Aerogerador: Desenvolvimento de uma turbina eólica

Ana Claudia Machado Caio Luiz Vieira Darlan Paiva Pereira Sabrina Nascimento

AEROGERADOR Desenvolvimento de uma turbina eólica

Poços de Caldas - Minas Gerais - Brasil Julho de 2015

Ana Claudia Machado Caio Luiz Vieira Darlan Paiva Pereira Sabrina Nascimento

AEROGERADOR Desenvolvimento de uma turbina eólica

Projeto de Pesquisa apresentado na unidade curricular “Projeto Multidisciplinar III” do curso “Bacharelado Interdisciplinar em Ciência e Tecnologia” da Universidade Federal de Alfenas – MG. Orientador: Sr. Prof. Dr. Laos Hirano

Poços de Caldas - Minas Gerais - Brasil Julho de 2015

SUMÁRIO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

INTRODUÇÃO OBJETIVO OBJETIVOS ESPECÍFICOS JUSTIFICATIVA DELIMITAÇÕES ENERGIAS RENOVÁVEIS A ENERGIA EÓLICA 7.1 HISTÓRIA DO USO DE ENERGIA EÓLICA 7.2 A ENERGIA EÓLICA NO BRASIL 7.2.1 A ENERGIA EÓLICA EM MINAS GERAIS 8. AEROGERADORES 8.1 AEROGERADORES DE EIXO VERTICAL 8.1.1 TIPO SAVONIUS 8.1.2 TIPO DARRIEUS 8.2 AEROGERADORES DE EIXO HORIZONTAL 8.2.1 TIPO MULTIPÁS 8.2.2 TIPO TRIPÁS 8.3 AEROGERADORES DE BAIXA TENSÃO 9. A FÍSICA DOS AEROGERADORES DE BAIXA TENSÃO: PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE POR MEIO DO ELETROMAGNETISMO 9.1 FUNDAMENTOS DOS GERADORES E MOTORES ELÉTRICOS 9.2 GERADOR DE CORRENTE CONTÍNUA 9.2.1 EQUAÇÃO DA TENSÃO NO GERADOR DE CORRENTE CONTÍNUA: RELAÇÃO ENTRE TENSÃO E VELOCIDADE ANGULAR 9.3 MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA 9.3.1 EQUAÇÃO DO TORQUE NO MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA: RELAÇÃO ENTRE TORQUE E CORRENTE 10. PROBLEMATIZAÇÃO 11. METODOLOGIA 12. METODOLOGIA CIENTÍFICA 13. RESULTADOS PARCIAIS 14. CRONOGRAMA GERAL 15. CRONOGRAMA DO PM III 16. CRONOGRAMA PARA O PRIMEIRO MÊS DO PM IV 17. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 3 3 3 4 5 5 5 7 8 10 11 11 12 13 13 14 15 15 16 18 18 18 19 19 20 20 21 23 24 24 25

1. INTRODUÇÃO Foi a partir da Revolução Industrial, ocorrida na Inglaterra no século XIX, que tudo começou a mudar. A eletricidade, até então, era

produzida preponderantemente em

termelétricas à carvão mineral, e logo após o período da Revolução, Nikola Tesla, em 1889 (MEMÓRIA DA ELETRICIDADE), patenteou um motor de corrente alternada. Com isso, ficava claro que esse tipo de corrente seria o destino futuro para a distribuição de energia elétrica, abrindo portas para que a mesma passasse a ser utilizada em fábricas para o acionamento mecânico de máquinas. Ao mesmo tempo, aperfeiçoava-se a turbina hidráulica como alternativa para a turbina a vapor na geração de energia elétrica, e apareceram, então, as primeiras hidrelétricas de pequeno porte, com linhas de transmissão que permitiam o uso da energia dos rios nas cidades e nas fábricas (CARVALHO, 2008). Com o passar dos anos, essas formas diferentes de produção de eletricidade foram aumentando e utilizando os mais variados recursos naturais para produção de energia elétrica, sendo um deles o vento. A partir da movimentação das massas de ar, que são aquecidas pelo sol e resfriam gradativamente ao ganharem altitude, surgem os ventos. O interesse em aproveitar os ventos certamente não é novo: eles foram uma das primeiras fontes naturais de energia a serem utilizadas. Existem indícios de que moinhos de vento foram utilizados na Babilônia e na China entre 2000 e 1700 a.C. para bombear água e moer grãos (SHEFHERD, 1994). A extração de energia do vento, especialmente na forma de eletricidade, tem despertado cada vez mais o interesse das empresas e dos governos. A energia dos ventos, ou seja, a eólica, é a forma de energia que mais cresce atualmente, cerca de 75% da capacidade instalada nos Estados Unidos desde 1990, e hoje em dia, existem mais de 30.000 turbinas de vento em todo o mundo, com uma capacidade de 13.000 MW. Estima-se que a energia eólica poderá suprir de 5% a 15% das demandas por eletricidade dos Estados Unidos por volta de 2020 (HINRICHS, 2002).

