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Trabalho de Conclusão do Curso Técnico Em Mecatrônica
Bruno Willians Leite
Victor França da Silva
Vinícius Campos Sampaio
Vinicius Paternezi Comicio
Vitor Guilherme Antunes
Vitor Napolitano Moreira
Turbina Eólica
Orientador: Vínicius Peruzzi
São Caetano do Sul / SP
2014
Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza
GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO
ETEC Jorge Street
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Turbina Eólica
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como pré-requisito
para obtenção do Diploma de
Técnico em Mecatrônica.
São Caetano do Sul / SP
2014
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Turbina Eólica
Agradecimentos
Primeiramente a Deus, pois sem ele nada seria possível.
As nossas famílias e aos nossos colegas por todo apoio e incentivo dado ao
nosso trabalho.
Aos nossos professores por todas as duvidas que tivemos no decorrer do
projeto, em especial aos seguintes professores por todo conhecimento
fornecido: Ivo, Beto, Filiputi, Rosa, Vinicius e ao Arcy.
E finalmente, gostaríamos de agradecer a todos os profissionais que nos
ajudaram nessa longa jornada, dentre eles: Seu Zé, Alemão da oficina da
estrada das lagrimas, Edson da área técnica.
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Turbina Eólica
Resumo
A energia eólica é, atualmente, a energia renovável mais promissora e
com melhor relação custo-benefício para exploração. Por isso, a utilização de
turbinas de eixo vertical e horizontal tem aumentado muito com o passar dos
anos.
Neste trabalho, pretendemos construir uma turbina eólica demonstrando
detalhadamente cada passo, assim como os componentes utilizados e o
porquê da escolha dos mesmos.
Palavras-chaves: Energia, Eólica, Sustentável.
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Turbina Eólica
Lista de Figuras
Figura 1..............................................................................................................14
Figura 2..............................................................................................................15
Figura 3..............................................................................................................20
Figura 4..............................................................................................................31
Figura 5..............................................................................................................33
Figura 6..............................................................................................................34
Figura 7..............................................................................................................37
Figura 8..............................................................................................................38
Figura 9..............................................................................................................39
Figura 10............................................................................................................40
Figura 11............................................................................................................41
Figura 12............................................................................................................44
Figura 13............................................................................................................45
Figura 14............................................................................................................47
Figura 15............................................................................................................48
Figura 16............................................................................................................49
Figura 17............................................................................................................51
Figura 18............................................................................................................53
Figura 19............................................................................................................55
Figura 20............................................................................................................56
Figura 21............................................................................................................57
Figura 22............................................................................................................58
Figura 23............................................................................................................61
Figura 24............................................................................................................63
Figura 25............................................................................................................65
Figura 26............................................................................................................65
6
Figura 27............................................................................................................65
Figura 28............................................................................................................66
Figura 29............................................................................................................66
Figura 30............................................................................................................67
Figura 31....................................................................................................68 e 69
Figura 32............................................................................................................70
Figura 33............................................................................................................71
Figura 34............................................................................................................72
Figura 35............................................................................................................72
Figura 36............................................................................................................73
Figura 37............................................................................................................73
Figura 38............................................................................................................74
Figura 39............................................................................................................74
Figura 40............................................................................................................75
Figura 41............................................................................................................75
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Turbina Eólica
Sumário
Glossário............................................................................................................09
Objetivo..............................................................................................................10
Definição do Projeto...........................................................................................11
Descrição do Projeto..........................................................................................13
Diagrama Elétrico..............................................................................................14
Fluxo do Projeto.................................................................................................15
O que é a Energia Eólica...................................................................................16
O que é uma Turbina Eólica..............................................................................21
Inversor..............................................................................................................31
Bateria................................................................................................................38
Dínamo..............................................................................................................44
Regulador de Tensão........................................................................................48
Rolamento Radial..............................................................................................51
Disjuntor............................................................................................................53
Pás e Haste......................................................................................................56
Eixo...................................................................................................................58
Base para sustentação da Turbina...................................................................61
Lâmpada LED...................................................................................................63
Planilha de Custos............................................................................................67
FMEA.........................................................................................................68 e 69
Cronograma......................................................................................................70
8
Croqui do projeto...............................................................................................71
Desenho em AutoCAD......................................................................................75
Cálculos para a realização do projeto...............................................................79
Conclusão.........................................................................................................80
Referências Bibliográficas.................................................................................81
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Turbina Eólica
Glossário
A Ampere
Ah Ampere/hora
C Celsius
CC Corrente Contínua
CA Corrente Alternada
H Hora
Hz Hertz
KWh Quilowatt hora
Pb Chumbo
V Volts
W Watts
Ø Diâmetro
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Turbina Eólica
Objetivo
Projetar e montar uma turbina eólica de médio porte, utilizando um dínamo
como fonte de eletricidade, e com a energia obtida alimentar aproximadamente
quinze lâmpadas de 7W cada, assim obtendo energia suficiente para alimentar
o sistema de iluminação de uma casa inteira com energia ecológica e auto
suficiente.
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Turbina Eólica
Definição do projeto
Projeto 1 – Mesa de tênis de mesa automatizada: O projeto consistia em
marcar o placar automaticamente, demonstrando-o em um painel localizado em
um determinado local perto da mesa. Decidimos não fazer esse projeto devido
ao seu alto custo e por causa do grande número de variáveis do jogo
praticamente impossíveis de prever e executar.
Projeto 2 – Turbina eólica: O projeto consiste em projetar e montar uma turbina
eólica caseira, gerando energia suficiente para alimentar quinze lâmpadas de
7W. Decidimos fazer esse projeto, pois ele é mais econômico que a mesa de
tênis e além disso é um projeto sustentável
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Turbina Eólica
Descrição do Projeto
O nosso trabalho consiste em uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno
porte, pois a mesma obtém melhor desempenho em áreas urbanas. Os
componentes da turbina são: um eixo de rotação (figura 22), três pás eólicas
(figura 20), revestimento em metal, seis hastes de ligação (figura 21), três
rolamentos radiais (figura 17), duas arruelas, um dínamo (figura 12), uma
bateria (figura 8), um inversor (figura 4), um disjuntor (figura 18), um regulador
de tensão (figura 15) além de cantoneiras e parafusos.
As três pás eólicas são de alumínio, e possuem comprimento de 500 mm,
largura de 440 mm e sua parte curvada possui raio de 60 mm.
O eixo possui duas arruelas de alumínio, para sustentação das hastes fixadas
as pás, com ø de 30 mm posicionadas em ângulos de 120º. Elas serão
encaixadas no eixo de rotação e posicionadas na altura de 1460 mm e 1820
milímetros respectivamente.
As seis hastes que ligam as pás ao eixo de rotação serão produzidas de
alumínio, e têm 500 mm de comprimento, 41 mm de largura. Cada uma será
parafusada no furo de ø 6 mm. Na outra ponta das hastes estão fixadas as pás.
O eixo de rotação é revestido até 1000 mm de altura por um tubo de ferro com
ø 70 mm. Possui um rolamento radial na base, na altura de 10 mm, outro na
tampa da base na altura de 400 mm e outro na altura de 1400 mm
respectivamente. Na base possui uma caixa de 600 milímetros de
comprimento, 400 mm altura e 400 mm de largura, que armazena o gerador
que é ligado ao eixo de rotação.
Para gerar a tensão necessária é utilizado um dínamo (gerador), que gera uma
tensão suficiente para carregar a bateria, que depois ligada ao inversor, nos dá
autonomia de 4,25 Ah para alimentar 15 lâmpadas de LED, que utilizam 1 Ah,
assim, suprindo nossa necessidade.
