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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
CAMPUS – ANGICOS
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS, TECNOLÓGICAS E HUMANAS
BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA
TAYLANE CALDAS LIMA
ANÁLISE DE VIABILIDADE TECNOLÓGICA DE FABRICAÇÃO DE
PÁS DE AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE NO RIO GRANDE
DO NORTE
ANGICOS – RN
2013
TAYLANE CALDAS LIMA
ANÁLISE DE VIABILIDADE TECNOLÓGICA DE FABRICAÇÃO DE
PÁS DE AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE NO RIO GRANDE
DO NORTE
Monografia apresentada para obtenção do grau
de bacharel no Curso de Ciência e Tecnologia
da Universidade Federal Rural do Semi-Árido
– UFERSA, Campus Angicos.
Orientador (a): Prof. Dr. Alex Sandro de
Araujo Silva – UFERSA
ANGICOS
2013
TAYLANE CALDAS LIMA
ANÁLISE DE VIABILIDADE TECNOLÓGICA DE FABRICAÇÃO DE
PÁS DE AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE NO RIO GRANDE
DO NORTE
Monografia apresentada a Universidade
Federal Rural do Semi-Árido – UFERSA,
Campus Angicos para obtenção do grau de
bacharel em Ciência e Tecnologia.
APROVADA EM: ______/______/______
BANCA EXAMINADORA
_________________________________________________
Profº. Dr. Alex Sandro de Araújo Silva – UFERSA
Presidente
_________________________________________________
Profº. Me. Marcio Furukava – UFERSA
Primeiro Membro
_________________________________________________
Profº. Me. Marcus Vinicius Sousa Rodrigues – UFERSA
Segundo Membro
Dedico esta monografia às pessoas mais
importantes da minha vida: Meus pais, Maria
Leide e Geraldo Lima, os meus irmãos
Geraldo Júnior e Társila Tawnee, que me
deram muito apoio nos momentos mais
difíceis da minha vida e confiaram no meu
potencial para esta conquista. Não conquistaria
nada se não estivessem ao meu lado. Obrigada,
por estarem sempre presentes a todos os
momentos, me dando carinho, apoio,
incentivo, determinação, fé e principalmente
pelo Amor de Vocês.
AGRADECIMENTO
Primeiramente agradeço a Deus, o centro e o fundamento de tudo em minha vida, por renovar
a cada momento a minha força e disposição e pelo discernimento concedido ao longo dessa
jornada.
Aos meus pais, Maria Leide e Geraldo Lima, por terem me criado, sustentado e educado por
toda essa vida, além de terem apoiado a minha escolha profissional e auxiliado em muito na
obtenção de contatos e dados para o desenvolvimento da minha monografia.
Aos meus irmãos, Geraldo Júnior e Társila Tawnee, que me apoiaram em todos os momentos
difíceis e também se sentem realizados com a minha vitória.
Ao meu afilhado/sobrinho Eduardo Caldas e minha sobrinha Pietra Louise. São seus sorrisos,
incautos e pequenos, que me encorajam. Meus melhores e maiores presentes.
Aos meus Avós, Tios e Primos pelo imenso amor e exemplo de dedicação e esperança. Pelos
fortes laços e torcida por esta importante vitória.
Expresso minha gratidão ao Prof. Alex Sandro De Araujo Silva, pela grande sabedoria,
paciência, e principalmente por acreditar em mim, possibilitando concluir mais esta etapa da
minha vida.
Aos professores Núbia Alves, que sempre foi muito atenciosa, e Marcio Furukava que
gentilmente me cedeu informações pessoais sobre o estado ou tecnologia usadas nas turbinas
estudadas, quando não era possível me deslocar até a fonte de informação, ou quando essa não
estava publicada em lugar algum.
Aos demais professores do curso, que foram tão importantes na minha vida acadêmica.
As minhas melhores amigas, Gessyca Bezerra, Gislayne Viera, Ataline Mayara, Karol
Queiroz e Kelren Christine que sempre se fez presente em minha vida com palavras de
carinho, incentivo, compartilhando angústias, alegrias, felicidades e tantas outras coisas que
uma amizade faz. Só vocês entendem o meu objetivo, o sumiço, a falta de tempo, o cansaço, a
necessidade de isolamento que a escrita exige.
Aos meus amigos de curso, Ana Laura, Rodolpho Rodrigues, Izaac Braga, Arthur de Souza,
Debora Medeiros, Tayrone Carlos, Kelson Felipe, Talita Cabral, Mardja Luma, Marília de Sá
Leitão, Tatianny Bezerra, Ruan Landolfo e ao demais, que de alguma maneira tornam minha
vida acadêmica cada dia mais desafiante e pelos momentos de lazer que foram essências neste
percurso onde rimos, choramos e nos ajudamos mutuamente. Peço a Deus que os abençoe
grandemente, preenchendo seus caminhos com muita paz, amor, sucesso, saúde e
prosperidade.
A todos os professores, funcionários e alunos da UFERSA, que de uma maneira ou de outra
contribuíram na mudança da nossa Universidade, momento este que me estimulou e fez-me
acreditar mais ainda.
Aos consultores da banca, fundamentais na correção e aprimoramento do texto.
A todas as outras pessoas não mencionadas, mais que de alguma forma estiveram e estão
próximos de mim, fazendo esta vida valer cada vez mais a pena. E por uma simples palavra de
admiração pelo assunto tratado por minha pesquisa, me ajudaram a não desistir frente às
dificuldades.
Enfim, agradeço profundamente a cada uma dessas pessoas por terem tornado possível à
produção e finalização desse meu tão sonhado Trabalho de Conclusão de Curso, que me torna
apta a ser uma profissional.
Taylane Caldas Lima
“Quando os ventos de mudança sopram, umas
pessoas levantam barreiras, outras constroem
moinhos de vento.”
Érico Veríssimo.
“Nenhum vento sopra a favor de quem não
sabe pra onde ir.”
Sêneca
RESUMO
Essa pesquisa tem como meta analisar de forma preliminar a viabilidade tecnológica
de produção local de pás para aerogeradores de pequeno porte (até 50kW) no estado do Rio
Grande do Norte. A primeira etapa do trabalho foi realizada por meio da identificação das
principais etapas e tecnologias aplicadas nesse tipo de manufatura. O passo seguinte foi
analisar de forma qualitativa os diversos processos identificados anteriormente comparando-
os em relação a características pertinentes a viabilidade de instalação de indústria no estado
do RN. Em seguida, são fornecidas sugestões de quais processos melhor aderem à vocação
histórica do estado para extrativismo mineral e agricultura. Dessa forma, investiga-se a
viabilidade técnica em confeccionar as pás com os recursos presentes no estado e promover o
desenvolvimento de tecnologia eólica regionalmente. Contribuindo para o desenvolvimento
de um novo modelo de desenvolvimento pautado em desenvolvimento de novas tecnologias
de alto valor agregado em detrimento as características estaduais já mencionadas vocação
histórica de extrativismo mineral e agricultura.
Palavras-Chave: Pás, Rio Grande do Norte, aerogeradores, pequeno porte, compósitos,
viabilidade.
ABSTRACT
His research aims to analyze the preliminary technical feasibility of local production
of blades for small wind turbines (up to 50kW) in the State of Rio Grande do Norte. The first
stage of the work was accomplished through the identification of key steps and technologies
applied in this type of manufacture. The next step was to analyze qualitatively the various
previously identified processes by comparing them against relevant features the viability of
industry facility in the State of Rio Grande do Norte. They are then provided suggestions for
which processes better adhere to state historical vocation for mineral extraction and
agriculture. In this way, investigates the technical feasibility in making the blades with the
features present in the State and promote the development of wind technology regionally.
Contributing to the development of a new model of development based on the development of
new technologies with high added value over the State characteristics already mentioned
historical vocation of agriculture and mineral extraction.