Essas turbinas de ventos são chamadas de aerogeradores, e convertem a energia dos ventos em energia elétrica. São classificadas em função da orientação do eixo do rotor: existem turbinas de eixo horizontal e turbinas de eixo vertical. Os tipos mais comuns são aquelas com eixos horizontais e lâminas verticais. Como os ventos são intermitentes e não podem ser trazidos de volta ou retidos, o armazenamento dessa energia para utilização posterior é muito importante se não for possível a conexão com a rede elétrica existente, ou ainda a venda do excesso de produção de eletricidade para a concessionária local. O impacto ambiental da energia eólica é praticamente insignificante, porém presente. Em relação ao uso do solo, as turbinas devem ter uma distância suficiente entre si em parques eólicos. Isso deve ser feito para evitar a perturbação gerada pelo escoamento do vento entre elas, com espaçamento de 5 a 10 vezes a altura da torre. Entretanto, a área do parque pode ser utilizada para produção agrícola. Outro impacto causado são os ruídos, gerados por turbinas de grande porte pelos próprios fluxos de ar nas pás, gerador e caixa de redução. Por isso há uma regulamentação que está relacionada à sua instalação próxima à áreas residenciais. Impactos visuais são causados pelas sombras e reflexos móveis indesejados das pás das turbinas em áreas residenciais, envolvendo vários parâmetros como: latitude, tamanho da turbina, design, números de pás, cor e número de turbinas. Em locais com latitudes elevadas, onde o sol tem posição mais baixa no céu, o problema é mais evidente. Máquinas que interferem significativamente, exigindo restrições a sua instalação em certas áreas são as de grande porte, por terem maior visibilidade. Além de tudo, não é recomendável a instalação de turbinas em áreas de migração e reprodução de aves e também de proteção ambiental. Nas fazendas eólicas é comum a mortalidade de aves causadas pelo impacto com as pás das turbinas. Turbinas que são instaladas entre receptores e transmissores de ondas causam interferência eletromagnética. Isto ocorre porque as pás das turbinas refletem parte da radiação eletromagnética em uma direção que por sua vez, pode interferir no sinal obtido da onda refletida. Contudo, a produção da energia eólica é vantajosa, pois é um tipo de energia

renovável, não ocorrendo a emissão de poluentes e podendo ser obtida em diversos locais, além de, no caso da utilização residencial, ser um excelente complemento para a energia solar: dias com pouco sol geralmente são aqueles com ventos acima da média. 2.

OBJETIVO Este projeto de pesquisa tem por finalidade desenvolver um aerogerador.

3.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Os objetivos específicos para este projeto são: 1. Testes experimentais com motores coletados no descarte; 2. Maximização do desempenho do motor que será utilizado no aerogerador; 3. Testes de campo com o protótipo.

4.

JUSTIFICATIVA Sabe-se que a questão energética é um dos dos tópicos de maior importância e

relevância na atualidade, e que a qualidade de vida de uma sociedade está intimamente ligada ao seu consumo de energia. Conhecer e estudar mais profundamente sobre outra forma de energia a não ser a hidrelétrica contribui, mesmo que um mínimo, para o incentivo ao desenvolvimento de outros setores que utilizam recursos renováveis para geração de energia elétrica, como por exemplo, o setor de energia eólica. Tomando como base um estudo já realizado acerca da potencialidade eólica de Poços de Caldas e desenvolvendo um aerogerador, pode-se fazer uma análise de viabilidade econômica que o mesmo pode possuir na cidade, podendo até ser comercializado futuramente para uso doméstico. Isso reduziria não só a dependência da sociedade poços-caldense pela energia elétrica proveniente da rede de fornecimento, mas também o custo mensal pela

mesma. Após algumas problematizações feitas para este projeto de pesquisa, este apresenta-se viável porque além de possuir uma utilidade social e também uma relevância científica, contribui para o desenvolvimento da ciência e tecnologia dentro da universidade. Por fim, refletindo sobre este projeto de pesquisa e resumindo, algumas de suas vantagens são: •

seu desenvolvimento possui um custo relativamente baixo;