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A bateria está ligada a um inversor transformador de 100w W 12V – 127V, que
transformará corrente continua em corrente alternada e elevará a tensão de 12
V para 127 V. Será feito uma instalação elétrica levando a tensão de saída do
inversor transformador para um quadro de distribuição onde será ligado em um
disjuntor 20A. E depois ligada a 15 lâmpadas LED de 7 W dividas em dois
circuitos, um com oito e outro com sete lâmpadas de LED, que são mais
econômicas e sustentáveis que as incandescentes e fluorescentes.
14
Turbina Eólica
Diagrama elétrico
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Turbina Eólica
Fluxo do Projeto
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Turbina Eólica
O que é a Energia Eólica
A energia eólica é a energia obtida pelo movimento do ar (vento). É uma
abundante fonte de energia, renovável, limpa e disponível em todos os lugares.
Os moinhos de vento foram inventados na Pérsia no séc. V. Eles foram usados
para bombear água para irrigação. Os mecanismos básicos de um moinho de
vento não mudaram desde então: o vento atinge uma hélice que ao
movimentar-se gira um eixo que impulsiona uma bomba (gerador de
eletricidade).
ORIGEM
Os ventos são gerados pela diferença de temperatura da terra e das águas,
das planícies e das montanhas, das regiões equatoriais e dos polos do planeta
Terra.
A quantidade de energia disponível no vento varia de acordo com as estações
do ano e as horas do dia. A topografia e a rugosidade do solo também tem
grande influência na distribuição de frequência de ocorrência dos ventos e de
sua velocidade em um local. Além disso, a quantidade de energia eólica
extraível numa região depende das características de desempenho, altura de
operação e espaçamento horizontal dos sistemas de conversão de energia
eólica instalados. A avaliação precisa do potencial de vento em uma região é o
primeiro e fundamental passo para o aproveitamento do recurso eólico como
fonte de energia.
Para a avaliação do potencial eólico de uma região é uma necessário a coleta
de dados dos ventos com precisão e qualidade, capaz de fornecer um
mapeamento eólico da região.
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As hélices de uma turbina de vento são diferentes das lâminas dos antigos
moinhos porque são mais aerodinâmicas e eficientes. As hélices têm o formato
de asas de aviões e usam a mesma aerodinâmica. As hélices em movimento
ativam um eixo que está ligado à caixa de mudança. Através de uma série de
engrenagens a velocidade do eixo de rotação aumenta. O eixo de rotação está
conectado ao gerador de eletricidade que com a rotação em alta velocidade
gera energia.
Um aero gerador consiste num gerador elétrico movido por uma hélice, que por
sua vez é movida pela força do vento. A hélice pode ser vista como um motor a
vento, cuja quantidade de eletricidade que pode ser gerada pelo vento depende
de quatro fatores:
• da quantidade de vento que passa pela hélice
• do diâmetro da hélice
• da dimensão do gerador
• do rendimento de todo o sistema
VENTOS E MEIO AMBIENTE
A energia eólica é considerada a energia mais limpa do planeta, disponível em
diversos lugares e em diferentes intensidades, uma boa alternativa às energias
não renováveis.
IMPACTOS E PROBLEMAS
Apesar de não queimarem combustíveis fósseis e não emitirem poluentes,
fazendas eólicas não são totalmente desprovidas de impactos ambientais. Elas
alteram paisagens com suas torres e hélices e podem ameaçar pássaros se
forem instaladas em rotas de migração. Emitem certo nível de ruído (de baixa
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frequência), que pode causar algum incômodo. Além disso, podem causar
interferência na transmissão de televisão.
O custo dos geradores eólicos é elevado, porém o vento é uma fonte
inesgotável de energia. E as plantas eólicas têm um retorno financeiro a um
curto prazo.
Outro problema que pode se citado é que em regiões onde o vento não é
constante, ou a intensidade é muito fraca, obtêm-se pouca energia e quando
ocorrem chuvas muito fortes, há desperdício de energia.
Os países que mais geram energia eólica no mundo
são:
1º - China (62,7 mil megawatts)
2º - Estados Unidos (46,9 mil megawatts)
3º - Alemanha (29 mil megawatts)
4º - Espanha (21,6 mil megawatts)
5º - Índia (16 mil megawatts)
6º - França (6,8 mil megawatts)
7º - Itália (6,7 mil megawatts)
8º - Reino Unido (6,5 mil megawatts)
9º - Canadá (5,2 mil megawatts)
10º- Portugal (4 mil megawatts)
PERSPECTIVAS FUTURAS
Na crise energética atual, as perspectivas da utilização da energia eólica são
cada vez maiores no panorama energético geral, pois apresentam um custo
reduzido em relação a outras opções de energia.
Embora o mercado de usinas eólicas esteja em crescimento no Brasil, ele já
movimenta 2 bilhões de dólares no mundo. Existem 30 mil turbinas eólicas de
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grande porte em operação no mundo, com capacidade instalada da ordem de
13.500 MW.
A energia eólica pode garantir 10% das necessidades mundiais de eletricidade
até 2020, pode criar 1,7 milhão de novos empregos e reduzir a emissão global
de dióxido de carbono na atmosfera em mais de 10 bilhões de toneladas.
Os campeões de uso dos ventos são a Alemanha, a Dinamarca e os Estados
Unidos, seguidos pela Índia e a Espanha.
No âmbito nacional, o estado do Ceará destaca-se por ter sido um dos
primeiros locais a realizar um programa de levantamento do potencial eólico,
que já é consumido por cerca de 160 mil pessoas. Outras medições foram
feitas também no Paraná, Santa Catarina, Minas Gerais, litoral do Rio de
Janeiro e de Pernambuco e na ilha de Marajó. A capacidade instalada no Brasil
é de 20,3 MW, com turbinas eólicas de médio e grande porte conectadas à
rede elétrica.
Vários Estados brasileiros seguiram os passos do Ceará, iniciando programas
de levantamento de dados de vento. Hoje existem mais de cem anemógrafos
computadorizados espalhados pelo território nacional. Um mapa preliminar de
ventos do Brasil, gerado a partir de simulações computacionais com modelos
atmosféricos é mostrado na figura abaixo.
Considerando o grande potencial eólico do Brasil, confirmado através de
estudos recentes, é possível produzir eletricidade a custos competitivos com
centrais termoelétricas, nucleares e hidroelétricas, com custo reduzido.
20
Figura 3 – Mapa eólico do Brasil
21
Turbina Eólica
O que é uma Turbina Eólica
A turbina eólica, ou aero gerador, é uma máquina eólica que absorve parte da
potência cinética do vento através de um rotor aerodinâmico, convertendo em
potência mecânica de eixo (torque x rotação), a qual é convertida em potência
elétrica (tensão x corrente) através de um gerador elétrico. A turbina eólica é
composta pelo rotor e pela torre que o sustenta, pela transmissão/multiplicação
e pelo conversor. Ela pode extrair energia cinética somente do ar que passa
através da área interceptada pelas pás rotativas. Embora combinada com a
eficiência do modelo, a área varrida pelo rotor circular (p r2) é um fator crucial
na determinação da energia entregue pela turbina eólica. A energia cinética
bruta por unidade de tempo, potência, do vento passando por uma área A
perpendicular ao seu vetor velocidade instantânea V, é dada por:
P = Cp 1/2 r .A.V3
Onde:
r = densidade do ar, que varia com a latitude e as condições
atmosféricas; r @ 1.2kg/m3;
Cp = é o coeficiente da performance que se relaciona com a energia cinética de
saída e depende do modelo e na relação entre a velocidade do rotor e a
velocidade do vento.
V = velocidade do vento em m/s2.
