Energia
Engenharia de Produção Industrial
Projecto de peças
22-04-2012
Alexandre Miguel Ramos Pereira Nº 20086381
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Energia Eólica, Notas de estudo de Engenharia de Produção
Energia renovável
Tipologia: Notas de estudo
2012
Compartilhado em 14/07/2012
usuário desconhecido 🇧🇷
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Energia
Engenharia de Produção Industrial
Projecto de peças
Disciplina: Projecto de Peças
- INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................... ÍNDICE
- A Energia Eólica........................................................................................................................................
- Energia Eólica em Portugal .......................................................................................................................
- Aerogeradores .........................................................................................................................................
- RENDIMENTO DE UM SISTEMA EÓLICO ....................................................................................................
- Limite de Betz ..........................................................................................................................................
- O Vento ...................................................................................................................................................
- Projecto experimental ..............................................................................................................................
- Conclusão
- Bibliografia.............................................................................................................................................
Disciplina: Projecto de Peças
à Energia Eólica
A energia eólica é a energia dos ventos. É uma fonte de energia abundante e renovável. Possui um enorme potencial para produzir, sem emissões e com pouco impacto ambiental directo, quantidades substanciais de electricidade. Existem dois tipos de aproveitamentos de energia eólica como podemos ver: Tipo de conversão energética Utilização final Moinhos de vento Conversão de energia cinéticaem energia mecânica^ Uso de energia mecânica paraprocesso Aerogeradores (^) potencial em electricidadeConversão de energia^ Uso de electricidade para finsdiversos
O aproveitamento da energia do vento data de há alguns milénios, situando-se nos séculos XVII ou XVIII A.C.. O primeiro rotor de eixo horizontal cujo conhecimento chegou até aos nossos dias, é atribuído aos egípcios em meados do século III A.C.. Na Europa apareceu mais tarde nos países mediterrânicos e posteriormente nos países do Norte. Durante alguns séculos os dispositivos eólicos eram principalmente para a moagem de cereais, extracção e elevação de água. A grande "explosão" na utilização de rotores para a captação e transformação da energia do vento deu-se no século XIX, nos EUA. Destinados à bombagem de água, os rotores multipás, lentos mas de grande coeficiente de solidez, tornaram- se rapidamente muito populares, não só nos EUA como também na Europa, sendo conhecidos como moinho americano".
A primeira aplicação na produção de electricidade data do início século XX, mais precisamente em 1927 e é devida ao engenheiro aeronáutico francês Jean Darrieus, utilizando um rotor de eixo vertical ligados a um gerador eléctrico em que este pode ser colocado próximo ao chão. Porém a crescente utilização dos motores de combustão interna, o baixo preço dos combustíveis utilizados na época, ditaram o abandono dos geradores eólicos.
Moinho americano
Turbina de eixo vertical
Disciplina: Projecto de Peças Todavia, o decréscimo efectivo das reservas de hidrocarbonetos, o consumo de energia em quantidades imensas e a conjugação de vários factores político-económicos deram recentemente uma nova oportunidade a fontes de energia alternativa, como a energia eólica. A energia eólica além de ser uma fonte de energia renovável, possui uma certa diferença em relação às demais, pode ser utilizada para o fornecimento de energia para pequenas populações onde não há um acesso de energia directo e também não necessita de grandes investimentos. Pode-se tirar proveito desta última vantagem por pessoas que queiram montar um módulo de energia próprio ao redor das suas casas não precisarem de se filiar a empresas, como no caso de fontes de energia onde há um enorme e dispendioso volume de energia. Mas claro também há desvantagens, o uso de aerogeradores acarreta alguns problemas: ✵ Nas proximidades dos parques eólicos é detectada poluição sonora, pelo ruído produzido. Há quem considere que afecta a paisagem. Tem sido estudada a hipótese da construção de parques eólicos sobre plataformas ancoradas no mar, situadas perto da costa, de modo a não prejudicar excessivamente paisagem. ✵ Os lugares mais apropriados para a sua instalação coincidem com as rotas das aves migratórias, fazendo com que centenas de pássaros possam morrer ao chocar contra as suas hélices. ✵ Os aerogeradores não podem ser instalados de forma rentável em qualquer área, já que requerem um tipo de vento constante mas não excessivamente forte. A energia eólica é uma atraente fonte de energia primária que se apresenta muito competitiva em relação à energia produzida a partir dos combustíveis fósseis, na medida em que tem grande disponibilidade global e o baixo impacto ambiental genérico, para além de custos externos e sociais muito baixos. Um aerogerador produz em menos de um ano de funcionamento mais energia do que a necessária à sua fabricação, e por cada kW de electricidade produzida por via eólica é menos cerca de um quilograma de CO2 que é emitido para a atmosfera. A investigação no domínio do aproveitamento da energia eólica nos últimos anos tem incidido no estudo dos problemas relacionados com máquinas de maiores dimensões e potências, desde o ponto de vista da aerodinâmica, do seu funcionamento, ao da ligação às redes eléctricas de distribuição. Estes grandes avanços tecnológicos fizeram da energia eólica uma aplicação corrente e segura. De poucas centenas de kW que caracterizavam as máquinas de há três ou quatro anos, passou-se num curto intervalo de tempo para a escala do MW, havendo já mais do que um fabricante que tem disponíveis no mercado comercial imediato, máquinas de 1,5 MW.
