Energia Eólica

Energia

Engenharia de Produção Industrial

Projecto de peças 22-04-2012

Alexandre Miguel Ramos Pereira Nº 20086381

Curso: Engenharia de Produção Industrial

Disciplina: Projecto de Peças

Alexandre Miguel Ramos Pereira Nº 20086381 1

ÍNDICE

INTRODUÇÃO ...........................................................................................................................................2

A Energia Eólica........................................................................................................................................3

Energia Eólica em Portugal .......................................................................................................................5

Aerogeradores .........................................................................................................................................6

RENDIMENTO DE UM SISTEMA EÓLICO ....................................................................................................7

Limite de Betz ..........................................................................................................................................8

O Vento ...................................................................................................................................................8

Projecto experimental ..............................................................................................................................9

Conclusão .............................................................................................................................................. 12

Bibliografia............................................................................................................................................. 13




INTRODUÇÃ O

Um dos grandes tormentos do Mundo de hoje é a questão relativa à energia.

A maioria da energia utilizada no planeta é de origem não renovável, logo poluente.

A energia pode ser utilizada de forma mais civilizada e menos dispendiosa, por meios de

fontes renováveis como a energia eólica, solar, das marés, geotérmica e outras.

Há centenas de anos que a Humanidade tenta utilizar a energia do vento.

Pequenos moinhos de vento têm sido usados para tarefas tão diversas como moer

cereais, serrar madeira, bombear água e, mais recentemente, accionar turbinas para produzir

electricidade. Esta última aplicação tem sido o actual motor da indústria eólica e só atingiu a

maturidade nos últimos 15 anos. Hoje em dia e a nível mundial, existem em funcionamento

mais de um milhão de turbinas eólicas de diferentes formas e dimensões, o que atesta os custos

competitivos e a crescente eficiência desta tecnologia

Este trabalho tem como objectivo a análise do aproveitamento da energia eólica.




Ã Energia Eó lica

A energia eólica é a energia dos ventos. É uma fonte de energia abundante e renovável.

Possui um enorme potencial para produzir, sem emissões e com pouco impacto ambiental

directo, quantidades substanciais de electricidade.

Existem dois tipos de aproveitamentos de energia eólica como podemos ver:

Tipo de conversão energética Utilização final

Moinhos de vento Conversão de energia cinética

em energia mecânica

Uso de energia mecânica para

processo

Aerogeradores Conversão de energia

potencial em electricidade

Uso de electricidade para fins

diversos

O aproveitamento da energia do vento data de há alguns milénios, situando-se nos

séculos XVII ou XVIII A.C..

O primeiro rotor de eixo horizontal cujo conhecimento chegou até aos nossos dias, é

atribuído aos egípcios em meados do século III A.C.. Na Europa apareceu mais tarde nos países

mediterrânicos e posteriormente nos países do Norte. Durante alguns séculos os dispositivos

eólicos eram principalmente para a moagem de cereais, extracção e elevação de água.

A grande "explosão" na utilização de rotores para a

captação e transformação da energia do vento deu-se no século

XIX, nos EUA. Destinados à bombagem de água, os rotores

multipás, lentos mas de grande coeficiente de solidez, tornaram-

se rapidamente muito populares, não só nos EUA como também

na Europa, sendo conhecidos como moinho americano".

A primeira aplicação na produção de electricidade data do início

século XX, mais precisamente em 1927 e é devida ao engenheiro

aeronáutico francês Jean Darrieus, utilizando um rotor de eixo vertical

ligados a um gerador eléctrico em que este pode ser colocado próximo

ao chão.

Porém a crescente utilização dos motores de combustão interna, o

baixo preço dos combustíveis utilizados na época, ditaram o abandono

dos geradores eólicos.

Moinho americano

Turbina de eixo vertical




Todavia, o decréscimo efectivo das reservas de hidrocarbonetos, o consumo de energia

em quantidades imensas e a conjugação de vários factores político-económicos deram

recentemente uma nova oportunidade a fontes de energia alternativa, como a energia eólica.

A energia eólica além de ser uma fonte de energia renovável, possui uma certa diferença

em relação às demais, pode ser utilizada para o fornecimento de energia para pequenas

populações onde não há um acesso de energia directo e também não necessita de grandes

investimentos. Pode-se tirar proveito desta última vantagem por pessoas que queiram montar

um módulo de energia próprio ao redor das suas casas não precisarem de se filiar a empresas,

como no caso de fontes de energia onde há um enorme e dispendioso volume de energia.

Mas claro também há desvantagens, o uso de aerogeradores acarreta alguns problemas:

✵ Nas proximidades dos parques eólicos é detectada poluição sonora, pelo ruído

produzido. Há quem considere que afecta a paisagem. Tem sido estudada a

hipótese da construção de parques eólicos sobre plataformas ancoradas no mar,

situadas perto da costa, de modo a não prejudicar excessivamente paisagem.