A energia potencial da turbina eólica depende do cubo da velocidade do vento;
isto significa, por exemplo, que se a velocidade do vento em um local dobrar, a
energia potencial de saída de uma turbina eólica é multiplicada por 8 ( 23 ). Esta
sensibilidade da energia com a velocidade do vento mostra a importância na
obtenção dos dados do vento para a estimativa da energia disponível.
22
A velocidade média anual é um bom parâmetro para pesquisar o vento. A
tabela 2.12 serve como guia. Além da velocidade média anual do vento, as
médias mensais são úteis, já que elas dão uma melhor ideia das variações
sazonais. Isto é importante quando a investigação do abastecimento de energia
irá partir da demanda mensal.
A velocidade do vento decresce à medida que se aproxima da superfície da
terra devido à fricção entre o ar e a solo. A quantidade de decréscimo depende
da rugosidade do solo; por exemplo, áreas florestais têm menor escoamento de
ar que áreas descampadas. Medições em estações meteorológicas são
geralmente tomadas em duas alturas-padrão: 2 metros (para propósitos
agrícolas) e 10 metros (o padrão internacional para medições meteorológicas).
Pode ser possível obter dados de um instituto meteorológico que tenha as
velocidades médias anuais do vento de todas as estações meteorológicas do
país. Também pode ser válido tentar obter dados de uma universidade local.
Se houver uma estação meteorológica perto do local proposto, obtenha seus
dados lá. Se possível, visite a estação para checar se ela não está rodeada por
construções (por exemplo: árvores) que possam levar a medidas não
confiáveis. Se houver dúvidas sobre a validade das medições, use os dados
coletados nos aeroportos, que são geralmente os mais confiáveis. Mesmo
quando o local está a 100 km da estação meteorológica, os dados podem
ainda ser usados em conjunto com as comparações entre a estação e o local.
Entretanto, diferentes circunstâncias podem necessitar de correção de dados
meteorológicos. Por exemplo, locais perto das costas geralmente têm
velocidades do vento maiores do que as de uma ilha; a velocidade do vento
numa ilha é cerca de 2/3 daquela próxima à costa. Também é necessário
comparar o terreno. Estações meteorológicas geralmente fornecem velocidade
do vento em terreno-aberto. Quaisquer obstáculos tais como moitas, árvores e
construções reduzem significativamente a velocidade do vento e montanhas
podem gerar ventos muito turbulentos concentrados num local. Também é
importante a coleta de dados em tornados e calmarias. Turbinas eólicas são
normalmente projetadas para resistir a velocidades de vento abaixo de 55 m/s;
assim é necessário conhecer a velocidade de sobrevivência da turbina.
23
Calmarias não ameaçam a turbina, mas podem levar a períodos inaceitáveis
sem saída de energia.
Velocidade média anual
Possibilidades de uso
para a energia eólica
Abaixo de 3 m/s Usualmente não viável, a menos em
ocasiões especiais
3-4 m/s Pode ser uma opção para bombas eólicas,
improvável para geradores eólicos
4-5 m/s Bombas eólicas podem ser competivas com bombas à Diesel. Pode ser viável para geradores eólicos isolados
Mais que 5 m/s Viável tanto para bombas eólicas quanto para geradores eólicos isolados.
Mais que 7 m/s Viável para bombas eólicas, geradores eólicos isolados e conectados à rede.
Rotor
Componente destinado a captar energia cinética dos ventos e convertê-la em
energia mecânica no eixo.
Rotor de eixo vertical
Em geral, rotores de eixo vertical têm a vantagem de não precisarem de
mecanismos de acompanhamento para variações de direção do vento. Isto
reduz a complexidade do projeto e os esforços devido a forças de "Coriolis".
Também os rotores de eixo vertical podem ser movidos por forças de "drag" ou
por forças de "lift". Os principais tipos de rotores de eixo vertical são:
- Savonius
- Darrieus
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- Turbina com torre de vórtices
Os rotores do tipo Savonius são movidos predominantemente por forças de
"drag" embora desenvolvam algum "lift". Têm relativamente alto torque de
partida, embora em baixa velocidade. Sua eficiência é baixa. Seu rendimento
mecânico máximo pode atingir 31%.
Os rotores tipo Darrieus desenvolvidos em 1927 pelo francês G.J.M Darrieus
são os mais fortes concorrentes aos cata-ventos convencionais de hélices. São
movidos por forças de "lift". Constituem-se de lâminas (duas ou três) curvas de
perfil aerodinâmico atadas pelas duas pontas ao eixo vertical. Em rotação, suas
lâminas são curvadas por força centrífuga até um diâmetro aproximadamente
igual a distância entre as pontas, assumindo a forma de uma catenária. Podem
atingir alta velocidade, mas o torque de partida é aproximadamente nulo.
Várias configurações podem ser concebidas. Estes rotores podem ser
combinados a outros rotores para aumentar o torque de partida. Sua eficiência
é alta, quase comparável aos tipos convencionais de cata-ventos.
As turbinas com torre de vórtice são unidades mais compactas do que outros
cata-ventos, fixada uma potência de saída. Estão em estágio de
desenvolvimento.
Pás
Construtivamente, as pás podem ter as mais variadas formas e empregar os
mais variados materiais. Em particular, pás rígidas de madeira, alumínio, aço,
fibra de vidro, fibra de carbono e/ou Kevlar são os mais promissores.
Fibras de vidro: Materiais compostos reforçados com fibra de vidro
oferecem boa resistência específica e resistência à fadiga, bem como os
custos competitivos para as pás. É o material utilizado em quase todas
as pás dos aero geradores dos parques eólicos da Califórnia (EUA), e já
foi utilizado em rotores de até 78m de diâmetro. As pás em materiais
compostos possibilitam uma geometria aerodinâmica lisa, contínua e
precisa. As fibras são colocadas estruturalmente nas principais direções
de propagação das tensões quando em operação.
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Aço: Os aços estruturais são disponíveis a custo relativamente baixo no
mercado interno de alguns países, e há bastante experiência na sua
utilização em estruturas aeronáuticas de todos os tamanhos. No entanto,
uma desvantagem do aço é que as pás nesse material tendem a ser
pesadas, o que acarreta aumentos de peso e custo de toda a estrutura
suporte. Pás de aço necessitam de proteção contra a corrosão, para a
qual existem diversas alternativas possíveis.
Madeira: Essa fibra natural, que também constitui um material
composto, evoluiu ao longo de milhões de anos para suportar cargas de
fadiga induzidas pelo vento, que tem muito em comum com aquelas a
que são submetidos os rotores de aero geradores. A madeira é
amplamente utilizada no mundo para pás de rotores pequenos (até 10 m
de diâmetro). O baixo peso da madeira é uma vantagem, mas deve-se
cuidar para evitar variações do teor de umidade interna, o que pode
causar degradação das propriedades mecânicas e variações
dimensionais, que enfraquecem a estrutura das pás e podem causar
rompimentos na estrutura.
Alumínio: a maior parte dos aero geradores do tipo Darrieus usam pás
feitas de ligas de alumínio, entrudadas na forma de perfil aerodinâmico.
Entretanto, ligas de alumínio não têm limite inferior de tensão de fadiga,
à medida que os ciclos de carregamento são aumentados, e este
comportamento sempre tem levantado dúvidas quanto à possibilidade
de se atingir a longa vida de 20 anos ou mais para um rotor de alumínio.
Fibra de carbono e/ou Kevlar: são materiais compostos mais
avançados, que podem ser utilizados em áreas críticas (longarina da pá,
por exemplo), para melhorar a rigidez da estrutura. Tem sido utilizados
experimentalmente, mas tais materiais tem preços altos demais para
serem utilizados nos aero geradores economicamente mais
competitivos.