Keywords: Blades, Rio Grande do Norte, wind turbines, small business, composites,
viability.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Velocidade média anual do vento a 50m de altura. ............................................. 24
Figura 2.2 – Velocidade média anual do vento Potiguar a 50 metros de altura. ...................... 26
Figura 2.3 – Desenho esquemático de uma turbina eólica moderna. ....................................... 28
Figura 2.4 – Turbinas eólicas de eixo vertical (1) e horizontal (2). ......................................... 29
Figura 2.5 – Exemplos de turbinas eólicas (da esquerda para a direita: pequena, média e
grande). ..................................................................................................................................... 29
Figura 2.6 – Detalhe das partes do Aerogerador de pequeno porte. ......................................... 33
Figura 3.1 – Cronologia da utilização de materiais para fabricação de pás de aerogeradores..36
Figura 3.2 – Modelo atual de aerogerador de eixo horizontal com pás em resina epóxi
reforçadas com fibra de vidro. .................................................................................................. 37
Figura 3.3 – Análise CAE em pá de aerogerador. .................................................................... 39
Figura 3.4 – Secções transversais e estruturas internas de diversos rotores. ............................ 41
Figura 3.5 – Rigidez x massa específica para vários materiais. ............................................... 42
Figura 4.1 – A formação de um material compósito com fibras e resina.................................44
Figura 4.2 – Pá de rotor eólico de pequeno porte. .................................................................... 47
Figura 4.3 – Tecido de fibra de vidro. ...................................................................................... 50
Figura 4.4 – Tecido de fibra de carbono. .................................................................................. 52
Figura 4.5 – Fibra de Aramida. ................................................................................................ 53
Figura 4.6 – Fibra metálica. ...................................................................................................... 54
Figura 5.1 – Lâminas de Madeira Longas.................................................................................55
Figura 5.2 – Superfície da pá medido em r/R = 0.995 de uma pá da Figura 6.1. As cruzes
mostram a superfície medida. Desenho de aerofólio de perfil (SD7062) é a linha sólida. ...... 56
Figura 5.3 – Fabricação por usinagem (fresamento) da pá de 2,5 m de comprimento............. 57
Figura 5.4 – Infusão de vácuo da metade de uma pá de 2,5 m de comprimento. (a) Vista a
partir do cubo e (b) Vista da ponta. .......................................................................................... 58
Figura 5.5 – Medida da seção da pá de Aerogenesis 2,5 m longa. Gráfico inferior mostra
seção inteira. O gráfico superior destaca o bordo de. A diferença nos dados de superfície
inferior é devido à montagem de lâmina de corte para a medida. ............................................ 59
Figura 5.6 – A pá Aerogenesis de 2,5 m de comprimento, em comparação com a pá LM
Glassfiber de 61,5 m de comprimento. ..................................................................................... 61
Figura 5.7 – Laminação à pistola.............................................................................................. 63
Figura 5.8 – Laminação manual. .............................................................................................. 65
Figura 5.9 – Máquina SMC. ..................................................................................................... 67
Figura 5.10 – Moldagem à vácuo. ............................................................................................ 69
Figura 5.11 – Moldagem por pressão. ...................................................................................... 69
Figura 5.12 – Moldagem em autoclave. ................................................................................... 70
Figura 5.13 – Processo de prensagem a quente e/ou a frio. ..................................................... 71
Figura 5.14 – Processo de BMC. .............................................................................................. 73
Figura 5.15 – Processo de laminação contínua. ....................................................................... 74
Figura 5.16 – Processo RTM. ................................................................................................... 75
Figura 5.17 – Processo de enrolamento filamentar. ................................................................. 76
Figura 5.18 – Processo de pultrusão. ........................................................................................ 77
Figura 5.19 – Processo de centrifugação. ................................................................................. 78
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Aerogeradores de pequeno porte. ........................................................................ 32
Tabela 4.1 – Quadro comparativo de resinas estruturais típicas...............................................48
Tabela 4.2 – Composição dos vidros. ....................................................................................... 51
Tabela 6.1 – Análise comparativas dos processos de fabricação.............................................81
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
ABMACO Associação Brasileira de Materiais Compósitos
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
BMC Bulk Molding Compound
CAE Computer Aided Engineering
CBEE Centro Brasileiro de Energia Eólica
CHESF Companhia Hidroelétrica do São Francisco
CNC Computer Numerical Control
DEA Dietilanilina
DFVLR-IBK Órgão de pesquisa aeroespacial da Alemanha
DMA Dimetilanilina
DMTP Dimetilparatoluidina
E Módulo de elasticidade
EUA Estados Unidos da Ámerica
FEA Finite element analysis
IEC International Electrotechnical Commission
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
KE Energia Cinética
ρ Densidade
Mb Índice de mérito
MCT Ministério de Ciência e Tecnologia
NASA National Aeronautics and Space Administration
PAC Programa de Aceleração do Crescimento
PRFV Polímeros Reforçados com Fibras de Vidro
PVA Álcool Polivinílico
RTM Resin Transfer Moulding
SMC Sheet Molding Compound
TEEH Turbinas eólicas de eixo horizontal
TEEV Turbinas eólicas de eixo vertical
TWh/ano Terawatts-hora (unidade de medida de potência elétrica) 1012
U Velocidade do vento m/s
UFPE Universidade Federal de Pernambuco
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 17
1.1 ABORDAGEM UTILIZADA PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO ...... 19
1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 20
1.3 METODOLOGIA ............................................................................................................... 20
2 REVISÃO DA LITERATURA .......................................................................................... 22
2.1 ENERGIA EÓLICA ........................................................................................................... 22
2.1.1 Potencial eólico brasileiro ............................................................................................. 23
2.1.2 Potencial eólico potiguar ............................................................................................... 25
2.2 AEROGERADORES ......................................................................................................... 27
2.3 AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE .................................................................. 31
3 PÁS DE AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE ................................................. 35
3.1 HISTÓRICO DOS MATERIAIS USADOS NA FABRICAÇÃO .................................... 35
3.2 MATERIAIS DE PÁS ........................................................................................................ 38
3.3 CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DOS MATERIAIS DE PÁS DE
AEROGERADORES ............................................................................................................... 41
4 MATERIAIS COMPÓSITOS POLIMÉRICO ................................................................ 44
4.1 MATRIZ DE COMPÓSITOS ............................................................................................ 45
4.1.1 Resina Éster Vinílica ..................................................................................................... 46
4.1.2 Resina Epóxi ................................................................................................................... 46
4.1.3 Resina de Poliéster ......................................................................................................... 47
4.1.4 Agentes de Cura da Resina de Poliéster ...................................................................... 48
4.2 REFORÇO DE COMPÓSITOS ......................................................................................... 49
4.2.1 Fibra De Vidro ............................................................................................................... 49
4.2.2 Fibras De Carbono ........................................................................................................ 51
4.2.3 Fibra De Aramida .......................................................................................................... 52
4.2.4 Fibras De Metal ............................................................................................................. 53
5 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ..................................................................................... 55
5.1 DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO .......................................................................... 55
5.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ..................................................................................... 61
5.2.1 Laminação à Pistola (Spray–Up) ................................................................................. 62
5.2.2 Laminação Manual (Hand Lay Up) ............................................................................. 64
5.2.3 Sheet Molding Compound (SMC) ................................................................................ 66
5.2.4 Processo de Moldagem por Membrana (VACUUM BAG) ......................................... 67
5.2.5 Processo de Prensagem a Quente ou Frio ................................................................... 70
5.2.6 Bulk Molding Compound (BMC) ................................................................................ 71
5.2.7 Laminação Contínua ..................................................................................................... 73
5.2.8 Resin Transfer Moulding (RTM) ................................................................................. 74
5.2.9 Enrolamento Filamentar (Filament Winding) ............................................................ 75
5.2.10 Pultrusão ...................................................................................................................... 76
5.2.11 Centrifugação ............................................................................................................... 77
6 ANÁLISE E APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS .................................................. 79
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 85
17
1 INTRODUÇÃO
A busca por formas de extração de energia do vento, especialmente na transformação
desta em eletricidade, vem sendo, cada vez mais, discutida no que se refere ao futuro e tem
despertado cada vez mais o interesse de empresas e governos em diversas esferas municipais,
estaduais e nacionais. O interesse maior no assunto vem acompanhado de pesquisas que
preveem o esgotamento das fontes energéticas não renováveis, como o petróleo, carvão
mineral e gás natural. O Brasil possui um dos maiores programas de energia renovável do
mundo, incentivando o crescimento e estruturação deste mercado no país. (HINDRICH e
KLEINBACH, 2004).