✵ Os lugares mais apropriados para a sua instalação coincidem com as rotas das

aves migratórias, fazendo com que centenas de pássaros possam morrer ao

chocar contra as suas hélices.

✵ Os aerogeradores não podem ser instalados de forma rentável em qualquer área,

já que requerem um tipo de vento constante mas não excessivamente forte.

A energia eólica é uma atraente fonte de energia primária que se apresenta muito

competitiva em relação à energia produzida a partir dos combustíveis fósseis, na medida em

que tem grande disponibilidade global e o baixo impacto ambiental genérico, para além de

custos externos e sociais muito baixos.

Um aerogerador produz em menos de um ano de funcionamento mais energia do que a

necessária à sua fabricação, e por cada kW de electricidade produzida por via eólica é menos

cerca de um quilograma de CO2 que é emitido para a atmosfera.

A investigação no domínio do aproveitamento da energia eólica nos últimos anos tem

incidido no estudo dos problemas relacionados com máquinas de maiores dimensões e

potências, desde o ponto de vista da aerodinâmica, do seu funcionamento, ao da ligação às

redes eléctricas de distribuição. Estes grandes avanços tecnológicos fizeram da energia eólica

uma aplicação corrente e segura. De poucas centenas de kW que caracterizavam as máquinas de

há três ou quatro anos, passou-se num curto intervalo de tempo para a escala do MW, havendo

já mais do que um fabricante que tem disponíveis no mercado comercial imediato, máquinas de

1,5 MW.




Energia Eó lica em Pórtugal

O primeiro parque eólico de Portugal foi construído em 1985 na ilha de Porto

Santo, na Madeira.

Em 2001 o decreto-lei nº312/2001 de 10 de Dezembro, estabeleceu a

organização do Sistema Elétrico Nacional (SEN) assente na coexistência de um Sistema

Eléctrico de Serviço Público (SEP) e de um Sistema Eléctrico Independente (SEI) e no

princípio da partilha dos benefícios que podem ser extraídos da exploração técnica

conjunta dos dois sistemas. Este decreto originou um forte aumento da capacidade

eólica instalada, que em 2005 passou de 500MW para 1000MW, ao instituir uma série

de incentivos, tais como tarifários atractivos para o produtor independente.

Em 2005 Portugal dispunha já de parques eólicos distribuídos por todo o

território nacional. Segundo o Portal das Energias Renováveis, Portugal dispunha nessa

altura e 81 parques eólicos e 521 turbinas eólicas. Metade dos parques dispunha de

potências entre 1 e 10 MW e 31% tinha potências entre 10 MW e 25 MW.

Portugal tem vindo a aumentar a sua potência eólica instalada desde 1985. Em

2007 a evolução mensal da potência instalada foi aumentando ao longo de todo o ano. A

potência ligada aumentou em média 33 MW por mês, aproximadamente.

Em 26 de Novembro de 2008 entrou em funcionamento o maior parque eólico de

Portugal, situado no distrito de Viana do Castelo e dispondo de 240MW de potência.

Espera-se num futuro próximo seja atingida uma potência eólica instalada de 3750MW.

Parque eólico de Viana do Castelo




Ãerógeradóres

Existem dois tipos básicos de geradores eólicos: os de eixo vertical e os de eixo

horizontal. Os rotores diferem em seu custo relativo de produção, eficiência, e na velocidade do

vento em que têm sua maior eficiência.

Aerogeradores de eixo vertical: não são tão eficientes como aerogeradores de eixo

horizontal, mas têm uma velocidade de arranque baixa o que lhes dá vantagem em

condições de vento reduzido. Tendem a ser mais seguros, fáceis de construir e de

serem montados mais perto do solo e trabalham muito melhor com condições de

turbulência. São difíceis de encontrar à venda, porque apesar das vantagens

enunciadas têm pouca rentabilidade com condições de vento favoráveis. Por isso

nunca veremos um parque eólico com este tipo de aerogeradores, somente em

pequenos projectos e a algumas instalações em ambiente urbano.

Aerogeradores do tipo Savonius:

Apresentam um rendimento próximo

dos de aerogeradores de eixo horizontal

multipás;

Aerogeradores do tipo Darrieus:

Movidas por forças de sustentação e

constituídas por lâminas curvas de perfil

aerodinâmico, ligadas pelas

extremidades ao eixo vertical.

Aerogeradores de eixo horizontal: têm uma maior eficiência no entanto a direcção

do vento é relevante. Em condições de turbulência com mudanças rápidas de

direcção mais electricidade é gerada pelos aerogeradores de eixo horizontal apesar

da sua menor eficiência. Estes aerogeradores podem ser multipás, mais lentos, ou só

terem duas a três pás. Apesar dos aerogeradores de duas pás serem mais eficientes,

são mais instáveis e propensos a turbulências, o que não acontece nos de três pás.