A maioria dos rotores modernos tem duas ou três pás. Projetistas têm
escolhido geralmente duas pás com base no argumento de que o custo de
duas pás é menor que o de três. Outros argumentam que o custo extra da
terceira pá é compensado pelo comportamento dinâmico mais suave do rotor
26
de três pás, e que o custo total do aero gerador é virtualmente idêntico quer se
usem duas ou três pás. Um rotor de três pás fornece oscilações menores de
torque no eixo, o que simplifica a transmissão mecânica.
Se um rotor de duas pás é escolhido - pelo menos para aero geradores
grandes - é usual se ter o rotor articulado, isto é, permitindo uns poucos graus
de movimento perpendicular ao eixo de rotação. Com um cubo articulado, cada
pá, ao passar pelo topo do círculo de rotação - onde a velocidade do vento é
maior devido ao gradiente vertical - move-se um pouco para trás; ao mesmo
tempo a outra pá, no curso inferior do círculo de rotação - onde o vento é
menor - move-se para frente. Este movimento de articulação alivia
significativamente as tensões na raiz das pás, e o consequente custo/benefício
mais do que compensa pelo custo extra da articulação no cubo. Como o peso
próprio das pás introduz cargas cíclicas na raiz (no plano de rotação), e
também penaliza a estrutura da torre, as pás devem obedecer ao critério de
peso mínimo, resistência à fadiga e rigidez estrutural.
Rotores modernos com mais de três pás são apenas usados quando se
necessita de um grande torque de partida, o que é basicamente o caso de
bombeamento mecânico de água. Aerodinamicamente, no entanto, grande
número de pás e alto torque de partida implicam em menor eficiência. O rotor
deve ser fabricado com grande esbeltes, precisão nos perfis aerodinâmicos,
bom acabamento superficial, que são requisitos para maximizar a eficiência
aerodinâmica.
Transmissão/ Multiplicação
A velocidade angular de rotores varia habitualmente na faixa de 15 a 220 rpm
devido a restrições de velocidade na ponta da pá (tangenciais), que operam na
ordem de 50 a 110m/s, quase independentemente do tamanho do diâmetro.
Como geradores trabalham, sobretudo geradores síncronos, há rotações
bastante altas (comum entre 1200 e 1800 RPM), torna-se necessária à
instalação de sistemas de multiplicação entre o eixo do rotor e o eixo do
gerador. Isto significa geralmente um multiplicador convencional, com dois ou
três estágios de engrenagens, apesar de transmissões metálicas também
27
terem sido experimentadas. Nos aero geradores conectados às redes de
distribuição elétrica, a rotação no gerador é de, tipicamente, 1500 rpm ( para 50
Hz ) e de 1800 rpm (para 60Hz). Para aplicações onde a rede é de alta
potência, o simples e confiável gerador de indução (assíncrono) pode ser
usado; a rotação é então mantida dentro de certa porcentagem da rotação
síncrona (um pequeno ângulo de "escorregamento" é essencial para a
operação deste tipo de gerador). Devido a esta pequena (mas finita) margem
de velocidades é permitida alguma absorção de energia das flutuações rápidas
de vento na forma de energia cinética do rotor pela sua inércia. Desta forma, as
flutuações de cargas nas engrenagens da caixa de multiplicação são
levemente suavizadas.
Para alguns rotores de tamanhos pequenos, é possível a conexão direta, pois,
por exemplo, rotores de 1m de diâmetro podem atingir rotações de até 2000
RPM. Também, para potências na ordem de poucos quilowatts, geradores
especiais podem ser construídos, com baixa rotação, para conexão direta aos
rotores.
Para potências acima de 1 a 2 kW, e rotores com mais de 3m de diâmetro, a
regra geral é a utilização de alguma forma de multiplicador de velocidades
entre o rotor e o gerador. Correias, correntes e transmissões hidráulicas têm
sido utilizadas, mas a forma mais amplamente utilizada e provavelmente com
maior sucesso é a transmissão por engrenagens, nas suas várias formas,
desde engrenagens de dentes paralelos a dentes helicoidais, sistemas
planetários ou não. A multiplicação por engrenagens é a de maior eficiência.
Multiplicação por correias ou correntes tem a possibilidade de baixos custos,
porém são viáveis apenas para pequenas potências.
Geradores
A transformação de energia mecânica de rotação em energia elétrica através
de equipamentos de conversão eletromecânica é um problema
tecnologicamente dominado. Grupos geradores são correntemente
industrializados e comercialmente disponíveis. A problemática na integração
dos grupos geradores existentes a sistemas de conversão eólica envolve:
28
Variações na velocidade do vento (extensa faixa de rotações por minuto
para a geração);
Variações do torque de entrada (posto que variações na velocidade do
vento induzem variações de potência disponível no eixo conjunto
gerador);
Exigência de frequência e voltagem constante na energia final
produzida;
Facilidade de instalação, operação e manutenção de tais engenhos
devido ao isolamento geográfico de muitos desses sistemas, sobretudo
em caso de pequena escala de produção ( isto é, alta confiabilidade dos
equipamentos);
Baixos custos.
Para aplicações isoladas, onde geralmente o objetivo é carregar baterias,
existem duas opções: gerador de corrente contínua ou gerador síncrono com
retificador. Em geradores DC não há necessidade de controle da velocidade do
rotor e a tensão é independente de velocidade constante, uma vez que se
exerce um controle sobre o campo, entretanto geralmente são mais pesados,
mais caros, a fabricação é principalmente para baixas potências, necessita de
regulador de tensão acoplado ao campo e de manutenção periódica. No Brasil,
para potências maiores que 1 KW, são usados os geradores síncronos com
retificador. Geradores e alternadores automotivos são produzidos em grande
quantidade, têm baixo custo (por Watt), e têm assistência técnica em
praticamente todo o território nacional. No entanto, existem apenas para
potências abaixo de 1 KW (os mais comuns são de 200-500 Watts), têm baixa
eficiência e alta rotação, o que faz de seu uso um compromisso técnico-
econômico difícil.
Já para os aero geradores conectados à rede, as principais opções que
existem são: geradores síncronos, geradores assíncronos (de indução) e
geradores de comutador de corrente alternada.
O tipo de gerador decididamente influencia o comportamento em operação do
aero gerador e suas interações com a rede. As tensões mecânicas e as
29
flutuações rápidas de potência gerada diminuem quanto maior for à capacidade
e a amplitude das variações de rotação permissíveis no gerador.
Torre
As torres que elevam os rotores a altura desejada, estão sujeitas à inúmeros
esforços. Primeiramente forças horizontais devem ser levadas em conta:
resistência do rotor ("drag") e da própria torre à força do vento. Em seguida,
forças torcionais, impostas pelo mecanismo de controle de rotação da gávea
giratória e esforços verticais (peso do próprio equipamento), não devem ser
desprezados.
Quanto ao material, as torres podem ser de aço (em treliças ou tubulares), ou
tubulares de concreto. Para aero geradores menores, é possível a utilização de
torres de madeira sobre um poste de eucalipto com estais de aço.
A torre suporta a massa da naquele e das pás; as pás, em rotação, excitam
cargas cíclicas no conjunto, com a frequência da rotação e seus múltiplos, e
assim uma questão fundamental no projeto da torre é a sua frequência natural,
que deve ser desacoplada das excitações para evitar o fenômeno de
ressonância, o qual aumenta a amplitude das vibrações e tensões resultantes e
reduz a vida em fadiga dos componentes, entre outros efeitos desagradáveis.
Logo após 1973, a primeira geração de aero geradores (ditos modernos) foi
projetada com torres rígidas, com frequências naturais bem acima das forças
de rotação do rotor. Entretanto, esse enfoque conduziu a torres
desnecessariamente pesadas e caras.