•

é de fácil implantação e consequente simplicidade de manipulação;

•

sua aplicabilidade, tanto dentro do campus Poços de Caldas da Universidade Federal de Alfenas, quanto na sociedade poços-caldense;

•

ligado ao desenvolvimento do aerogerador, está o armazenamento da energia elétrica por ele gerado em uma bateria, por exemplo. Na possível comercialização do aerogerador, a falta de energia elétrica fornecida pela companhia de energia poderá ser suprida, mesmo que um pouco e temporariamente, pela energia armazenada bateria da pequena turbina eólica.

•

sua geração de conhecimento tanto para os próprios membros do grupo, como também para a comunidade acadêmica, pois, após a possível instalação do aerogerador no campus, estará sendo incentivada a conhecer o mesmo e também a desenvolver seus próprios dispositivos a partir de outros recursos renováveis;

e esta quinta vantagem implicando numa sexta, que é a de colocar em prática os conceitos teóricos sobre interdisciplinaridade e extensão aprendidos na universidade. 5.

DELIMITAÇÕES Para atingir o objetivo proposto, a delimitação espacial é o campus Poços de Caldas da

Universidade Federal de Alfenas e também o município de Poços de Caldas; a delimitação temporal é o período de três anos correspondentes ao período de graduação do Bacharelado Interdisciplinar em Ciência e Tecnologia. Além dessas delimitações, há aquelas refentes à literatura, e que compreendem os

conceitos de:

6.

•

Meteorologia;

•

Cálculo I e II;

•

Teoria de Erros;

•

Estatística;

•

Física: O Eletromagnetismo;

•

Informática e Modelagem Computacional.

ENERGIAS RENOVÁVEIS As energias renováveis são aquelas as quais seus recursos tendem a se renovar em

ciclos naturais, ou seja, não são finitos. Como exemplos dessas energias que podem ser citados são: energia solar, geotérmica, maremotriz e claro, a que é a base para este projeto, a energia eólica. 7.

A ENERGIA EÓLICA A energia eólica tem origem na energia solar, e é uma forma de energia cinética

produzida pelo aquecimento de diferentes massas de ar, originando uma variação da massa especifica e gradientes de pressão, fazendo com que surjam os ventos (GIPE, 1995). Além disso, também é influenciada pelo movimento de rotação da Terra sobre o seu eixo e depende significativamente de influências naturais, como: continentalidade, maritimidade, latitude, altitude. As formas de aproveitamento dessa energia estão associadas à conversão da mesma em energia mecânica e elétrica. (CHESF-BRASCEP, 1987) 7.1

HISTÓRIA DO USO DE ENERGIA EÓLICA

Quando o homem ainda desenvolvia somente atividades agricultoras, ele necessitava cada vez mais de instrumentos que o auxiliasse nas diversas etapas destas atividades. Tarefas