Disciplina: Projecto de Peças
Ãerógeradóres
Existem dois tipos básicos de geradores eólicos: os de eixo vertical e os de eixo horizontal. Os rotores diferem em seu custo relativo de produção, eficiência, e na velocidade do vento em que têm sua maior eficiência. Aerogeradores de eixo vertical: não são tão eficientes como aerogeradores de eixo horizontal, mas têm uma velocidade de arranque baixa o que lhes dá vantagem em condições de vento reduzido. Tendem a ser mais seguros, fáceis de construir e de serem montados mais perto do solo e trabalham muito melhor com condições de turbulência. São difíceis de encontrar à venda, porque apesar das vantagens enunciadas têm pouca rentabilidade com condições de vento favoráveis. Por isso nunca veremos um parque eólico com este tipo de aerogeradores, somente em pequenos projectos e a algumas instalações em ambiente urbano. Aerogeradores do tipo Savonius: Apresentam um rendimento próximo dos de aerogeradores de eixo horizontal multipás;
Aerogeradores do tipo Darrieus: Movidas por forças de sustentação e constituídas por lâminas curvas de perfil aerodinâmico, ligadas pelas extremidades ao eixo vertical.
Aerogeradores de eixo horizontal: têm uma maior eficiência no entanto a direcção do vento é relevante. Em condições de turbulência com mudanças rápidas de direcção mais electricidade é gerada pelos aerogeradores de eixo horizontal apesar da sua menor eficiência. Estes aerogeradores podem ser multipás, mais lentos, ou só terem duas a três pás. Apesar dos aerogeradores de duas pás serem mais eficientes, são mais instáveis e propensos a turbulências, o que não acontece nos de três pás.
Aerogerador multipás Aerogerador de 3 pás
Disciplina: Projecto de Peças
Rendimentó de um Sistema Eólicó
A energia cinética, resultante das deslocações de massas de ar é ser transformada em energia mecânica através as turbinas ou pás que por sua vez é transformada energia eléctrica através dos geradores. A quantidade de energia transferida pelo vento ao aerogerador depende da densidade do ar, da área de varrimento da turbina, ou seja caudal de ar que passa através dela, e como é lógico da velocidade do vento. O que faz com que o aproveitamento deste recurso varie muito com a intensidade e a direcção do vento. Logo temos que:
Onde: = potência média do vento em Watts = densidade do ar seco = 1,225 kg/m = velocidade média do vento [m/s] = 3.1415926535... = raio do rotor em metros Contudo, esta energia não pode ser inteiramente recuperada pelo aerogerador, pois há que evacuar o ar turbinado, para a tornar o cálculo mais preciso, temos de inserir o coeficiente de potência na fórmula:
O coeficiente de potência foi introduzido pela teoria de Betz. O coeficiente CP caracteriza o nível de rendimento de uma turbina eólica; pode ser definido pela razão:
Este limite nada tem a ver com ineficiências no gerador mas sim na própria natureza das turbinas eólicas, porque os aerogeradores extraem energia ao travar o vento.