À medida que a compreensão dos problemas dinâmicos de aero geradores foi
aumentando, durante a última década, tornou-se possível aero geradores mais
leves, que são consequentemente menos rígidos, mas também
significativamente mais baratos que seus antecessores.
Desde que tenha as suas frequências naturais desacopladas das da excitação
do rotor, as torres podem ser estaiada ou não. De modo geral, as frequências
30
naturais de uma torre estaiada podem ser melhor reguladas variando-se a
tensão de estaiamento. Interessante notar que um estaiamento por barras de
aço é preferível ao uso de cabos, pois estes são mais elásticos e necessitam
de pré-tensões muito maiores do que as que seriam necessárias em barras
para atingir a mesma frequência natural, numa mesma configuração.
Um aero gerador moderno constitui uma estrutura esbelta, com a massa das
pás em rotação sobre uma torre, excitando cargas cíclicas sobre todo o
sistema. Um problema básico do projeto é determinar todos os modos e
frequências naturais de vibração dos componentes, em especial pás e torre,
para evitar ressonância com as frequências de excitação do rotor em operação.
A ressonância causa aumento das amplitudes de carregamento cíclico no
sistema, comprometendo a resistência à fadiga e reduzindo a vida útil prevista
para o aero gerador, que é de aproximadamente 20 anos.
31
Turbina Eólica
Inversor
Figura 4 – Inversor Transformador
Modelo:
Inversor Meind 12V CC para 110V CA – 200W
32
Finalidade:
Usaremos o inversor transformador para converter a corrente continua vinda da
bateria, em corrente alternada ligada ao disjuntor.
Introdução:
As baterias e mesmo pilhas fornecem baixas tensões contínuas não servindo
para alimentar aparelhos ligados na rede de energia. Os inversores ou
conversores CC – AC são aparelhos que podem converter as baixas tensões
de bateria (geralmente de 12 V de carro ou caminhão), ou mesmo de um
conjunto de pilhas grandes, em uma alta tensão alternada (geralmente 110 V
ou 220 V) para alimentar aparelhos que são plugados na rede de energia.
Muitas pessoas desejam ligar aparelhos de uso doméstico (e portanto
projetados para funcionar com 110 V ou 220 V) no carro ou mesmo alimentá-
los por pilhas e baterias.
Se bem que tais aparelhos, em geral, tenham consumo elevado e por isso não
se recomenda o uso com baterias ou pilhas, existem situações em que não se
pode escapar disso.
É o caso de sistemas de iluminação de emergência que usam lâmpadas
fluorescentes, pequenos televisores que devam ser usados em acampamentos
ou locais em que não rede de energia, e até mesmo eletrodomésticos do tipo
barbeador, ventilador, etc.
Para converter a energia disponível em baterias na forma de uma baixa tensão
contínua para alta tensão alternada são usados circuitos denominados
inversores ou conversores DC/AC.
33
Funcionamento:
Figura 5 – Componentes de um inversor
Um inversor desse tipo é formado por um circuito oscilador de potência que
converte a tensão contínua pura em tensão contínua pulsante para que ela
possa ser aplicada a um transformador.
Isso é necessário pois os transformadores só podem operar com correntes que
variam, e uma corrente contínua pura não passaria por esse componente.
O transformador é o elemento seguinte do circuito e sua finalidade é elevar os
pulsos de baixa tensão do oscilador, obtendo-se em seu secundário uma alta
tensão alternada.
É importante observar que na maioria dos circuitos, a tensão alternada não é
perfeitamente senoidal, mas sim dotadas de alguns picos que podem ser
perigosos se os aparelhos alimentados forem sensíveis.
Normalmente, os osciladores são otimizados para que a tensão seja a mais
próxima possível da senóide, no entanto, isso nem sempre ocorre.
Outro problema comum nesses circuitos é o fato da frequência nem sempre ser
de 60 Hz. Muitos inversores que se destinam à lâmpadas fluorescentes e
outros aparelhos não sensíveis à frequência podem operar com frequências
mais altas, entre 200 e 1000 Hz.
Um ponto crítico no projeto do inversor é a qualidade do transformador. De
fato, esse componente determina o rendimento do circuito e se não for bem
dimensionado, a maior parte da energia pode ser perdida na forma de calor.
34
Energia não se cria:
Um fato comum que ocorre com os que pretendem usar inversores é que eles
pensam que a energia pode ser criada. Muitos acham que a partir de um jogo
de pilhas ou bateria, pode-se elevar a tensão a ponto dela poder alimentar
grandes televisores, geladeiras e outros aparelhos de alto consumo.
Energia não pode ser criada. A capacidade de fornecimento de energia de
baterias e pilhas é bastante limitada. Por exemplo, se uma bateria pode
fornecer uma corrente máxima de 10 A com 12 V, sua potência máxima é 120
W.
Isso, significa que, se convertermos os 12 V dessa bateria para 120 V a
corrente máxima teórica será 1 A e nenhum aparelho de mais de 120 W poderá
ser alimentado. Isso é claro, supondo que 100% da energia possa ser
convertida, o que não ocorre na prática.
Figura 6 – Exemplo de conversão da energia
Assim, a maioria dos inversores é de baixa potência e quando operam no limite
a duração da carga da bateria ficará reduzida proporcionalmente.
Veja então que ao usar um inversor é preciso observar que não é possível criar
energia, assim, a bateria usada deve ter potência compatível com o aparelho
alimentado e sua autonomia dependerá justamente disso.
Assim, normalmente uma bateria de carro não pode fornecer energia por mais
do que umas poucas horas a qualquer aparelho de consumo mais elevado
35
como, por exemplo, um pequeno televisor. Por outro lado, aparelhos cujo
consumo seja superior a 100 W dificilmente podem ser alimentados mesmo
com conversores, pois as baterias é que não dão conta da energia a ser
fornecida.
Por exemplo, para 240 W de potência usando uma bateria de 12 V, mesmo se
tivéssemos um conversor de 100% de rendimento (o que não ocorre na prática)
a corrente drenada seria da ordem de 20 ampères! Uma bateria de 30 Ah teria
a capacidade de alimentar tal aparelho por apenas 1 hora e meia!
Inversores são indicados apenas para alimentar pequenos equipamentos como
lâmpadas fluorescentes em sistemas de emergência, computadores quando
falta energia (no break), ou outros equipamentos cujo consumo não seja
elevado.
Mesmo assim, eles devem ser usados apenas quando não se dispõe da
energia da rede de corrente alternada, observando-se a autonomia da sua
fonte de alimentação.
Trabalhando com inversores:
Para o profissional é muito importante saber que tipo de inversor é
recomendado para uma determinada aplicação. Se equipamentos sensíveis
forem alimentados de forma indevida podem ocorrer danos.
Damos a seguir as principais especificações de tais aparelhos para as quais o
profissional deve estar atento:
a) Potência de saída:
O leitor deve estar certo de que o inversor pode fornecer a potência que o
aparelho a ser alimentado exige, dando certa margem de segurança para que
os componentes não trabalhem no limite. Por exemplo, se vai ser alimentada
36
uma lâmpada fluorescente de 40 W o inversor deve ser capaz de fornecer pelo
menos 50 W de potência.
b) Forma de onda
Muitos inversores fornecem correntes de saída com formas de onda que não
são senoidais. Lâmpadas fluorescentes e incandescentes não são sensíveis às
formas de onda, mas existem aparelhos que não podem ser usados com
conversores que não tenham uma saída senoidal de 60 Hz.
c) Performance
Deve-se optar pelo inversor que tenha o maior rendimento possível.