como moagem de grãos exigiam cada vez mais esforço braçal e também animal, levando ao necessário desenvolvimento do que é chamado “moinho de vento”, constituído por um eixo vertical e ligada nele um haste, que era movida por homens ou animais num movimento em círculos. O primeiro registro histórico da utilização da energia dos ventos provém da Pérsia, por volta de 200 a.C.. Acredita-se que antes da invenção de cata-ventos na Pérsia, na China (por volta de 2000 a.C.) e no Império Babilônio (por volta de 1700 a.C.) também já eram utilizados os cata-ventos para irrigação (SHEFHERD, 1994). Na Europa, os cata-ventos foram introduzidos há 900 anos, quando, até o século XII, começaram a ser utilizados moinhos de eixo horizontal na Inglaterra, França e Holanda, e depois houve a disseminação dos cata-ventos para os outros países (CHESF-BRASCEP, 1987). Muito tempo depois, já no final do século XIX, ocorreu a Revolução Industrial, e com o surgimentos das máquinas a vapor, o uso da energia eólica entrou em declínio, principalmente na Holanda, onde era mais utilizada. Logo no início do século XX, existiam apenas 2500 moinhos de ventos em operação no país (CHESF-BRASCEP, 1987). Com o avanço da rede elétrica, foram feitas, também no início do século XX, vária pesquisas para o aproveitamento da energia eólica em geração de grandes quantidades de energia. Enquanto os Estados Unidos estavam difundindo o uso de aerogeradores de pequeno porte nas fazendas e residências rurais, a Rússia, em 1931, investia na conexão de aerogeradores de médio e grande porte diretamente na rede (SEKTOROV, 1934 apud SHEFHERD, 1994). Após esta iniciativa russa do uso de aerogeradores de grande porte para aplicações elétricas, chamou-se a atenção para este tipo de geração de energia elétrica, incentivando pesquisas utilizando e aprimorando técnicas aeronáuticas na operação e desenvolvimento das pás, além do aperfeiçoamento no sistema de controle (DIVONE, 1994). Atualmente, de acordo com dois estudos realizados pela Associação Mundial de Energia Eólica (WWEA, na sigla em inglês), há um crescimento do uso de energia eólica no mundo. Os trabalhos, que avaliaram os anos de 2010 e o primeiro semestre de 2011, revelam que, ao todo, 86 países já utilizam essa fonte renovável para a produção de energia elétrica. Entre eles, destaca-se a China, que se tornou o país com maior capacidade instalada,

acrescentando 18.928 MW (Megawatts) em sua matriz em um ano, bem como o centro da indústria eólica internacional. Globalmente, a energia eólica não ultrapassa o 1% do total gerado por todas as fontes (GIPE, 1995). Concluindo, a energia eólica instalada no mundo crescerá de modo significativo nas próximas décadas e será parte importante do setor de energia renovável de muitos países, e o desenvolvimento de aerogeradores de maior porte mostra vem mostrando boas perspectivas para um crescimento mais sustentável. 7.2

A ENERGIA EÓLICA NO BRASIL

A primeira turbina de energia eólica do Brasil foi instalada em Fernando de Noronha em 1992. Dez anos depois, o governo criou o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica, o Proinfa, para incentivar a utilização de outras fontes renováveis, como eólica, biomassa e Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) (CHESF-BRASCEP, 1987). Desde a criação do Proinfa, a produção de energia eólica no Brasil aumentou de 22 MW em 2003 para 602 MW em 2009, e cerca de 1000 MW em 2011 (quantidade suficiente para abastecer uma cidade de cerca de 400 mil residências). Considerando o potencial eólico instalado e os projetos em construção para entrega até 2013, o país atingirá no final de 2013 a marca dos 4400 MW. Segundo o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, publicado pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica da Eletrobras, a CEPEL, o território brasileiro tem capacidade para gerar até 140 GW. A maior parte dos parques eólicos se encontram nas regiões nordeste e sul do Brasil. No entanto, quase todo o território nacional tem potencial para geração desse tipo de energia. Segue abaixo o atlas com o potencial eólico brasileiro.

Figura 1. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro Fonte: Centro de Pesquisas de Energia Elétrica da Eletrobras, 2011 7.2.1 A ENERGIA EÓLICA EM MINAS GERAIS De acordo com a Câmara Portuguesa de Comércio no Brasil – Minas Gerais, a CEMIG, pioneira no setor, foi a primeira concessionária brasileira a instalar uma usina eólica conectada ao sistema elétrico integrado, a Usina Eólio-Elétrica Experimental Morro do Camelinho, em 1994. Conforme dados do Atlas do Potencial Eólico de Minas Gerais, o potencial do Estado chega a 40 GW (Gigawatts) a uma altura do solo, o que garante capacidade 3,5 vezes

maior que a da usina hidrelétrica de Belo Monte, que deve ser construída no Pará (11,2 GW). O potencial do Estado é 2,7 vezes superior ao da usina da Itaipu. (CEPEL, 2001) O mapeamento traz dados sobre a circulação geral de ventos no Estado e identifica os locais promissores para a implantação de empreendimentos de geração de energia eólica. Segundo dados do atlas, realizado pela consultoria Camargo Shubert, a região mineira com maior potencial eólico é o Norte de Minas Gerais, ao longo da Serra do Espinhaço, a partir de Sete Lagoas, na região Central, rumo ao Norte, onde os melhores ventos para o aproveitamento da matriz. Segue abaixo o atlas com o potencial eólico de Minas Gerias de 2011 a 100 metros de altura.