Disciplina: Projecto de Peças
Prójectó experimental
A ideia principal é alimentar uma divisão em casa que serve de escritório recorrendo aos conhecimentos adquiridos na pesquisa deste trabalho. Antes de mais para saber a dimensão do sistema gerador de energia que vou precisar, somei a potência em watts de consumo dos aparelhos que pretendo alimentar considerando também o tempo de uso diário de cada um. Para as perdas de transformação e ter margem de autonomia, acrescentei cerca de 50% a mais obtendo assim um valor mais próximo do necessário. Notebook --------> 90w x 6h = 540 w/dia; TV 14"------------> 50w x 5h = 250 w/dia; Iluminação ------> 25w x 4h = 100 w/dia; Diversos ---------> 15w x 4h = 60 w/dia; Total --------------> 950w/dia ----> + 50% = 1425w
Em seguida dividi a potência total em watts por 12, já que vou usar o sistema gerador em 12 volts, obtendo a corrente, em amperes, necessária a ser gerada diariamente. Será necessário gerar aproximadamente 120 amperes (1425/12=118.75) por dia para alimentar o escritório. Considerando que o gerador irá trabalhar com boa potência pelo menos 3 horas por dia e distribuindo a corrente necessária (120A) pelo número de horas, o que faz que qualquer alternador e uma bateria com capacidade acima 40 amperes por hora solucionará a questão. Escolhi como directriz para o meu aerogerador o sistema de eixo vertical do tipo Savonius , porque apesar de ser menos eficiente e atingir menos velocidade que os restantes, é o que tem mais binário e menor velocidade de arranque e pode ser colocado junto ao chão. Para além do mais é o que é mais atingível para construir. Para a sua realização elegi um bidão de 200 litros, duas rodas de bicicleta de 26”, um rolete de Ø60, um alternador de automóvel a gasóleo (por têm mais capacidade de carga cerca de 100A), um inversor, uma bateria de 70Ah, duas chumaceiras, um varão de aço de Ø30mm com ±1 metro, um varão de aço de Ø30mm com ±300mm, duas correias e uma estrutura de suporte.
Disciplina: Projecto de Peças
Gráfico da capacidade de carga de um alternador de 100A
Fórmula de uma relação composta do livro “Casillas”
Considerando que o bidão tem um diâmetro de 570mm e uma altura de 900mm e que os quadrantes ficam sobrepostos 140mm faz com que a nossa turbina tenha um diâmetro de 1 metro, resultando uma boa área de varrimento. Contudo mais importante que a área de varrimento é a relação de transmissão da turbina para o alternador, porque o alternador para carregar bem uma bateria tem de ter pelo menos 1250 rpm, mas para atingir os 40A necessita de ter mais de 1500rpm. Admitindo que a velocidade do vento é de 3m/s, que é dos valores mais baixos do Altas do Vento, e assumindo um coeficiente de potência de 0.2 (Limite de Betz), dá uma velocidade de 0.6m/s (3 x 0.2). Como a velocidade é o resultado da multiplicação da velocidade angular pelo raio (v = 𝜔. r), ou seja (𝜔 = v / r) → 0.6 / 0.33 = 1.8, obtemos o número de radianos por segundo. Convertendo o valor dos radianos por segundo para rotações por minuto, rpm= (30. 𝜔) / 𝜋 → (30 x 1.8) / 𝜋 = 17.3rpm. Como se trata de uma relação composta temos que dividir o produto dos diâmetros mandantes pelo produto dos diâmetros mandados, o resultado final será multiplicado pelas rpm obtidas através do cálculo da velocidade do vento actuante na turbina. Neste caso os diâmetros mandantes são os das rodas da bicicleta, que têm diâmetro de 660mm, e os diâmetros mandados, são do rolete de Ø60 e da polia do alternador que tem diâmetro de ±68.5mm.
Disciplina: Projecto de Peças
Cónclusaó
A energia eólica constitui uma forma de produção de energia eléctrica que se encontra em forte ascensão mundial devido à necessidade de aumentar a produção de energia eléctrica a partir de fontes alternativas (cumprimento do Protocolo de Quioto) para além do aumento do preço dos combustíveis fosseis e a escassez destes recursos. Com este trabalho obtemos um recurso de transformação de energia alternativa, o modelo e o mecanismo fica ao critério de cada um, eu escolhi este, por ser de fácil construção e ter garantias de funcionamento. Fico com a certeza de ter contribuído de certa forma, com uma ideia para o aproveitamento de energias renováveis.
Disciplina: Projecto de Peças
Bibliógrafia
http://pt.wikipedia.org/wiki/Aerogerador (21/04/2012)
http://pt.wikipedia.org/wiki/Alternador (21/04/2012)
http://www.electriauto.com/electricidad/el-alternador/caracteristicas-del-alternador/
(22/04/2012)
http://www.electriauto.com/electricidad/el-alternador/reguladores-de-tension/ (22/04/2012)
http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/17/29/ (21/04/2012)
http://www.aerogeradores.org/limitedebetz.php (22/04/2012)
http://sites.google.com/site/electrorenovavel/savonius (22/04/2012)
http://www.esec-l-freitas-branco.rcts.pt/ProjectoInterdisciplinar/Introducao.htm (17/04/2012)
http://www.balmar.net/alternators.html (23/04/2012)