Normalmente acima de 70%.
d) Isolação
A alta tensão da saída de inversores pode causar choques perigosos. Verifique
a qualidade do isolamento do sistema que alimenta o aparelho externo.
e) Colocação da bateria
Ao instalar um inversor com uma bateria não selada cuide para que ela fique
em local ventilado, pois os gases que ela produz são tóxicos.
f) Conexões
As conexões do inversor à bateria devem ser feitas com fios grossos, pois a
corrente normalmente é intensa. O cabo da bateria ao inversor deve ser o mais
37
curto possível. Na figura mostramos o modo típico de instalação de um
inversor.
Figura 7 – Instalação de um inversor
38
Turbina Eólica
Bateria
Figura 8 - Bateria
Modelo:
Bateria Moura 40 Ah - M40FC
39
Introdução:
A bateria é um componente indispensável no projeto, e tem suas especificas
funções:
Acumulador de energia sob forma química que será transformada em
elétrica.
A bateria é uma fonte independente da turbina eólica, ou seja, com a
turbina desligada deverá fornecer energia elétrica para alimentar os
consumidores (15 lâmpadas de LED).
Com a turbina em funcionamento, a bateria se recarrega, acumulando
parte da energia elétrica produzida pelo dínamo.
Construção interna:
A bateria é um conjunto de acumuladores ácido-chumbo que armazenam
energia elétrica na forma química. Internamente, a bateria é constituída de
elementos, vasos ou células, cuja quantidade varia de 3 a 6 vasos, conforme a
tensão da bateria.
A tensão nominal em cada vaso é de 2,1V e os mesmos são ligados em série.
Figura 9 – Vista interna de uma bateria
40
Observação:
A tensão real da bateria é de 12,6V, mas para efeito de cálculo usamos a
tensão nominal que é de 12V.
Construção interna de cada vaso:
Cada um dos vasos é formado por certos números de placas positivas, cujo
material ativo é o peróxido de chumbo (PbO2) de coloração marrom e placas
negativas onde o material ativo é o chumbo esponjoso (Pb) de coloração
acinzentada. O material ativo é prensado em uma grade de chumbo e
antimônio.
Ligadas em paralelo entre si, estas placas são separadas por separadores, os
quais funcionam como isoladores elétricos.
Principais componentes de uma bateria:
1 – Caixa plástica a prova de
ácido;
2 – Elementos da bateria
a – Placas positivas;
b – Placas negativas;
c – Separadores;
3 – Solução ou Eletrólito
Figura 10 – Componentes de uma bateria
41
Figura 11 – Vista em corte de uma bateria
Eletrólito (solução de bateria):
É a mistura de ácido sulfúrico com água destilada com uma proporção
aproximadamente de 36% de ácido sulfúrico e 64% de água destilada.
Fórmula do eletrólito - H2SO4
Densidade:
É o peso de um dado volume de solução de bateria, dividido pelo peso de um
volume igual ao da água pura. O peso específico da água pura é de 1,000: isto
quer dizer que o eletrólito da bateria é de 1,260 a 1,280 vezes mais pesado que
a água pura. A medida da densidade da solução de uma bateria é um teste
básico do seu estado e carga, pois, a densidade do eletrólito diminui quando a
bateria está descarregada.
42
Nível do eletrólito:
Uma pequena diminuição do nível do eletrólito da bateria, temporariamente
pode ser considerada normal, a evaporação e a ação química no processo de
carga libertam átomos da água. Como por exemplo, no processo de carga
existe a eletrolise da água, que liberta átomos de hidrogênio que escapam
pelos furos dos respiros das tampas, fazendo com que o nível baixe.
O nível do eletrólito da bateria deve ser verificado periodicamente (a cada 15
dias) e se necessário ser corrigido. Para isso, deve-se adicionar somente água
destilada, até completar 1,5 cm acima das placas. Muitas baterias trazem na
tampa uma marca do nível do eletrólito.
Perda de carga:
As baterias armazenadas sofrem uma perda constante de carga, mesmo que
não sejam solicitadas para nenhum uso. Essas auto descargas, como são
chamadas, variam em função da temperatura.
Por exemplo: Uma bateria à temperatura de 35oC poderá perder totalmente sua
carga em pouco mais de um mês, enquanto que uma bateria armazenada à
temperatura de 10oC, pouco perderá em um ano. Tanto a umidade como a
sujeira sobre a bateria pode provocar uma fuga de corrente entre os terminais
da bateria e o chassi do automóvel, que provoca sua descarga. O ácido que se
desprende da bateria além de causar sua descarga pode também atacar as
chapas do automóvel. Portanto, é bastante importante manter os polos e a
bateria sempre limpos e secos.
43
Cuidados com a bateria durante a carga:
Retirar todas as tampas dos vasos (elementos)
Limpar os polos da bateria para evitar mau contato;
Corrigir constantemente o nível do eletrólito, se necessário;
Verificar periodicamente (a cada hora) a densidade do eletrólito para
evitar sobrecarga na bateria;
Quando for conectar ou desconectar as garras nos polos da bateria,
manter o carregador desligado para evitar faíscas;
Não fechar curto-circuito na bateria para evitar faíscas. Essas faíscas
pode causar uma forte explosão na bateria provocada pelos gases que o
eletrólito libera durante o processo de carga;
Observar as temperaturas que não devem estar abaixo de 10oC nem
acima de 50oC;
Nunca adicionar solução na bateria que está em uso normal. Se for
necessário, corrigir o nível do eletrólito. Usar somente água pura ou
destilada;
Não deixar que uma bateria se descarregue completamente;
Não armazenar bateria sobre chão ou solo de cimento por tempo
prolongado;
Conservar os polos da bateria limpos e secos para evitar a auto
descarga e a formação de zinabre sobre os terminais e quadro suporte;
Quando colocar as tampas nos elementos (vasos), observar se não foi
esquecido nenhum plástico sobre os respiros.
44
Turbina Eólica
Dínamo
Figura 12 - Dínamo
Especificações:
14V - 25 A - 300 W
45
Finalidade:
Recompor a carga da bateria gasta durante a utilização das lâmpadas e
fornecer energia elétrica aos componentes elétricos durante o funcionamento
das lâmpadas, mantendo uma carga constante para garantir o bom
funcionamento, bem como, uma maior vida útil de todo o sistema elétrico.
Introdução:
O dínamo é um gerador de corrente contínua, de circuito derivado, o que
significa que o enrolamento do induzido e o enrolamento de excitação se
acham ligados em paralelo.
Figura 13 – Vista interna de um dínamo
A corrente necessária para excitação do campo magnético é produzida pelo
próprio dínamo, sendo derivada do induzido (princípio da auto excitação).
Os dínamos se dividem em dois grandes grupos, que são:
1º - Dínamo com corrente contínua: É aquele que fornece corrente contínua,
isto é, corrente que circula num único sentido.
2º - Dínamo com corrente alternada: Também chamado alternador – é aquele
que fornece corrente alternada, isto é, corrente que circula num sentido e
noutro alternadamente.
46
Quando o dínamo entra em funcionamento, existe entre as sapatas polares
apenas um campo magnético fraco, resultante do magnetismo remanente.
Quando as linhas de força do campo forem cortadas pelas espirais do induzido,
em movimento giratório, produz-se nestas espirais uma tensão inicialmente
fraca. Consequentemente, circulará uma corrente de excitação ainda fraca que
reforçará o campo magnético existente. Assim aumentará também a tensão
induzida nas espirais do induzido. Essa tensão, por sua vez, fará fluir uma
corrente mais elevada na bobina de campo. Na medida em que aumenta a
intensidade da corrente, também o campo magnético ficará mais intenso, até
que o dínamo esteja completamente excitado, ou seja, até que nenhum
aumento adicional da rotação e da corrente de excitação faça elevar ainda
mais a potência do campo magnético, em virtude da saturação do núcleo de
ferro.