A energia eólica é a forma de energia que atualmente mais cresce. Nos dias de hoje,
existem aproximadamente 30.000 turbinas eólicas em todo o mundo, com uma potência de
13.000 MW. Os curtos períodos de construção, a capacidade de serem adaptadas sob medida a
usos e localizações específicas e o tamanho reduzido de suas unidades em relação às de outros
tipos de geração de eletricidade, são características positivas dos parque eólicos. Outro
benefício da energia eólica é a utilização residencial. (HINDRICH e KLEINBACH, 2004).
A utilização do vento como fonte de energia é uma prática utilizada há milênios, sendo
uma das primeiras fontes naturais de energia a serem utilizadas. À medida que a agricultura
foi sendo desenvolvida, a humanidade sentiu necessidade de encontrar métodos de reduzir o
seu esforço, bem como o desgaste dos animais. Com estas motivações surgiram os moinhos
de vento. Estes, em sua maioria, tinham como objetivo a moagem de grãos e o bombeamento
de água. (CARVALHO, 2003).
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. Os moinhos de vento foram
introduzidos na Europa por volta do século XII e, em 1750, a Holanda tinha 8.000 deles, e a
Inglaterra, 10.000 nessa época. (HINDRICH e KLEINBACH, 2004).
Em torno do ano 1850, Daniel Halliday começou a desenvolver o que se tornou o
famoso moinho de vento americano de fazenda do tipo multi-pás, ainda visto hoje em muitas
áreas rurais. (CAMARGO, 2005).
A primeira notícia que se tem registrado sobre o aproveitamento de energia eólica para
a produção de energia elétrica data de 1887 nos Estados Unidos, quando Charles F. Brush
construiu o que se acreditava ser a primeira turbina de operação automática. (WINDPOWER,
2003).
18
As primeiras tentativas de tal feito surgiram no final do século XIX, mas somente um
século depois, com a crise internacional do petróleo (década de 1970), é que houve interesse e
investimentos suficientes para viabilizar o desenvolvimento e aplicação de equipamentos em
escala comercial. (RIOS, 2012).
A turbina eólica de 100 kW da NASA – localizada próximo a Sandusky, Ohio – foi
umas das primeiras máquinas de demonstração em larga escala. Esta turbina de eixo
horizontal possuía duas pás e o diâmetro do rotor de pás 125 pés e foi planejada para obter
uma velocidade do vento de 18 mph. Em seguida, máquinas de demonstração de 200 kW e
projeto semelhante foi montado em Porto Rico, no Novo México e em Rhode Island. Diversas
turbinas calculadas para operar na ordem de megawatts, foram construídas em Boone,
Carolina do Norte (pás de 200 pés de diâmetro) e no Estado de Washington (2,5 MW e 300
pés de diâmetro de pás). Porem, essas maquinas mostraram-se pouco econômicas e
apresentaram falhas devido à fadiga dos metais. (HINDRICH e KLEINBACH, 2004).
Na década de 1990, tamanho das turbinas de vento aumentou, passando de 100 KW
para de 1.000 KW. Tal aumento no tamanho das turbinas provocou uma diminuição dramática
dos custos. Atualmente existem mais de 17.000 turbinas de vento de tamanho intermediário
nos Estados Unidos, com uma capacidade média que varia de 100 kW a 200 kW. Noventa por
cento delas se encontram em "fazendas de vento" (wind farms), principalmente na Califórnia,
com uma capacidade instalada de mais de 1.600 MW. Milhares de turbinas de vento (de
diversos tipos e de eixos tanto verticais quanto horizontais) estão em funcionamento,
injetando suas produções diretamente nas linhas de força da rede elétrica do Estado.
(HINDRICH e KLEINBACH, 2004).
No início do século, tem-se também notícia de alguns dos primeiros desenvolvimentos
nessa área creditados aos dinamarqueses. Para a geração de energia elétrica, também nos
Estados Unidos, a partir da década de 1930, iniciou-se uma ampla utilização de pequenos
aerogeradores para carregamento de baterias, o que favoreceu o acesso à energia elétrica aos
habitantes do meio rural. (AMARANTE et al., 2001).
Os pequenos aerogeradores possuem três componentes básicos, o rotor com as pás, a
gôndola (nacele) e a torre. Na gôndola ficam os principais componentes tais como o gerador
elétrico, caixa multiplicadora de velocidades, eixos, mancais, sistema de freios sistema de
controle e mecanismos de giro da turbina.
O vento faz girar um rotor composto por pás. Este rotor está conectado a uma haste
que, por sua vez, está conectada a várias engrenagens de um gerador elétrico. Para sistemas
19
menores, residenciais, a saída de corrente contínua do gerador pode ser armazenada em
baterias ou para fazer funcionar equipamentos e aparelhos que utilizem aquecimento resistivo.
No caso dos grandes geradores, como os encontrados nas fazendas de vento, existe um
sistema que revolucionou o setor da energia eólica, o "inversor síncrono". O inversor síncrono
converte a corrente contínua que sai do gerador eólico em corrente alternada e a descarrega na
rede elétrica da concessionária na frequência correta. A eletricidade é vendida para a
concessionária a um valor determinado por Estado ou pelo mercado. (HINDRICH e
KLEINBACH, 2004).
Um dos componentes fundamentais do aerogeradores é a pá. O conjunto das pás (em
geral, entre 2 e 4) forma o rotor. O comprimento varia entre 0,4m (para potências de 0,1KW)
e 16m (para potências de até 70KW). As pás utilizadas devem ser leves e resistentes. Isto são
as características principais dos compósitos poliméricos (matriz) reforçados com fibras.
(GASCH, 2007). As pás dos aerogeradores têm perfis aerodinâmicos variados, de forma a
aumentar a sua eficiência, na retirada da energia em determinada faixa de velocidade do
vento.
As pás de rotor de uma turbina eólica que funciona normalmente estando
continuamente expostos a cargas cíclicas do vento e da gravidade. A vida útil esperada para
uma pá é normalmente de 20 anos para turbinas eólicas de grande porte, e menos de 10 anos
para turbinas eólicas de pequeno porte. (CLAUSEN e WOOD, 2000). Com base nestas
condições, as exigências principais para os materiais de uma pá são elevada rigidez para
assegurar um desempenho aerodinâmico, baixa densidade para minimizar o carregamento
cíclico devido ao peso e com isso elevada resistência à fadiga. (BRØNDSTED et al. 2005).
Na indústria de turbinas eólicas, para garantir essas propriedades, muitos materiais são
utilizados, incluindo metais, polímero, madeira e compósitos. (MANWELL et al., 2002).
1.1 ABORDAGEM UTILIZADA PARA O DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
A abordagem utilizada nesse trabalho será do tipo indutiva. O leitor será apresentado
aos diversos processos de fabricação utilizados na manufatura de pá de aplicação eólica. Esses
conceitos servirão para caracterizar os métodos e suas respectivas tecnologias. Feito isso, é
apresentado uma analise qualitativa das características pertinentes à viabilidade tecnológica e
econômicas dos diversos processos. Ao seu final o trabalho apresenta sugestões de um
20
possível caminho para se iniciar no Rio Grande do Norte uma nova indústria de pás para
aerogeradores.
1.2 OBJETIVOS
Relacionado ao que foi apresentado até o momento foi feito o estudo dos processos de
fabricação de pás de turbina eólica, tendo em vista oferecer a oportunidade de criar um
modelo de desenvolvimento sustentável, com a finalidade de acompanhar o crescimento
industrial e social da região por meio de aerogeradores. Dessa forma, para o trabalho
apresenta-se o seguinte objetivo principal:
Realizar uma análise, preliminar, de viabilidade da manufatura de pás para
aerogeradores de pequeno porte no estado do Rio Grande do Norte.
Para a consecução do objetivo principal são propostos também os seguintes objetivos
específicos:
Analisar os aspectos teóricos e práticos da fabricação das pás de aerogeradores de
pequeno porte;
Fazer um levantamento de métodos a serem considerados para a fabricação das pás;
Efetuar um estudo de mercado para identificar a capacidade produtiva local em face às
tecnologias necessárias para a produção de pás de aerogeradores;
Realizar uma análise sugestiva de uma técnica viável para a confecção das pás com os
recursos presentes no estado;
1.3 METODOLOGIA
A metodologia consiste numa pesquisa bibliográfica para definir as características dos
processos de fabricação de pás de aerogeradores de pequeno porte disponíveis, a fim de
realizar uma comparação entre processos e analisar essas características de maneira que irá
proporcionar um direcionamento para o método viavelmente tecnológico para o uso de
componentes e materiais locais a ser inicializado dentro da indústria potiguar. Devido a
questões como tempo e oportunidade, não foi possível realizar visitas e análises na indústria
local, a fim de obter dados sobre os recursos disponíveis no estado, que inicialmente era a
ideia principal do trabalho.