Figura 2. Atlas do Potencial Eólico de Minas Gerais Fonte: Centro de Pesquisas de Energia Elétrica da Eletrobras, 2011

8.

AEROGERADORES O aproveitamento da energia cinética do vento é efetuado através de turbinas eólicas

acopladas a geradores. A este conjunto turbina-gerador é habitualmente chamado aerogerador. Existem vários tipos de turbinas eólicas cujas diferenças incidem essencialmente na direção do eixo de rotação (vertical e horizontal), forma e número de pás que constituem o rotor. Quando exposto a vento suficiente, um aerogerador produz corrente alternada, e, depois de retificada, esta corrente é usada para carregar de baterias e posteriormente convertida em corrente alternada. Mais detalhadamente, um aerogerador é um gerador elétrico integrado ao eixo de um cata-vento e que converte energia eólica em energia elétrica. É um equipamento que tem se popularizado rapidamente por ser uma fonte de energia renovável e não poluente. Um aerogerador de grande porte é constituído basicamente por:

Figura 3. Componentes básicos de um aerogerador: 1. Conexão com a rede elétrica 2. Torre 3. Escadaria de Acesso

4. Controle de orientação do vento 5. Nacela 6. Gerador 7. Anemômetro 8. Freio 9. Caixa de Câmbio 10. Pá rotatória 11. Controle de inclinação da pá 12. Cubo rotor Fonte: Wikipédia. Disponível em:

8.1

AEROGERADORES DE EIXO VERTICAL Os aerogeradores de eixo vertical (AEV) em geral, tem a vantagem de não

necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variações da direção do vento, o que reduz a complexidade do projeto. Os principais tipos de aerogeradores de eixo vertical são o Savonius e o Darrieus. 8.1.1 TIPO SAVONIUS Os aerogeradores do tipo Savonius é um dos mais simples, e é movido principalmente pela força de arraste do ar. Sua maior eficiência se dá em ventos fracos, podendo chegar a 20% (ELDRIDGE, 1980).

Figura 4. Aerogerador de eixo vertical do tipo Savonius Fonte: Aonde Vamos - Energias renováveis Disponível: 8.1.2 TIPO DARRIEUS

Os aerogeradores do tipo Darrieus é movido por forças de sustentação e constitui-se de lâminas curvas (duas ou três) de perfil aerodinâmico, atadas pelas duas pontas ao eixo vertical, tendo assim uma eficiência melhor que a do aerogerador do tipo Savonius, podendo chegar a 40% de eficiência em ventos fortes (ELDRIDGE, 1980).

Figura 5. Aerogerador de eixo vertical do tipo Darrieus Fonte: Evolução da Tecnologia AALP Disponível em: 8.2

AEROGERADORES DE EIXO HORIZONTAL

Os aerogeradores de eixo horizontal são os mais conhecidos e os mais utilizados pela sua maior eficiência, compensando o seu custo maior. São movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação (lift) e forças de arrasto (drag). Um corpo que obstrui o movimento do vento sofre a ação de forças que atuam perpendicularmente ao escoamento (forças de sustentação) e de forças que atuam na direção do escoamento (forças de arraste). Os principais tipos de aerogeradores de eixo horizontal são o Multipás e o Tripás. 8.2.1 TIPO MULTIPÁS

Os aerogeradores do tipo Multipás são mais utilizados para bombeamento de água de poços artesianos, mas nada impede que sejam utilizados para geração de energia elétrica. Impulsionados tanto por força de arraste como por força de sustentação, esses

aerogeradores têm seu pico de eficiência em ventos fracos, com uma eficiência de 30% (ELDRIDGE, 1980).

Figura 6. Aerogerador de eixo horizontal do tipo Multipás Fonte: Cataventos Yvel 8.2.2

TIPO TRIPÁS

Os aerogeradores do tipo Tripás são os mais utilizados para geração de energia elétrica em larga escala e são impulsionados apenas pela força de sustentação. Possuem mais de 100 metros de altura e capacidade de geração de energia que pode chegar a 69 MW. Seu pico de geração de energia é atingido com ventos fortes e sua eficiência pode passar dos 45% (ELDRIDGE, 1980).