Inversão do sentido de rotação
Um dínamo, acionado em sentido oposto ao correto, não pode excitar-se, visto
o campo magnético remanente e a tensão serem de sinais opostos e se
anularem reciprocamente, o sentido de rotação acha-se indicado na
designação do dínamo através de uma seta valendo à esquerda ou à direita,
visto sempre pelo lado oposto ao do coletor.
Polarização do dínamo
Antes de ser colocado em funcionamento, tanto na primeira montagem no
veículo como após um conserto ou uma inversão do sentido de rotação, o
dínamo deve ser sempre polarizado. Durante uns breves instantes, o dínamo
deverá funcionar no novo sentido de rotação como no motor, isto é, o terminal
positivo de uma bateria é conectado ao D+ do dínamo que será mais tarde o
seu pólo positivo. E o pólo DF ligado diretamente com a massa. Procedendo
dessa forma, o dínamo girará como se fosse um motor elétrico garantindo sua
pré-excitação.
47
Figura 14 – Principais componentes de um dínamo
01. Carcaça polar
02. Induzido
03. Borne de conexão
04. Coletor
05. Mancal, lado do coletor
06. Mancal, lado de acionamento
07. Sapata polar
08. Bobina de campo
09. Porta-escovas
10. Escova
11. Mola de escova
48
Turbina Eólica
Regulador de Tensão
Figura 15 – Regulador de tensão
Modelo: Gauss GA002 14V
Finalidade:
Tem por função regular a tensão de saída do dínamo, através do circuito de
excitação.
49
Figura 16 – Desenho de um regulador de tensão
O princípio de regulagem de tensão consiste em comandar a corrente de
excitação do rotor. Como visto na teoria do eletromagnetismo, quanto maior a
corrente que circula numa bobina, maior será a intensidade do campo
magnético produzido por ela. Esta variação de campo é que causará a variação
da tensão produzida no alternador.
Quando a tensão ultrapassar o valor máximo indicado, o regulador de tensão
causará, segundo o regime de funcionamento, uma redução ou interrupção
total da corrente de excitação. A excitação do alternador diminuirá, e
consequentemente diminuirá a tensão produzida por ele.
Isso se passa com tanta rapidez, que a tensão do alternador fica praticamente
ajustada a um valor constante. Esta variação é tão rápida que ultimamente
tem-se optado por reguladores eletrônicos, por não possuírem contatos móveis
que se desgastariam com o tempo.
Regulador eletrônico:
O regulador eletrônico não possui contatos móveis, a tensão é regulada
eletronicamente. Para esse fim existe os diodos, transistores, resistores e
capacitores montados numa placa de circuito impresso. Não existe, pois,
nenhum componente sujeito ao desgaste mecânico, com exceção das escovas.
50
Para isolarmos então o regulador do alternador, basta fazer uma ponte unindo
D + e DF; quando isto é feito, a corrente de excitação do alternador é máxima.
Observação:
Nem sempre as causas das irregularidades no sistema de carga encontram-se
no alternador ou regulador, podendo estar na bateria, cabos, correia, etc. O
regulador não exige manutenção ou regulagem.
51
Turbina Eólica
Rolamento Radial
Figura 17 – Rolamento de esferas
Modelo:
Rolamento Radial de Esferas
O que é Rolamento:
Rolamentos são apoios mecânicos montados nos eixos. Basicamente, são
constituídos por dois anéis fabricados de aço especial, separados por fileiras
de esferas, ou de rolos cilíndricos ou cônicos e estas esferas ou rolos são
separados entre si por meio de porta esferas ou porta rolos. Tem como função
52
suportar eixos permitindo-os realizar movimentos rotacionais com facilidade,
minimizar a fricção entre as peças móveis da máquina e suportar uma carga.
Sempre que há rotação, existe a necessidade de alguma forma de mancal, seja
por meio de rolamentos ou mancais de deslizamento.
Rolamentos Radias de Esferas
Os rolamentos radiais de esferas são compostos por um anel interno e um anel
externo, com um porta-esferas com o número máximo de esferas de
precisão. A construção do rolamento possui uma ranhura capaz de suportar
cargas radiais e axiais em qualquer sentido, o que permitem operações em alta
rotação e aplicações onde se requer baixo ruído.
Algumas vantagens e desvantagens dos rolamentos em relação aos mancais
de deslizamento são:
Vantagens
Menor atrito e aquecimento;
Coeficiente de atrito de partida (estático) não superior ao de operação
(dinâmico);
Pouca variação do coeficiente de atrito com carga e velocidade;
Baixa exigência de lubrificação;
Intercambialidade internacional;
Mantem a forma de eixo (não ocasiona desgaste do eixo);
Pequeno aumento da folga durante a vida útil;
Desvantagens
Maior sensibilidade aos choques;
Maiores custos de fabricação;
Tolerância pequena para carcaça e alojamento do eixo;
Não suporta cargas tão elevadas como os mancais de deslizamento;
53
Turbina Eólica
Disjuntor
Figura 18 - Disjuntor
Modelo:
Disjuntor unipolar Lorenzetti DLBE 1020 – 20A
54
Finalidade:
Os disjuntores têm o mesmo papel dos fusíveis. Ele é um sistema de
segurança de um circuito elétrico, contra sobrecargas elétricas ou curtos-
circuitos, que tem a função de cortar a passagem de corrente elétrica no
circuito, caso a intensidade da corrente ultrapassar a intensidade limite que,
normalmente, vem especificada nos próprios disjuntores. Uma boa
característica dos disjuntores, é que, além de proteger a corrente, ele também
serve como dispositivo de manobra, funcionando como interruptores normais
que permitem interromper manualmente a passagem de corrente elétrica.
Para reativar o disjuntor, basta que ligue a chave (dispositivo de manobra)
novamente, enquanto que nos fusíveis queimados precisamos trocá-los por
novos, podendo até tomar choque, quanto que isto não ocorre quando
religamos o disjuntor.
Foi escolhido um disjuntor unipolar de 2A, pois é o suficiente para uma tensão
de 127V e passagem de corrente de 1A que as 15 lâmpadas irão utilizar.
Existem vários tipos de disjuntores, sendo os mais comuns:
Disjuntor Térmico: Um disjuntor térmico é um sistema eletromecânico
simples e robusto. Em contrapartida, não é muito preciso e dispõe de um
tempo de reação relativamente lento. A proteção térmica tem como
função principal a de proteger os condutores contra os
sobreaquecimentos provocados pelas sobrecargas prolongadas na
instalação elétrica.
Disjuntor Magnético: A proteção magnética tem como fim principal o
de proteger os equipamentos contra as anomalias como as sobrecargas,
os curto-circuito e outras avarias. Normalmente, é escolhida para os
casos onde existe a preocupação de proteger o equipamento com muita
precisão.
55
Disjuntor Termomagnético: É o mais utilizado em instalações elétricas
residenciais e comerciais. Esse disjuntor possui 3 funções, sendo elas:
Manobra: abertura e fechamento do circuito;
Proteção contra sobrecargas: É realizado através de um atuador bi
metálico (é uma placa composta de dois tipos de metais diferentes,
onde num lado da placa predomina um tipo de metal, e no outro lado
um metal diferente do primeiro.), que é sensível ao calor e provoca a
abertura quando a corrente elétrica permanece, por um determinado
período, acima da corrente nominal do disjuntor.
Proteção contra curto-circuito: através de um dispositivo
magnético desativa o disjuntor, quando ocorre um aumento
instantâneo da corrente elétrica.