21
22
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 ENERGIA EÓLICA
O uso da energia eólica consiste na conversão da energia cinética de uma massa de ar
em movimento em energia mecânica. Esta é gerada pela rotação das pás em torno de um eixo,
que, através de um gerador elétrico, converte a mesma em energia elétrica. (CARVALHO,
2003).
A conversão de energia eólica em elétrica é uma tecnologia que se tornou técnica e
economicamente viável nos últimos 30 anos e a produção vem crescendo a cada ano. A
energia eólica é uma fonte de energia limpa e disponível mundialmente, em lugares com
velocidades de vento maiores que 5m/s. (CARVALHO, 2003).
Vento em si é uma massa (de ar) em movimento, representando, assim, energia
cinética, que aumenta com o quadrado da velocidade e pode ser parcialmente aproveitada para
executar trabalho ou gerar energia elétrica. (HINDRICH e KLEINBACH, 2004).
Em 1887, nos Estados Unidos, tem-se a primeira notícia de geração de energia elétrica
através de uma turbina eólica, precursora das atuais. (CAMARGO, 2005 apud SOVERNIGO,
2009). Os primeiros experimentos de aproveitamento eólio-elétrico para a geração
suplementar de energia em grande escala datam das décadas de 1940 e 1950 nos EUA e
Dinamarca. (AMARANTE et al., 2001).
Foi apenas em 1976 que a primeira turbina eólica comercial, também chamada de
aerogerador, cuja função é gerar energia elétrica através dos ventos, foi ligada à rede elétrica,
na Dinamarca. (BRASIL, 2003). Ao longo das décadas de 1980 e 1990, a energia eólica foi se
espalhando globalmente e crescendo, tanto em número quanto em tamanho e potência gerada,
inclusive no mar, com as usinas eólicas offshore, implantadas a partir de 1991, também na
Dinamarca. (BARTHELMIE et al., 1996). A produção atual global é de mais de 120 GW,
gerados, sobretudo por EUA, Alemanha, Espanha, China e Índia. (GLOBAL WIND
ENERGY COUNCIL, 2008).
Com o crescimento do consumo de energia elétrica, no final do século XIX, surgiram
as primeiras experiências através da energia eólica para geração de eletricidade. Entretanto,
somente na década de 1970, com a crise internacional do petróleo que houve realmente a
necessidade de elaborar alternativas para produção de energia elétrica e aperfeiçoamento que
viabilizem a aplicação de equipamentos a nível mundial. (ALVES, 2010).
23
Diante do cenário mundial de mudanças climáticas, a importância das energias
renováveis cresce cada vez mais, nos espaços de planejamentos governamentais sobre suas
matrizes energéticas. No Brasil o potencial eólico tem despertado o interesse de vários
fabricantes e representantes dos principais países envolvidos com energia eólica. (ALVES,
2010).
É importante lembrar que a região Nordeste foi uma pioneira na instalação de energia
eólica para aproveitamento na geração de energia elétrica no país. Os parques eólicos já em
operação são a prova de que a iniciativa das empresas brasileiras responsáveis pelos
experimentos e das empresas produtoras de energia que atuam neste setor elétrico, investem
em recursos para o aproveitamento de energia elétrica por meio de turbinas eólicas. No campo
de atuação brasileiro, a presença dos autoprodutores e dos produtores independentes são de
participação importante na expansão do setor de energia eólica e na matriz de sustentabilidade
energética. (ALVES, 2010).
O cenário internacional apresenta o Brasil como o melhor país do mundo para
investimentos na área de energias renováveis, e o Rio Grande do Norte oferece as melhores
condições para implantação de usinas eólicas, com ventos intensos e constantes em pelo
menos 5% do seu território, que são as áreas: Nordeste do estado, Litoral Norte-Noroeste e as
Serras centrais. O investimento nessa área fará com que o Estado se torne autossuficiente em
geração de energia elétrica em pouco tempo, evitando assim o risco de apagões. (ALVES,
2010).
2.1.1 Potencial eólico brasileiro
O potencial eólico brasileiro para aproveitamento energético tem sido objeto de
estudos e inventários desde os anos 1970 e o seu histórico revela o lento, mas progressivo
descobrimento de um potencial energético natural de relevante magnitude existente no país.
(AMARANTE et al., 2001).
A excelente qualidade nos níveis de radiação solar e ventos fortes, principalmente na
costa nordestina, tem despertado o interesse de vários fabricantes e representantes dos
principais países envolvidos com energia eólica. Fazendo com que o Brasil seja um ponto
estratégico para a entrada de novas tecnologias para a América Latina. A presença de grandes
24
empresas no Brasil mostra o interesse no mercado eólico da América do Sul dentro das
perspectivas de expansão desse mercado. (ALVES, 2010).
Embora ainda haja divergências entre especialistas e instituições na estimativa do
potencial eólico brasileiro, vários estudos indicam valores consideráveis. Até poucos anos, as
estimativas eram da ordem de 20.000 MW. Hoje a maioria dos estudos indica valores maiores
que 60.000 MW. Essas divergências decorrem principalmente da falta de informações (dados
de superfície) e das diferentes metodologias empregadas. (BRASIL, 2003).
De qualquer forma, os diversos levantamentos e estudos realizados e em andamento
(locais, regionais e nacionais) têm dado suporte e motivado a exploração comercial da energia
eólica no País. Os primeiros estudos foram feitos na região Nordeste, principalmente no Ceará
e em Pernambuco. Com o apoio da ANEEL e do Ministério de Ciência e Tecnologia – MCT,
o Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE, da Universidade Federal de Pernambuco –
UFPE publicou em 1998 a primeira versão do Atlas Eólico da Região Nordeste. A
continuidade desse trabalho resultou no Panorama do Potencial Eólico no Brasil, conforme a
Figura 2.1. (BRASIL, 2003)
Figura 2.1 – Velocidade média anual do vento a 50m de altura.
Fonte: Panorama do Potencial Eólico no Brasil. Brasília: Dupligráfica (2003)
25
As maiores velocidades médias anuais, da ordem de 4m/s a 10m de altura, já induziam
marginalmente a viabilidade técnica de máquinas de pequeno porte para sistemas isolados e
apontavam o litoral da região Nordeste e o Arquipélago de Fernando de Noronha como os
sítios mais promissores para a realização de projetos-piloto para geração de energia eólio-
elétrica. Até 1981, diversos protótipos de turbinas eólicas de pequeno porte (2kW e 5kW)
foram desenvolvidos e um campo de testes foi operado no Centro de Lançamento de Foguetes
da Barreira do Inferno, na costa do Rio Grande do Norte, em projeto conjunto com o DFVLR-
IBK, órgão de pesquisa aeroespacial da Alemanha. (AMARANTE et al., 2001).
2.1.2 Potencial eólico potiguar
Segundo dados da Secretaria de Energia e Assuntos Internacionais do Rio Grande do
Norte, o potencial energético do Estado aponta para 5% do seu território, com capacidade de
abastecimento a toda a região Nordeste e perspectivas de ampliação da capacidade de
produção de 51 megawatts para 4 mil megawatts, em quatro anos. (SILVA, 2010).
Em 1996, um relatório da CHESF apresentou um estudo do potencial eólico do litoral
do Ceará e do Rio Grande do Norte, já a partir dessas primeiras medições na região.
Simulações computacionais com uso de curvas de desempenho de turbinas de 500kW e
600kW indicaram a possibilidade de geração de 9,55 TWh/ano e 2,96 TWh/ano com a
ocupação de 10% dos litorais do Ceará e Rio Grande do Norte, respectivamente.
(AMARANTE et al., 2001).
As maiores velocidades médias anuais encontradas para a altura de 10m foram de
5,5m/s e 4,3m/s, para Macau, RN e Caetité, BA, respectivamente. (AMARANTE et al.,
2001).