Figura 7. Aerogerador de eixo horizontal do tipo Tripás Fonte: Wikipédia. Disponível em:

8.3

AEROGERADORES DE BAIXA DE TENSÃO Os aerogeradores de baixa tensão diferenciam-se dos aerogeradores de alta tensão

principalmente por terem tamanho e peso reduzidos em relação a estes, com peso médio de 100 kg. Este tipo de equipamento é, também, definido como um aerogerador doméstico, pois a quase totalidade dos equipamentos é instalada em habitações ou pequenas indústrias, e é este tipo de aerogerador que será usado para o objetivo apresentado. 9.

A FÍSICA DOS AEROGERADORES DE BAIXA TENSÃO

Quando se movimenta um fio em um campo magnético há a produção de corrente elétrica, ou seja, de eletricidade. A tensão obtida é conhecida como tensão induzida (ou fem induzida), e o processo pelo qual ela é obtida é explicado pela Lei de Faraday. Faraday, em 1831, fez uma experiência na qual aproximava-se um imã de um solenóide ligado a um galvanômetro, e quando ele movimentava este imã de forma a afastá-lo ou aproximá-lo do solenóide, o galvanômetro acusava uma passagem de corrente elétrica induzida, resultando numa variação do campo magnético que o atravessava. Surgiu aí, a lei da indução, ou seja, a Lei de Faraday. Sabendo que a tensão induzida depende da velocidade das linhas do campo magnético que atravessam o condutor, da intensidade do campo magnético e do número de espiras, a Lei de Faraday é expressa como:

E=−N

ΔΦ Δt

[1]

e é esta relação básica usada para produção de eletricidade através do eletromagnetismo. 9.1

COMPOSIÇÃO DOS GERADORES E MOTORES ELÉTRICOS

Como já citado, diferentes formas de energia podem ser convertidas em energia elétrica, assim como a energia elétrica poder ser convertida em diferentes formas de energia. Essas conversões entre energias são possíveis graças aos geradores e motores elétricos. Um gerador elétrico é o dispositivo que converte energia mecânica em elétrica, produzindo correntes em condutores que giram ATRAVÉS de um campo magnético; já o motor elétrico faz o exatamente o contrário, transformando energia elétrica em mecânica quando condutores que conduzam corrente são obrigados a girar POR um campo magnético. As partes principais de geradores e motores de corrente contínua são basicamente as mesmas, assim como mostrado na figura a seguir:

Figura 7. Componentes principais de máquinas de corrente contínua Fonte: VILLAR, G. J. V.. Geradores e Motores de Corrente Contínua. Rio Grande do Norte: CEFETRN, 2006, p. 9

9.2

GERADOR DE CORRENTE CONTÍNUA

No gerador de corrente contínua, a bobina de campo é excitada por uma fonte de corrente contínua e no eixo da armadura impõe-se um torque mecânico. Quando o enrolamento da armadura corta as linhas do campo magnético, uma fem é induzida nele, obedecendo, então, a Lei de Faraday. A fem induzida é alternada, mas por meio de uma retificação mecânica pelo comutador, ela é transformada em corrente contínua.

9.2.1

EQUAÇÃO DA TENSÃO NO GERADOR DE CORRENTE

CONTÍNUA: RELAÇÃO ENTRE TENSÃO E VELOCIDADE ANGULAR Sabe-se que a tensão V no gerador de corrente contínua é em função da velocidade angular ω, ou seja, V = V( ω )

[2]

Experimentalmente, verifica-se que a tensão é proporcional à velocidade angular, e que, portanto: V=kω

[3]

onde k = (p.Z.ф) ÷ (60.b x 10⁸), sendo p: número de pólos; Z: número total de condutores da armadura; ф: fluxo por pólo, em Wb; b: número de caminhos paralelos através da armadura, dependendo do tipo de enrolamento da armadura. 9.3

MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA

No caso de motores, o funcionamento é inverso: energia elétrica é fornecida aos condutores do enrolamento da armadura pela aplicação de uma tensão elétrica em seus terminais pelo comutador, fazendo com que circule uma corrente elétrica nesse enrolamento, produzindo um campo magnético no enrolamento da armadura.

