sustetação (lt) e por orças de arrasto (drag). Os prcpas tpos de rotores de exo vertcal são Darreus, Savous e turbas com torre de vórtces. Os rotores do tpo Darreus são movdos por orças de sustetação e costtuem-se de lâmas curvas (duas ou três) de perl aerodâmco, atadas pelas duas potas ao exo vertcal.
1.3.. Rotores de Exo Horzotal Os rotores de exo horzotal são os mas comus, e grade parte da experêca mudal está voltada para a sua utlzação. São movdos por orças aerodâmcas chamadas de orças de sustetação (lt) e orças de arrasto (drag). Um corpo que obstru o movmeto do veto sore a acção de orças que actuam perpedcularmete ao escoameto (orças de sustetação) e de orças que actuam a drecção do escoameto (orças de arrasto). Ambas são proporcoas ao quadrado da velocdade relatva do veto. Adcoalmete, as orças de sustetação depedem da geometra do corpo e do âgulo de ataque (ormado etre a velocdade relatva do veto e o exo do corpo). Os rotores que gram predomatemete sob o eeto de orças de sustetação permtem lberar muto mas potêca do que aqueles que gram sob eeto de orças de arrasto, para uma mesma velocdade de veto. Os rotores de exo horzotal ao logo do veto (aerogeradores covecoas) são predomatemete movdos por orças de sustetação e devem possur mecasmos capazes de permtr que o dsco varrdo pelas pás esteja sempre em posção perpedcular ao veto. Os rotores mas utlzados para geração de eerga eléctrca são os de exo horzotal do tpo hélce, ormalmete compostos de 3 pás ou em algus casos (velocdades médas muto altas e possbldade de geração de maor ruído acústco) 1 ou pás..3..1. Pás, cubo e exo As pás são pers aerodâmcos resposáves pela teracção com o veto, covertedo parte de sua eerga cétca em trabalho mecâco. Icalmete abrcadas em alumío, actualmete são abrcadas em bras de vdro reorçadas com epox. Nos aerogeradores que usam cotrole de velocdade por passo, a pá dspõe de rolametos em sua base para que possa grar, modcado assm seu âgulo de ataque. As pás são xadas através de lages em uma estrutura metálca a rete do aerogerador deomada cubo. O exo é o resposável pelo acoplameto do cubo ao gerador, azedo a traserêca da eerga mecâca da turba. É costruído em aço ou lga metálca de alta resstêca.
A trasormação da eerga mecâca de rotação em eerga eléctrca através de equpametos de coversão electromecâca é um problema tecologcamete domado e, portato, ecotram-se város abrcates de geradores dspoíves o mercado. Etretato, segudo Brto (008, p.30) a tegração de geradores o sstema de coversão eólca costtu-se em um grade problema, que evolve prcpalmete: varações a velocdade do veto (extesa axa de rotações por muto para a geração); varações do torque de etrada (uma vez que varações a velocdade do veto duzem varações de potêca dspoível o exo); exgêca de requêca e tesão costate a eerga al produzda; dculdade de stalação, operação e mauteção devdo ao solameto geográco de tas sstemas, sobretudo em caso de pequea escala de produção (sto é, ecesstam ter alta coabldade). Actualmete exstem váras alteratvas de cojutos moto-geradores, etre eles: geradores de correte cotíua, geradores sícroos, geradores assícroos, geradores de comutador de correte alterada. Cada uma delas apreseta vatages e desvatages que devem ser aalsadas com cudado a sua corporação ao sstema de coversão de eerga eólca. Cotudo, esta moograa dscut se o gerador de correte cotíua..3..1.1. Torre As torres são ecessáras para sustetar e poscoar o rotor a uma altura coveete para o seu ucoameto. É um tem estrutural de grade porte e de elevada cotrbução o custo do sstema. Icalmete, as turbas utlzavam torres de metal trelçado..4. Aplcações dos Sstemas Eólcos Um sstema eólco pode ser utlzado em três aplcações dsttas: sstemas solados, sstemas híbrdos e sstemas terlgados à rede. Os sstemas obedecem a uma coguração básca, ecesstam de uma udade de cotrole de potêca e, em determados casos, de uma udade de armazeameto.