Um estudo conduzido e publicado recentemente por pesquisadores do Instituto
Nacional de pesquisas Espaciais (INPE), concluiu que os Estados nordestinos voltados para o
Hemisfério Norte são os maiores promissores quanto à utilização da força dos ventos como
fonte alternativa para a geração de energia elétrica. Ventos com velocidade adequada para a
geração de energia – a mais de 7 metros por segundo – fazem do Rio Grande do Norte, mais
especificamente, um gigantesco parque eólico em potencial. (RIO GRANDE DO NORTE,
2013).
26
O Rio Grande do Norte tem dois parques eólicos em funcionamento. Um deles,
controlado pelo grupo espanhol Iberdrola, está localizado em Rio do Fogo, gerando
atualmente 49,3 megawatts (MW) de energia e têm capacidade suficiente para abastecer uma
cidade 75 mil habitantes. O outro parque, situado em Diogo Lopes, foi a primeira usina de
energia eólica implantada pela Petrobrás (2004) gerando 1,8 MW. Seu parque dispõe de três
aerogeradores com potência de 600 kw cada, capaz de alimentar uma cidade de 10 mil
habitantes. (SILVA, 2010).
Figura 2.2 – Velocidade média anual do vento Potiguar a 50 metros de altura.
Fonte: Cosern (2003)
O mapa eólico da Figura 2.2, é o mais atual no estado, nele é possível atentar as áreas
mais promissoras para empreendimentos eólicos. Demonstrado que o Rio Grande do Norte
apresenta um potencial natural de destaque no Brasil para o setor eólico, o que fará a
diferença no crescimento do mesmo será a gestão pública em incentivos de desenvolvimento
do setor. (SILVA, 2010).
Para criar alternativas na geração de energia elétrica a partir de fontes alternativas, é
necessária a disponibilidade de equipamentos nacionais que sejam técnica, operacional e
economicamente viáveis. Contudo, o Rio Grande do Norte se vê diante da possibilidade
27
de dar um salto na arrecadação tributária e no desenvolvimento da economia. Até 2013, 61
parques eólicos serão instalados no estado, movimentando mais de R$8 bilhões. A geração de
energia eólica, que pode se tornar a maior fonte de arrecadação do estado.
2.2 AEROGERADORES
Aerogeradores são maquinas projetadas para converter energia cinética (KE) do vento
em (geralmente) energia elétrica ou para realização de trabalho. Há indicativos de uso do
vento para moagem de grãos e elevação de águas pelos egípcios, por volta de 3000 a.C..
Os aerogeradores que conhecemos atualmente baseiam-se nos que o
Dinamarquês Poul la Cour construiu, em 1896, baseados em experiências
que ele próprio conduziu. Nos anos 80 começaram a aparecer as primeiras
indústrias e empresas fabricantes de aerogeradores (maioritariamente
Dinamarquesas, como Vestas, Nordtank, Bonus..) e, consequentemente, os
parques de geração, ligados à rede [...]. (CRUZ, 2009).
No início da utilização, surgiram turbinas de vários tipos – eixo horizontal, eixo
vertical, com apenas uma pá, com duas e três pás, gerador de indução, gerador síncrono etc.
Com o tempo, consolidou-se o projeto de turbinas eólicas com as seguintes características:
eixo de rotação horizontal, três pás, alinhamento ativo, gerador de indução e estrutura não-
flexível, como ilustrado na Figura 2.3. (CBEE, 2000).
28
Figura 2.3 – Desenho esquemático de uma turbina eólica moderna.
Fonte: Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE / UFPE. (2000)
Existem dois tipos principais de famílias de turbinas eólicas: as de eixo vertical e as de
eixo horizontal. Ambas podem utilizara força de arraste ou a força de sustentação produzida
pelo vento para se movimentarem. (FELIPPES, 2012).
Estas máquinas são utilizadas para a geração de energia elétrica através de
acoplamento com geradores, mas também podem ser utilizadas em sistemas de bombeamento
ou outros sistemas mecânicos. (WENZEL, 2007).
As turbinas eólicas são classificadas quanto à sua forma construtiva, ver Figura 2.4:
o Turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEH)
o Turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV)
29
Figura 2.4 – Turbinas eólicas de eixo vertical (1) e horizontal (2).
(1) (2)
Fonte: Cruz e Ventura (2009-2010)
E quanto à sua potência, ver Figura 2.5:
Pequeno Porte (até 50kW de potência)
Médio Porte (potência de 50 a 1000kW)
Grande Porte (acima de 1MW de potência).
Figura 2.5 – Exemplos de turbinas eólicas (da esquerda para a direita: pequena, média e
grande).
Fonte: Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE / UFPE. (2003)
30
As TEEH são as mais utilizadas e comercializadas no mercado, e têm como
caraterística principal a necessidade de um mecanismo que permita o posicionamento do eixo
do rotor em relação a direção do vento, para um melhor aproveitamento, principalmente onde
se tenha mudança na direção dos ventos. (WENZEL, 2007).
Elas possuem três componentes básicos, o rotor com as pás, a gôndola (nacele) e a
torre. Na gôndola ficam os principais componentes tais como o gerador elétrico, caixa
multiplicadora de velocidades, eixos, mancais, sistema de freios sistema de controle e
mecanismos de giro da turbina.
O rotor apresenta geralmente, um conjunto de três pás, podendo ter controle passivo
ou ativo das mesmas para operar numa determinada rotação. Na maior parte, o eixo que
conduz o torque das pás apresenta uma velocidade de rotação baixa sendo necessário
aumentar a rotação utilizando um multiplicador de velocidades de mecanismo. Após o
multiplicador é conectado ao gerador elétrico que transforma a energia mecânica em elétrica.
(WENZEL, 2007).
O gerador elétrico pode ser assíncrono (indução) adequado para trabalhar com rotação
constante ou gerador síncrono utilizado em sistemas com rotação variável. (WENZEL, 2007).
As turbinas apresentam um aprimorado sistema de controle que possibilita otimizar os
ganhos de energia posicionando o rotor num plano perpendicular a velocidade do vento.
Possui sistemas para produzir procedimentos de segurança freando a máquina para
velocidades muito altas (acima de 25 m/s). As pás podem ser fixas ou podem mudar o ângulo
de passo. (WENZEL, 2007).
As turbinas eólicas apresentam diferentes tipos de comando para frenagem em
velocidades de vento elevadas - são os controles por Stall ou Pitch. No controle por stall, há
um desprendimento do fluxo de vento no perfil aerodinâmico, gerando vórtices e assim
aumentando o arrasto e diminuindo a velocidade angular ou rotação.
Já no controle por pitch, existe um sistema que gira as pás posicionando-as
perpendicularmente ao vento, diminuindo a estrutura aerodinâmica e a rotação do rotor.
(WENZEL, 2007).
O equipamento tratado neste trabalho é o aerogerador de pequeno porte, com rotor
perpendicular ao vento, de eixo horizontal e que utiliza o efeito aerodinâmico da força de
sustentação para a extração da energia do vento.
31
2.3 AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE
Acompanhando o êxito do grande porte, o mercado para os aerogeradores de pequeno
porte está cada vez mais se disseminado e este desenvolvimento é a nível mundial.
São diversas as aplicações, a depender das necessidades, principalmente em áreas
remotas, onde são utilizados para geração doméstica de energia elétrica e para bombear água.
Também são empregados em sítios turísticos ou naqueles longe das redes elétricas, para a
geração de energia elétrica para operar todos os equipamentos de apoio e máquinas de
processamento. (VOGT, 2010).
Na navegação marítima, para alimentar estações remotas de radiocomunicação e
pesquisa, sobretudo os aerogeradores de pequeno porte são usados para o fornecimento
eletricidade. Atualmente, varias empresas instalam aerogeradores a fim de demonstrar
comprometimento com as energias renováveis; Servindo, muitas vezes, com um instrumento
de marketing para “capturar” clientes com consciência acerca das questões ambientais.
(VOGT, 2010).
Anteriormente, os aerogeradores de pequeno porte apresentavam muitos defeitos, tais
como desempenho abaixo do esperado, problemas de resistência e de vibração, com pás e
torres quebradas. E para melhorar a qualidade, a IEC (International Electrotechnical
Commission) definiu uma norma. (VOGT, 2010).