9.3.1

EQUAÇÃO DO TORQUE NO MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA: RELAÇÃO

ENTRE TORQUE E CORRENTE

Sabe-se que o torque T produzido por um motor de corrente contínua é em função da corrente i, ou seja: T = T( i )

[4]

Experimentalmente, verifica-se que o torque é proporcional à corrente, e que, portanto: T=ki

[5]

Embora apresentado, neste projeto não irá se trabalhar com motores, e sim, somente geradores de CC. 10.

PROBLEMATIZAÇÃO

A problematização é uma continuação aprofundada da delimitação do presente projeto de pesquisa. As questões levantadas as quais representam as dificuldades para a realização deste projeto são: • Investigação local: trata-se da referência de um estudo (SOUZA, A. S.; SOUZA, A. M.; FERREIRA, C. R.; CREMONESE, L., MARIANO, L.; MENEGAZ, M; N.; PINTO, M. S.; ROCHA, T. S.; TERRA, T. A.; COELHO, R. M.) do local escolhido com objetivo de determinar as características gerais e específicas do local e da região, identificar os dados essenciais necessários e a disponibilidade dos mesmos, além de estabelecer, com base neste outro trabalho e com a maior precisão possível, a localização mais provável para as turbinas eólicas; • Variáveis físicas: trata-se de determinar qual melhor valor de torque e velocidade angular para um melhor aproveitamento dos geradores para então determinar qual a eficiência do equipamento; • Como maximizar o desempenho do motor: estudos e análise para aumentar, e

portanto otimizar, o desempenho de um motor coleto no descarte. 11.

METODOLOGIA A pesquisa a ser realizada neste trabalho pode ser classificada como dedutiva, ou seja,

a pesquisa em mãos utilizará leis gerais da física para mostrar qual a eficiência de uma pequena turbina eólica em Poços de Caldas. Quanto à metodologia, o trabalho em mãos faz a opção pelo método experimental. Esta opção se justifica porque o método escolhido permite fornecer dados experimentais, e portanto válidos, sobre a viabilidade da construção do equipamento, bem como de sua instalação. Enquanto procedimento, a pesquisa utilizará de livros e artigos com dados meteorológicos de Poços de Caldas e também com os conceitos físicos necessários para a construção do equipamento. O material documentado, bem como, as respectivas análises serão organizadas em relatório de pesquisa componente do trabalho que se pretende construir. 12.

METODOLOGIA CIENTÍFICA O presente objetivo deste projeto de pesquisa dar-se-á em quatro etapas.

Primeiramente, através de testes experimentais com motores a serem realizados em laboratório. Nestes testes serão estabelecidos a relação entre tensão e velocidade angular. Após realizada a coleta destes dados experimentais, bem como seu tratamento estatístico de acordo com a Teoria de Erros, será possível decidir qual o melhor motor para a construção do mini aerogerador. Na segunda etapa, já decidido qual o tipo de aerogerador vem a ser mais viável, será discutido o desenho do mesmo, tendo em vista que a literatura necessária acerca do trabalho estará bem sólida, e portanto, será analisado o melhor design de acordo com o embasamento teórico.

A

representação

do

desenho

será

feita

tanto

manualmente

quanto

computacionalmente, e apresentada ao Orientador. Na terceira etapa, terá início a construção do mini aerogerador, e o próximo passo será

os testes e manutenção do mesmo, efetuando melhorias e simultaneamente desenvolvendo seu relatório científico. Na quarta e última etapa, o mini aerogerador será apresentado tanto à banca avaliadora quanto à comunidade acadêmica, bem como ser instalado no campus, se possível. 13.

RESULTADOS PARCIAIS Foram realizados em laboratório testes experimentais acerca da relação entre tensão e

velocidade angular com dois motores: um pequeno e um médio. Os dados coletados foram tratados estatisticamente de acordo com a Teoria de Erros, e em seguida ajustados à uma curva de forma y = ax +b, para assim determinar o valor do coeficiente angular “a”, e a partir dele, analisar a equação [3] que encontra-se na seção 9.2. O ajuste para o motor pequeno, referenciado como MMKX, encontra-se na Figura 8 a seguir.