Aerogerador de 3 pás Aerogerador multipás




Rendimentó de um Sistema Eó licó

A energia cinética, resultante das deslocações de massas de ar é ser transformada em

energia mecânica através as turbinas ou pás que por sua vez é transformada energia eléctrica

através dos geradores.

A quantidade de energia transferida pelo vento ao aerogerador depende da densidade do ar, da

área de varrimento da turbina, ou seja caudal de ar que passa através dela, e como é lógico da

velocidade do vento. O que faz com que o aproveitamento deste recurso varie muito com a

intensidade e a direcção do vento.

Logo temos que:

Onde:

= potência média do vento em Watts

= densidade do ar seco = 1,225 kg/m3

= velocidade média do vento [m/s]

= 3.1415926535... = raio do rotor em metros

Contudo, esta energia não pode ser inteiramente recuperada pelo aerogerador, pois há

que evacuar o ar turbinado, para a tornar o cálculo mais preciso, temos de inserir o coeficiente

de potência na fórmula:

O coeficiente de potência foi introduzido pela teoria de Betz. O coeficiente CP

caracteriza o nível de rendimento de uma turbina eólica; pode ser definido pela razão:

Este limite nada tem a ver com ineficiências no gerador mas sim na própria natureza das

turbinas eólicas, porque os aerogeradores extraem energia ao travar o vento.




Limite de Betz

O limite de Betz indica que, até para os melhores rendimentos eólicos (turbinas de 3 pás

de eixo horizontal), recupera-se apenas um máximo teórico de 59% da energia do vento. Para

uma aplicação real, este coeficiente é da

ordem de 0,3 a 0,4 no máximo. Valor esse

que é ainda mais reduzido devido às várias

perdas associadas a cada componente da

turbina.

O Ventó

O vento consiste no deslocamento de massas de ar

resultante de diferenças de pressão existentes na atmosfera,

cuja origem se deve ao aquecimento diferenciado produzido

pela radiação solar. No geral, cerca de 2% da energia

proveniente do Sol é convertida em energia do vento. As

regiões junto do equador sofrem um aquecimento superior

ao que ocorre nas restantes regiões e o ar quente sobe em altitude e depois desloca-se em

direcção aos pólos. Mas a intensidade e direcção do vento são bastante influenciadas pelo clima

da região em questão, pela orografia (relevo) e tipo de

superfície (rugosidade). Os locais com menor rugosidade

são os ideais para a instalação de aerogeradores, porque a

uma determinada altura se tem uma velocidade média do

vento superior. Outros locais preferidos são os cimos de

montanhas, uma vez que ocorre uma aceleração do vento

devido ao efeito da orografia. Geralmente locais com

velocidades médias anuais do vento superiores a cerca de 6

m/s a uma altura de 50 m, são considerados bons locais.

Limite de Betz

Atlas do vento - Recursos eólicos a 50 m acima do nível do solo para cinco condições topográficas




Prójectó experimental

A ideia principal é alimentar uma divisão em casa que serve de escritório recorrendo aos

conhecimentos adquiridos na pesquisa deste trabalho.

Antes de mais para saber a dimensão do sistema gerador de energia que vou precisar,

somei a potência em watts de consumo dos aparelhos que pretendo alimentar considerando

também o tempo de uso diário de cada um. Para as perdas de transformação e ter margem de

autonomia, acrescentei cerca de 50% a mais obtendo assim um valor mais próximo do

necessário.

Notebook --------> 90w x 6h = 540 w/dia;

TV 14"------------> 50w x 5h = 250 w/dia;

Iluminação ------> 25w x 4h = 100 w/dia;

Diversos ---------> 15w x 4h = 60 w/dia;

Total --------------> 950w/dia ----> + 50% = 1425w

Em seguida dividi a potência total em watts por 12, já que vou usar o sistema gerador

em 12 volts, obtendo a corrente, em amperes, necessária a ser gerada diariamente. Será

necessário gerar aproximadamente 120 amperes (1425/12=118.75) por dia para alimentar o

escritório.

Considerando que o gerador irá trabalhar com boa potência pelo menos 3 horas por dia e

distribuindo a corrente necessária (120A) pelo número de horas, o que faz que qualquer

alternador e uma bateria com capacidade acima 40 amperes por hora solucionará a questão.

Escolhi como directriz para o meu aerogerador o sistema de eixo vertical do tipo

Savonius, porque apesar de ser menos eficiente e atingir menos velocidade que os restantes, é o

que tem mais binário e menor velocidade de arranque e pode ser colocado junto ao chão. Para

além do mais é o que é mais atingível para construir.