Conforme norma internacional para geradores de pequeno porte, a
IEC-NORM 61400-2:2006 – Design Requirements for Small Wind Turbines,
geradores de pequeno porte são definidos como os que têm rotores com até
200m². Considerando uma média de 350W/m², isto significa uma potência
máxima de 70kW. Nesse caso, a torre não pode ser mais alta que 20m. A
maioria dos aerogeradores oferecidos atualmente tem potências entre 5 e
10kW. (IEC-NORM 61400-2:2006; POLLICINO, 2010; SUN & WIND
ENERGY 1, 2010 apud VOGT, 2010).
32
Tabela 2.1 – Aerogeradores de pequeno porte.
Equipamento Potência [KW] Diâmetro [m]
Air 0,4 1,15
AIRCON 10 S 9,8 7,13
Alize 10 7
Antaris 3,6 3,5
BWC Excel 10 7
Easy Wind 6 AC 1,5 / 6,0 6
Easy Wind 6 DC 7,5 6
EW Elisa 2,5 2,5 3,6
HEOS H50 50 12
INCLIN 6000 neo 6 3,7
Montana 5,6 5
Notos H40 40 12
Passat 1,4 3,12
Pawicon 2500 2,5 3,5
S&W 20,0 20 8,9
S&W 2000 2 3
Superwind 350 0,350 1,22
UniWind 15 10 8
Vata H1 1 2
Vata H10 10 6
Vata H20 20 6
Fonte: Bundesverband Windenergie (2010)
As características técnicas e as características do vento local de instalação é o que
verdadeiramente determina o desempenho de um aerogerador. Para que se tenha maior
viabilidade no aproveitamento, a velocidade de vento deverá ser superior a 7m/s,
preferencialmente com um fluxo laminar e constante. “Isto significa que, antes de chegar ao
rotor, o vento deve ter livre passagem, sem obstáculos, a fim de evitar as turbulências que
diminuam o desempenho e a vida útil do aerogerador.”. (VOGT, 2010).
Os componentes de um aerogerador de pequeno porte comum, descritos na Figura 2.6,
são:
33
Figura 2.6 – Detalhe das partes do Aerogerador de pequeno porte.
Fonte: Vogt (2010).
Pás
O conjunto das pás (em geral, entre 2 e 4) forma o rotor. O comprimento varia entre
0,4m (para potências de 0,1KW) e 16m (para potências de até 70KW). Na maioria das vezes,
as pás são confeccionadas em compósitos de fibra de vidro com epóxi ou poliéster. (VOGT,
2010).
Cubo
Sua função é de fixar o conjunto das pás, constituindo o rotor, assim conduzindo as
forças aerodinâmicas que cometem nas pás em forma de torque para eixo do rotor.
Leme
Onde os aerogeradores de pequeno porte se adaptam à direção do vento. (VOGT,
2010).
34
Sistema de proteção contra ventos fortes destrutivos
“Serve para evitar a destruição do aerogerador por ventos fortes. É uma mecânica de
ajuste angular das pás (ou um dispositivo) que gira o rotor numa posição lateral à direção do
vento, ou que inclina a nacele junto com o rotor, em torno de um eixo horizontal”. (HEIER,
2007a apud VOGT, 2010).
Torre
Tem a função de suporte para a nacele, já que a intenção é de elevar o rotor a uma
dada altura, e aproveitar as correntes de ventos mais favoráveis. As torres de aerogeradores de
pequeno porte podem chegar a uma altura de 20m. (VOGT, 2010).
Nacele
É a estrutura onde se situam o gerador, caixa de acoplamento e os demais
componentes do aerogerador localizados no topo, junto à turbina. Instalada no topo da torre,
para permitir o ajuste da direção do rotor conforme direção do vento. É montada no ponto
mais alto, sobre a torre, onde o ar possui menos interferência na região onde está situado o
aerogerador. Dependendo do projeto, o aerogerador de pequeno porte pode não apresentar
alguns destes componentes.
Gerador
É o responsável por gerar energia elétrica a partir da energia mecânica proveniente da
engrenagem ou diretamente do cubo. (VOGT, 2010).
35
3 PÁS DE AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE
3.1 HISTÓRICO DOS MATERIAIS USADOS NA FABRICAÇÃO
É da natureza humana procurar por fontes de energia que auxilie o trabalho e que
ofereça o conforto desejado. Na idade média o uso de moinhos por toda a Europa tinha com
finalidade moer grãos. Os primeiros moinhos eram instalados de forma que girava em torno
de seu eixo central para ficar de frente para o vento. As pás eram confeccionadas de lona
esticada sobre uma armação de madeira, frágeis e a maioria não resistiam às tempestades.
(FILHO, 2011).
Em 1770, Andrew Meickle aperfeiçoou o modelo de pá existente, sendo esta
constituída de placas articuladas mantidas em seu lugar por uma mola que ao sofrer a pressão
de um vento forte se abriam sem deixar que o vento causasse estragos.
Os moinhos daquela época usavam da energia mecânica que era convertida da energia
dos ventos, conforme as turbinas eólicas dos dias de hoje, a diferença é que o interesse dessas
turbinas está voltado para a geração de energia elétrica.
Com o passar dos anos, essas máquinas evoluíram associando melhorias tecnológicas
contínuas. Em 1850 surgiram às primeiras bombas eólicas, eram rotores de pás instaladas a
um sistema biela-manivela e uma bomba de pistão. (CIEMAT, 2001).
A fabricação de equipamentos com pás metálicas, conhecidos como “moinho de
bombeio americano” se deu em 1890, quando se iniciava um novo conceito de máquina eólica
e as turbinas possuíam varias pás, com o propósito apenas voltado para o bombeamento de
aguas do subsolo, delimitando suas capacidades de expansão e desenvolvimento. (FILHO,
2011).
Na atualidade são empregados em propriedades rurais, no bombeamento de aguar para
uso domestico e em sistemas de irrigação, devido a grande capacidade de dispensada a
quantidade de eletricidade para colocar em funcionamento bombas hidráulica. A energia é
aproveitada apenas utilizando a energia mecânica dos ventos para retira água do subsolo, sem
a necessidade da conversão de energia mecânica para energia elétrica. (FILHO, 2011).
Este equipamento possui em torno dezoito pás e seu funcionamento baseia-se em giros
com velocidades menores, e necessita de um torque maior, diferente dos aerogeradores, que
se concentra em geração de eletricidade onde se almeja ventos com velocidades maiores, onde
36
normalmente o número de pás se restringi a três e o design aerodinâmico é mais complexo.
(FILHO, 2011).
Os primeiros experimentos utilizava o alumínio, compondo as estruturas internas e as
placas formando o corpo externo das pás, igualmente como são fabricadas as asas de
aeronaves. No entanto, a utilização desse tipo de fabricação tornou-se caro e suscetível à
falhas mecânicas pelo fato de serem composto de muitos rebites e parafusos. (FILHO, 2011).
As máquinas com pás de ate 10 metros eram produzidas através de placas de fibra de
vidro curadas em moldes e unidas por meio de rebites e parafusos em aço. (CLAUSEN e
WOOD, 2000). Já as turbinas com pás de 24 metros que utilizava fibra de vidro e os rotores
com 60 metros de diâmetro produzidos em chapas de aço consolidadas por solda, foram
testadas no centro de pesquisas da Agência Espacial Norte Americana. (SPERA, 1994).
O mercado que se encontra em constante expansão, proporciona um crescente número
em investimentos em equipamentos para enrolamento de fibras, automatizando o processo de
fabricação das pás em material compósito.
Materiais como fibra de carbono são utilizados, mas na maioria das aplicações não
alcança a economia necessária, tornando o uso deste material inviável. Nos centros de
pesquisa da NASA diversas formas e materiais para a fabricação de turbinas eólicas foram
examinados.
A Figura 3.1 mostra uma linha de tempo adaptada da cronologia de testes mostrando a
evolução dos materiais em cada período.
Figura 3.1 – Cronologia da utilização de materiais para fabricação de pás de aerogeradores.
Fonte: Spera (1994) (Adaptado)
Desenvolvimento de pás em
alumínio.
Estudo utilizando
espuma de
uretano para
fabricação de pás.
Desenvolvimento de pás em chapas
de aço soldados.
Desenvolvimento
em chapas de aço
com controle de
ponta de pá. Pás totalmente
em madeira.