Figura 8. Gráfico da tensão por velocidade angular e curva-ajuste dos dados coletados Motor Pequeno MMKX

Embora de acordo com a equação [3], o coeficiente linear “b” seja zero, neste ajuste vemos que seu valor, (0,96 ± 0,2), quando comparado à ordem de grandeza dos dados, 10³, possui efeito praticamente nulo. Além disso, percebe-se que numa tensão de (1,001 ± 0,010) V – no caso, o primeiro ponto do gráfico -, o MMKX estava a uma velocidade angular de (0 ± 1) rpm. Isso, acreditase, deve-se ao fator de escorregamento, que é basicamente a resistência do rotor em entrar em movimento, ou ainda, que a correia que interligava os motores estava folgada, possibilitando erros como este. O ajuste para o motor médio encontra-se na Figura 9 a seguir.

Figura 9. Gráfico da tensão por velocidade angular e curva-ajuste dos dados coletados Motor Médio A mesma análise, baseada na equação [3], foi realizada para estes dados, ou seja, embora o coeficiente linear “b” seja zero, neste ajuste vemos que seu valor, (1,6 ± 0,2), quando comparado à ordem de grandeza dos dados, 10³, possuindo efeito praticamente nulo. Além disso, percebe-se também que numa tensão de (1,001 ± 0,010) V e (2,000 ± 0,015) V – no caso, os primeiros dois pontos do gráfico -, o motor médio estava a uma

velocidade angular de (0 ± 1) rpm. Isso, acredita-se, deve-se também à condição de escorregamento, ou que ainda, a correia que interligava os motores estava folgada, possibilitando erros como este. Comparando os coeficientes angulares do motor pequeno com o do médio, que são (0,001164 ± 0,000009) e (0,0280 ± 0,0001) respectivamente, vemos que este segundo possui maior valor. Isso pode significar, meio que obviamente, que o número total de condutores da armadura é maior que o do pequeno, ou que ainda, o número de caminhos paralelos através da armadura é menor em relação ao motor pequeno. Estas “pré-análises” podem representar que o melhor motor (gerador) é o médio, pois também de acordo com os dados coletados, este chegou a uma tensão de (26,0 ± 0,2) V, enquanto que o pequeno chegou a (17,0 ± 0,1) V. Assim, tendo em vista os resultados parciais obtidos, planeja-se realizar novos testes com esses motores a fim de minimizar os erros, ajustando a correia, por exemplo. Depois disso, irá se decidir qual motor (gerador) utilizar para a construção do mini aerogerador a partir dos dados quando analisados juntamente à equação [3]. 14.

CRONOGRAMA GERAL PM

METAS

PM III

[A]

PM IV

[B]

PM V

[C]

[A]: Coleta e análise de dados experimentais com os geradores e início da construção do equipamento [B]: Construção do Equipamento, testes, aprimoramentos e finalizações [C]: Entrega do Equipamento e possível instalação no campus.

15.

CRONOGRAMA DO PM III A seguir, segue o cronograma do PM III para os meses de Maio e Junho de 2015.

19 DE MAIO: •

Discussão de qual o tipo de aerogerador é viável: de eixo horizontal ou vertical;

•

Discussão acerca do planejamento dos testes experimentais com os motores a serem realizados em laboratório;

•

Pequena revisão de Eletromagnetismo: relação entre tensão e velocidade angular.

26 DE MAIO: •

1º dia de testes experimentais com os motores em laboratório: relação entre tensão e velocidade angular. Levantamento de dados.

2 DE JUNHO: •

2º dia de testes experimentais com os motores em laboratório: relação entre tensão e velocidade angular. Levantamento de dados e tratamento dos mesmos.

9 DE JUNHO: •

Apresentação dos dados obtidos em laboratório e discussão dos mesmos com o Orientador;

16 DE JUNHO: •

Apresentação dos dados obtidos em laboratório e discussão dos mesmos com o Orientador.

•

Análise de todos os dados coletados experimentalmente.

23 DE JUNHO: • 16.

Desenvolvimento do planejamento do primeiro mês do PM IV. CRONOGRAMA PARA O PRIMEIRO MÊS DO PM IV A seguir, segue o cronograma do PM IV para o mês de Agosto de 2015.

11 DE AGOSTO: •

Nova realização de experimentos com o motores: relação entre tensão e velocidade angular

18 DE AGOSTO: •

Apresentação dos dados já analisados ao Orientador

•

Decisão de qual motor mais viável para a construção do mini aerogerador

25 DE AGOSTO:

17.

•

Projeção do design do mini aerogerador

•

Elaboração do planejamento do mês de Setembro de 2015. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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