Figura 19 – Componentes de um disjuntor
56
Turbina Eólica
Pás eólicas e hastes
Figura 20 - Pás
57
Figura 21 - Hastes
Função e Aplicação:
A pá eólica é um componente fundamental na turbina. Ela irá captar a energia
dos eventos dando rotações ao eixo. As três pás foram produzidas para ter o
melhor rendimento possível, sendo leves e captando maior energia.
Como foram produzidas:
Foi utilizada uma chapa de alumínio de 2 mm de espessura e 500x440 mm. A
chapa foi dobrada com o auxilio de um tubo para formar um raio de 600 mm.
As pontas foram fixadas com quatro rebites.
As hastes eram duas réguas de alumínio de 2000 mm de comprimento, 51 mm
de largura e 18 mm de altura cada. A régua foi divida em 4 partes de 500mm,
sendo que apenas 3 partes foram utilizadas.
Montagem:
Cada pá foi fixada a duas hastes por meio de cantoneiras e rebites para melhor
fixação. Cada haste foi fixada ao eixo sendo parafusada em uma arruela já
presa ao eixo.
58
Turbina Eólica
Eixo
Figura 22 – Eixo com a polia
Função e Aplicação:
O eixo é o componente mais importante da turbina, pois é ele que transmite o
torque do rotor da turbina ao rotor do gerador.
59
Como foi produzido:
O eixo usado em nosso trabalho comprado.
Montagem:
Como o eixo foi comprado, as únicas adaptações que fizemos foram as buchas
para fixação dos rolamentos, polia e arruelas.
60
Turbina Eólica
Polias
Função e Aplicação:
A polia passa o torque do eixo para dínamo através de uma correia, e esse
torque é transformado em energia para recarregar a bateria.
Como foram produzidas:
A polia que vai no eixo foi comprada pronta, precisando somente fazer um furo
de 30 mm. Já para a polia que vai ao dínamo foi necessário fazer um furo de
15 mm e uma chaveta de 1,4 mm.
61
Turbina Eólica
Base para sustentação da Turbina
Figura 23 – Base para sustentação do eixo e do dínamo
Função e Aplicação:
A base serve de suporte para o eixo e, dentro dela estão às polias ligadas tanto
ao eixo quanto ao dínamo.
Como foram produzidas:
A base é feita de chapas de ferro usinadas, apresentado as seguintes medidas:
600 mm de comprimento, 400 mm de profundidade/largura, 400 mm de altura e
3 mm de espessura.
62
Montagem:
A caixa foi feita com quatro chapas unidas por meio de uma solda elétrica. Uma
chapa lateral foi cortada com uma borda de 50 mm de espessura e a tampa
dela foi presa por 4 cantoneiras com 24 parafusos. A tampa possui um furo de
32 mm para a passagem do eixo, e possui duas flanges, uma para o
alojamento do rolamento de base que fica dentro da caixa, e uma na tampa
para alojamento do rolamento intermediário.
63
Turbina Eólica
Lâmpada de LED
Figura 24 – Lâmpada de LED
Modelo:
Lâmpada de LED: 7W – 0,045A – 127V
Finalidade:
As lâmpadas serão ligadas com a energia gerada na turbina eólica.
64
Introdução
Em uma lâmpada incandescente comum, menos de 10% da energia que passa
por ela é transformada em luz. Os outros 90% de eletricidade são perdidos na
forma de calor, por isso uma lâmpada desse gênero esquenta tanto quando
fica acessa por muito tempo.
Já pensando na economia de energia, surgiram as lâmpadas fluorescentes,
que usam bem menos energia do que as sucessoras, mas possuem mercúrio
em sua composição. Por isso, o LED surgiu como uma alternativa razoável.
O LED nada mais é do que um diodo emissor de luz (ou Light Emitting Diode).
Além de possuir um tamanho bem reduzido em relação às demais lâmpadas, o
diodo possui uma taxa de luminosidade realmente boa.
LED, o que é?
O LED é um componente eletrônico semicondutor, ou seja, um diodo emissor
de luz (L.E.D = Light emitter diode), mesma tecnologia utilizada nos chips dos
computadores, que tem a propriedade de transformar energia elétrica em luz.
Tal transformação é diferente da encontrada nas lâmpadas convencionais que
utilizam filamentos metálicos, radiação ultravioleta e descarga de gases, dentre
outras. Nos LEDs, a transformação de energia elétrica em luz é feita na
matéria, sendo, por isso, chamada de Estado sólido (Solid State).
O LED é um componente do tipo bipolar, ou seja, tem um terminal chamado
anodo e outro, chamado catodo. Dependendo de como for polarizado, permite
ou não a passagem de corrente elétrica e, consequentemente, a geração ou
não de luz.
Abaixo, na figura 25, temos a representação simbólica e esquemática de um
LED.
65
Figura 25 – Esquema de um LED
O componente mais importante de um LED é o chip semicondutor responsável
pela geração de luz. Este chip tem dimensões muito reduzidas, como pode ser
verificado na figura 26, onde apresentamos um LED convencional e seus
componentes.
Figura 26 – Componentes de um LED
Na figura 27, apresentamos alguns tipos de LEDs encontrados no mercado
Figura 27 – Tipos de LEDs no mercado
66
Diferenças entre lampâdas de LED, Incandescente e Fluorescente
Figuras 28 e 29 – Comparações entre lâmpadas de LED, Incandescente e
Fluorescente.
67
Turbina Eólica
Planilha de custos
68
Turbina Eólica
FMEA
69
Figura 31 – FMEA do Projeto
70
Turbina Eólica
Cronograma
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Figura 33 - Turbina Eólica
Turbina Eólica
Croqui do Projeto
72
Turbina Eólica
Desenho em AutoCAD
Eixo
Figura 34 – Eixo
Haste
Figura 35 – Haste
73
Figura 36 – Diâmetro do eixo
Pás
Figura 37 – Pá
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Rolamento
Figura 38 – Rolamentos
Base
Figura 39 – Base
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Polia do eixo
Figura 40 – Polia do eixo
Polia do dínamo
Figura 41 – Polia do dínamo
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Turbina Eólica
Cálculos para realização do projeto
Especificações:
Dínamo: 14V - 25 A - 300 W
Lâmpada de LED: 7W – 0,045A – 127V
Bateria: 12V – 50Ah
Calculo do alternador (A):
1A = 0,0624KWh
1A * 12h = 7,488KWh
1A * 24h= 14,976 KWh
1A* 24h * 30dias = 449,28KWh/mês
Cálculo das lâmpadas de LED (L):
1L = 0,007KWh
15L = 0,105KWh
15L * 12h = 1,260KWh
15L * 12h * 30dias = 37,8KWh/mês
I= 0,055A
0,055 * 15L = 0,826Ah
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Turbina Eólica
Conclusão
Neste trabalho mostramos um passo-a-passo de como montamos nossa
turbina eólica, e concluímos que, atualmente dentre as energias renováveis, a
energia eólica é a mais promissora e com o melhor custo x benefício. A
tendência desse tipo de energia no Brasil é de aumentar com o passar dos
anos, por isso a escolha do projeto foi uma turbina cuja energia gerada de uma
forma ecológica pode abastecer uma residência de maneira autossuficiente.
Cumprimos parcialmente os objetivos que nós tínhamos proposto, pois
conseguimos montar a turbina eólica, porém não foi possível , gerar com ela a
energia suficiente para ligar as lâmpadas de LED e armazenar a energia obtida
na bateria.
Este trabalho foi muito importante para o nosso conhecimento, porque permitiu-
nos colocar em prática todo conhecimento que recebemos durante os quatro
módulos do nosso ensino técnico.
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Turbina Eólica
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