Construção de pás
em matriz epóxi
reforçada com fibra
de vidro.
Construção de pás
em matriz epóxi reforçada com fibras
de vidro transversais.
Desenvolvimento
de material
compósito
utilizando madeira.
Pás em chapas de aço soldadas com
longarinas em aço
inox.
Desenvolvimento de pás em chapas
de aço com ponta
em madeira.
37
A fibra de vidro tanto na forma de filamento quanto em fita mostraram-se favoráveis à
fabricação através de máquinas automatizadas. (SPERA, 1994). Levando a redução da mão de
obra, redução de custos e melhoria no controle de qualidade, essencial para solucionar
problemas nestas estruturas altamente solicitadas mecanicamente. (FILHO, 2011). A Figura
3.2 mostra um exemplo de turbina eólica fabricada atualmente.
Figura 3.2 – Modelo atual de aerogerador de eixo horizontal com pás em resina epóxi
reforçadas com fibra de vidro.
Fonte: Filho (2011)
A carga sobre pás é baseada no histórico de funcionamento considerando os requisitos
de resistência dos materiais empregados na fabricação. A resistência à fadiga deve ser
avaliada para obedecer às condições de vida útil. Estas condições são determinadas por
diversos laboratórios e entidades. Uma diversidade de modelos têm sido propostos e
utilizados para descrever o comportamento em degradação e a evolução do dano nos
materiais. Alguns modelos são fundamentados em observações físicas e mecânicas, e outros
modelos empíricos são descrições matemáticas dos dados experimentais. (FILHO, 2011).
38
3.2 MATERIAIS DE PÁS
As pás de aerogeradores são fabricadas desde madeira laminada, materiais compósitos
laminados de fibra de vidro e materiais compósitos reforçados com fibra de carbono. No
decorrer do tempo com os conhecimentos adquirido, as pás de turbinas eólicas são sujeitas a
um elevado número de ciclos de flexão, devido a isso é indispensável que o material das pás
tenha uma vida útil extremamente longa à fadiga por se tratar de um dos componentes
aerodinâmicos mais submetidos a essa condição. (CLAUSEN; WOOD, 1999 apud FILHO,
2011).
Para a fabricação de pás de turbinas eólicas de pequeno porte pode ser usado madeira.
Esta alternativa pode ser interessante, pois a madeira tem vida longa à fadiga e seu custo
como matéria prima para fabricação é aceitável. Porém, a madeira não é o material mais
conveniente para a fabricação de pás de formas mais complexas que são necessárias para
alcançar alta eficiência aerodinâmica. Este efeito é constatado quando é necessária a
introdução de concavidades na superfície inferior, que são bastante comuns nas secções de
muitas pás de alto desempenho, tornando-se difícil reproduzi-las em madeira. Além disso,
cada pá deve ser usinada separadamente para manter a tolerância dimensional. (PETERSON;
CLAUSEN, 2004 apud FILHO, 2011).
Geralmente as pás de turbina eólicas de grande porte são formadas por uma estrutura
construída a partir de um revestimento ou casca de material compósito laminado e/ou madeira
laminada. Levando em conta, entre pesquisadores, que pouquíssimas pás de pequeno porte
são fabricadas a partir de madeira laminada, já que é provável que seu custo de produção seja
alto. Os materiais compósitos laminados requerem moldes com integridade dimensional
elevada, que permitem serem usinados em centros de usinagens CNC Computed Numeric
Control. Fabricar moldes de pás para aerogeradores está se transformando numa tarefa cada
vez mais fácil, devido aos progressos com funcionalidade e facilidade de uso de fabricação
auxiliada por computador. Isso, associado com a redução dos custos de computadores de alto
desempenho tem incentivado pequenas empresas para construção de pás de alta qualidade e
eficiência para aerogeradores. (CLAUSEN; WOOD, 2000).
Ferramentas CAE Computer Aided Engineering, como avaliação de elementos finitos
pode ser usado para aprimorar a quantidade e disposição de fibras (Figura 3.3), gerando pás
suficientemente resistentes e leves. (KONGA et al, 2005).
39
Figura 3.3 – Análise CAE em pá de aerogerador.
Fonte: C. Konga et al. (2005)
Com um projeto cuidadoso, uma pá com redução de massa tem baixa inércia
rotacional, o que leva o aerogerador a entrar em funcionamento com velocidades de ventos
mais baixas. Nos dias de hoje, a maior dificuldade para utilização de compósitos é o alto custo
para fabricação dos moldes, já que ainda há obstáculos para obter retorno financeiro em
consequência dos investimentos no desenvolvimento das estratégias de fabricação, que devem
ser restaurados ao longo de uma produção ainda que limitada. Contudo, a solicitação
crescente deverá reduzir significativamente os custos de fabricação. (HAYMAN et al, 2008
apud FILHO, 2011).
Frequentemente as pás de turbinas eólicas são compostas por compósitos de matriz
polimérica com reforço em fibras de vidro. O motivo disso é a elevada rigidez, elevada
relação rigidez-densidade e boa resistência à fratura. Em sua maioria são compósitos de fibras
continuas, entretanto alguns fabricantes estão trabalhando para trocar a fibra de vidro por fibra
de carbono, devido ser sensivelmente mais resistentes, e dado que sua utilização já ocorre na
40
indústria aeronáutica, aos poucos se tornará disponível para a indústria eólica. (NIJSSEN,
2007 apud FILHO, 2011).
Possivelmente a principal diferença entre as aplicações da fibra de carbono e fibra de
vidro seria a forma como estão ordenadas na matriz polimérica relativamente mais grosseira
no que diz respeito às fibras de vidro. As fibras imersas em matriz polimérica resulta alguma
resistência à compressão, mas principalmente tem o desejo de aperfeiçoar e conservar as
fibras arranjadas geometricamente. Grande parte das pás fabricadas atualmente tem como
matriz o poliéster, porém o epóxi também é muito usado. A densidade é muito aproximada,
mas o desempenho à fadiga melhor é atribuído para os compósitos de matriz epóxi, que
oferece uma fabricação mais fácil, e que durante o processo tem ausência de emissões tóxicas.
(NIJSSEN, 2007 apud FILHO, 2011).
Os contornos aerodinâmicos do exterior da pá são constituídos por
cascas relativamente finas. São apoiados por uma viga estrutural longitudinal
ou mantas, que suportam uma parte substancial da carga ao longo da pá. No
sentido longitudinal, as pás eólicas são cônicas e torcidas. Ainda no sentido
longitudinal, é necessário o afinamento da secção para redução de peso
devido ao aumento de cargas que atuam da ponta a raiz de estrutura. A
redução das secções, tanto no corpo externo como na espessura da casca, nas
vigas estruturais internas e tecido de fibras, geralmente é destinado a garantir
o mesmo carregamento ao longo do material, como por exemplo, estar
conforme as tensões máximas previstas em projeto. (NIJSSEN, 2007 apud
FILHO, 2011).
A forma e estrutura de pás eólicas são mostradas nas seções transversais e isométrica
na Figura 3.4.
41
Figura 3.4 – Secções transversais e estruturas internas de diversos rotores.
Fonte: Ciemat (2001)
3.3 CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DOS MATERIAIS DE PÁS DE
AEROGERADORES
Os materiais devem possuir determinadas características para utilização em rotores de
turbinas eólicas, são elas a alta rigidez, baixo peso e vida longa à fadiga. De maneira
simplificada, o diagrama de rigidez em função da massa especifica na Figura 3.5 demostra o
procedimento a ser usado. O esquema mecânico de uma pá corresponde ao equacionamento
do índice de mérito (Mb). (BRONDSTED et al, 2005).
(Eq.1)
onde (E) é o módulo de elasticidade do material e (ρ) é a massa específica. Linhas onde o
índice de mérito (Mb) é constante são aplicados no diagrama, e materiais que desempenha os
42
critérios (parcial ou total) estão divisados entre as linhas diagonais sobre o gráfico no canto
superior esquerdo. (FILHO, 2011).
As linhas apresentadas na Figura 3.5 evidenciam materiais que são igualmente bons
em termos de rigidez e massa específica. Sobre a linha inferior, indica que os materiais
utilizados devem ser madeira, compósitos, metais e cerâmicas. A linha inferior possui índice
de mérito Mb = 0,003 com unidades de E em [GPa] e ρ em [kg/m3]. Se o índice é duplicado
para Mb = 0,006, a linha superior é válida. Esta linha indica que os materiais mais adequados
são madeiras, materiais compósitos e cerâmicos. (FILHO, 2011).