Para a sua realização elegi um bidão de 200 litros, duas rodas de bicicleta de 26”, um

rolete de Ø60, um alternador de automóvel a gasóleo (por têm mais capacidade de carga cerca

de 100A), um inversor, uma bateria de 70Ah, duas chumaceiras, um varão de aço de Ø30mm

com ±1 metro, um varão de aço de Ø30mm com ±300mm, duas correias e uma estrutura de

suporte.




Gráfico da capacidade de carga de um alternador de 100A

Fórmula de uma relação composta do livro “Casillas”

Considerando que o bidão tem um diâmetro de 570mm e uma altura de 900mm e que os

quadrantes ficam sobrepostos 140mm faz com que a nossa turbina tenha um diâmetro de 1

metro, resultando uma boa área de varrimento.

Contudo mais

importante que a área

de varrimento é a

relação de

transmissão da turbina

para o alternador,

porque o alternador

para carregar bem

uma bateria tem de ter

pelo menos 1250 rpm,

mas para atingir os

40A necessita de ter

mais de 1500rpm.

Admitindo que a velocidade do vento é de 3m/s, que é dos valores mais baixos do Altas

do Vento, e assumindo um coeficiente de potência de 0.2 (Limite de Betz), dá uma velocidade

de 0.6m/s (3 x 0.2). Como a velocidade é o resultado da multiplicação da velocidade angular

pelo raio (v = 𝜔 . r), ou seja (𝜔 = v / r) → 0.6 / 0.33 = 1.8, obtemos o número de radianos por

segundo. Convertendo o valor dos radianos por segundo para rotações por minuto, rpm= (30.

𝜔) / 𝜋 → (30 x 1.8) / 𝜋 = 17.3rpm.

Como se trata de uma relação composta temos que dividir o produto dos diâmetros

mandantes pelo produto dos diâmetros mandados, o resultado final será multiplicado pelas rpm

obtidas através do cálculo da velocidade do vento actuante na turbina. Neste caso os diâmetros

mandantes são os das rodas da bicicleta, que têm diâmetro de 660mm, e os diâmetros

mandados, são do rolete de Ø60 e da polia do alternador que tem diâmetro de ±68.5mm.




Após estes cálculos temos a garantia que mesmo com vento fraco, teremos energia

suficiente para carregar a bateria. Conseguimos obter aproximadamente cerca de 60A ou seja,

acima de duas horas temos carga suficiente para carregar a bateria.

Em caso de ser ultrapassado o tempo de carga ou aumentar a velocidade do vento, não

apresenta qualquer problema já que o alternador automóvel incorpora um rectificador e um

regulador de tensão que rectifica a tensão e regulada a intensidade da bateria.

Posto isto, depois de armada a estrutura de suporte e montado o aerogerador tipo

“Savonius”, é preciso posiciona-lo num local estratégico, em cima do telhado.

Para alimentar o escritório, tenho de desligar o disjuntor relativo ao escritório no quadro

eléctrico da casa e ligar uma extensão do inversor a uma tomada do mesmo escritório com o

propósito de injectar a corrente no mesmo concluindo assim o objectivo inicial.

Tendo em conta que o preço do kW roda os 17 cêntimos, este projecto traduz uma

poupança mensal de cerca de 5euros. Isto tendo em conta da potencial real necessária ser os

950w diários.

Como os materiais aplicados são reciclados, o investimento paga-se a curto prazo.




Cónclusa ó

A energia eólica constitui uma forma de produção de energia eléctrica que se encontra

em forte ascensão mundial devido à necessidade de aumentar a produção de energia eléctrica a

partir de fontes alternativas (cumprimento do Protocolo de Quioto) para além do aumento do

preço dos combustíveis fosseis e a escassez destes recursos.

Com este trabalho obtemos um recurso de transformação de energia alternativa, o

modelo e o mecanismo fica ao critério de cada um, eu escolhi este, por ser de fácil construção e

ter garantias de funcionamento.

Fico com a certeza de ter contribuído de certa forma, com uma ideia para o

aproveitamento de energias renováveis.




Bibliógrafia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Aerogerador (21/04/2012)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Alternador (21/04/2012)

http://www.electriauto.com/electricidad/el-alternador/caracteristicas-del-alternador/

(22/04/2012)

http://www.electriauto.com/electricidad/el-alternador/reguladores-de-tension/ (22/04/2012)

http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/17/29/ (21/04/2012)

http://www.aerogeradores.org/limitedebetz.php (22/04/2012)

http://sites.google.com/site/electrorenovavel/savonius (22/04/2012)

http://www.esec-l-freitas-branco.rcts.pt/ProjectoInterdisciplinar/Introducao.htm (17/04/2012)

http://www.balmar.net/alternators.html (23/04/2012)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Aerogerador

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