Figura 3.5 – Rigidez x massa específica para vários materiais.
Fonte: ASHBY & JONES (1981)
A rigidez é o segundo critério em escala absoluta onde um material rígido causa uma
deflexão menor em uma viga que é um material flexível. Na Figura 3.5, o critério de rigidez
representa à linha horizontal. Essas deflexões em pás de aerogeradores estão associadas com a
geometria e dimensões, assim como a concepção global do rotor e da torre, especialmente a
43
deformação da pá quando passa pela torre. Uma deformação apropriada exige uma rigidez de
10-20 GPa ( no diagrama da Figura 3.5 a linha de E = 15 GPa). Sobre ou acima desta linha o
material satisfazem o critério, sendo capaz observar que alguns compósitos, a maioria das
madeiras, e algumas cerâmicas porosas são excluídos. (FILHO, 2011).
Na questão de robustez, a resistência contra longos ciclos de fadiga é fundamental
levar em conta a resistência à fratura dos materiais. A dureza no que se refere à massa
especifica é reunida a partir de um esquema similar. O índice para resistência à fratura de
baixa e alta massa especifica apresenta os materiais apropriados que são eles a madeira e
compósitos. (PETERSON e CLAUSEN, 2004).
44
4 MATERIAIS COMPÓSITOS POLIMÉRICO
Um material compósito é feito através da combinação de dois ou mais materiais para
se obter uma combinação única de propriedades. A definição acima é mais geral e podem
incluir metais, ligas de plásticos copolímeros, minerais, e madeira. Fibra reforçada de
materiais compósitos a partir de diferentes materiais acima indicados em que os materiais
constituintes são diferentes, a nível molecular e são mecanicamente separáveis. A granel, os
materiais constitutivos trabalham juntos, mas permanecem em suas formas originais. As
propriedades finais dos materiais compósitos são melhores do que as propriedades dos
materiais que a constituem. (MAZUMDAR, 2002).
Os compósitos são materiais multifásicos produzidos artificialmente, que possuem
uma combinação desejável das melhores propriedades das suas fases constituintes.
Geralmente, uma fase (a matriz) é contínua e envolve completamente a outra (a fase dispersa).
Geralmente o reforço é feito a partir de fibras, que apresentam alta resistência à tração,
enquanto a matriz tem a função de manter as fibras unidas, permitindo que as tensões sejam
deslocadas da matriz para as fibras, resultando no material reforçado como na Figura 4.1.
Tecnologicamente, esses compósitos reforçados com fibra são os mais importantes, pois
apresentam alta resistência e rigidez em relação ao seu peso. Compósitos feitos com uma
matriz de polímero tornaram-se mais comuns e são amplamente utilizados em várias
indústrias. (CALLISTER, 2008).
Figura 4.1 – A formação de um material compósito com fibras e resina.
Fonte: Mazumdar (2002)
45
A fibra de reforço ou tecido proporciona resistência e rigidez à composição, ao passo
que a matriz de rigidez e confere resistência ambiental. Fibras de reforço são encontradas em
diferentes formas, desde longas fibras contínuas de tecido para as fibras curtas de picadas.
Cada configuração resulta em diferentes propriedades. As propriedades dependem fortemente
da maneira como as fibras são dispostas nos compósitos. (MAZUMDAR, 2002).
O compósito é planejado de modo que as cargas mecânicas a que a estrutura está
sujeitas no serviço sejam suportadas pelo reforço. Suas propriedades dependem da matriz, do
reforço, e da camada limite entre os dois, chamada de interface. Desta forma, há muitas
variáveis a considerar ao projetar um compósito: o tipo de matriz (metálica, cerâmica e
polimérica), o tipo de reforço (fibras ou partículas), suas proporções relativas, a geometria do
reforço, método de cura e a natureza da interface. Cuidadosamente, cada uma das variáveis
deve ser controlada a fim de produzir um material estrutural otimizado para as circunstâncias
sob as quais será usado.
Para analisar o desempenho total dos materiais compósitos, é essencial conhecer,
individualmente, o papel da matriz do material.
4.1 MATRIZ DE COMPÓSITOS
As resinas que são usadas como matrizes em compósitos reforçados com fibras podem
ser divididas em dois tipos, termorrígidas e termoplásticas, de acordo com a influência da
temperatura nas suas características. Termoplásticos, como os metais, amolecem com o
aquecimento e eventualmente fundem, endurecendo novamente com o resfriamento. Materiais
termorrígidos são formados por uma reação química interna onde a resina e endurecedor são
misturados e então sofrem uma reação química não reversível para formar um produto duro e
infusível.
Os arranjos de resinas para uso em compósitos requisitam as algumas características,
são elas, boas propriedades mecânicas, de tenacidade e adesivas, e de boa resistência à
desgaste ambiental. (LAPIQUE e REDFORD, 2002).
O mais importante da resina matriz é a habilidade de absorver energia e reduzir as
concentrações de tensões, pelo fornecimento de tenacidade à fratura ou ductilidade,
maximizando a tolerância a danos de impacto e o tempo de durabilidade do compósito.
(PILATO e MICHNO, 1994).
46
Embora existam vários tipos de resinas usadas em compósitos para indústria, a maioria
das partes estruturais é feita principalmente com resina termofixa. Dentre essas resinas a
poliéster, vinil éster e epóxi são as mais utilizadas.
Dar-se-á uma maior atenção à resina de poliéster, pois é a resina mais utilizada na
fabricação das pás de aerogeradores.
4.1.1 Resina Éster Vinílica
A resina vinil éster é o resultado da adição de resinas epóxi com um ácido acrílico ou
metacrílico. Suas principais propriedades no grupo de resinas são resistência à fadiga e à
corrosão, boas qualidades mecânicas, ou seja, possuem excelente resistência ao ataque
químico, podendo ser utilizadas em ambientes ácidos ou alcalinos. (ALMEIDA e SILVA,
2001).
4.1.2 Resina Epóxi
A partir da estrutura química da resina epóxi e do agente iniciador de reação
empregados. Pode obter-se resistência química a solventes, propriedades mecânicas, dureza,
elevada resistência à tração, fadiga, calor, além de propriedades elétricas excelentes. Da
mesma maneira, as diversas resinas epóxi que existe no mercado, quando complementada
com a extensão de variedade de agentes de cura possibilitam sua aplicação em diversos
processos de fabricação.
Apresenta diferenciada característica, em relação a outras resinas, forte poder adesão e
baixa contração durante a cura. Com suas propriedades mecânicas e elétricas possibilitam seu
uso na fabricação de capacitores, encapsulamento de resistores, isoladores de alta tensão,
moldagem de motores, retificadores e transformadores. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
A Figura 4.2 mostra um exemplo de pás de pequeno porte produzidas em resina epóxi
reforçada com fibras de vidro.
47
Figura 4.2 – Pá de rotor eólico de pequeno porte.
Fonte: www.nrel.gov
4.1.3 Resina de Poliéster
As pás fabricadas para turbinas eólicas de pequeno porte motivador deste trabalho,
geralmente são feitas utilizando uma matriz de poliéster e por isso, essa matriz receberá uma
atenção especial.
As resinas poliéster são geradas a partir da reação de um álcool, como glicol, e um
ácido di-básico, obtendo-se como produto poliéster e água.
Muitas das resinas poliéster são viscosas, compondo de líquidos claros de uma solução
de poliéster em um monômero que é normalmente estireno. A adição de estireno em
quantidades acima de 50% ajuda a produzir uma resina de fácil manuseio pela redução da
viscosidade. (MARGOLIS, 1986).
Outros tipos de resina poliéster podem ser encontradas de acordo com o tipo de base a
ser utilizada. A Tabela 4.1 exibe um quadro comparativo das vantagens e desvantagens desses
três tipos de resinas.
48
Tabela 4.1 – Quadro comparativo de resinas estruturais típicas.
Resina Vantagens Desvantagens
Poliéster Fácil de usar Propriedades mecânicas moderadas
Baixo custo
Alta contração durante a cura
Compatibilidade apenas com fibra de vidro
Vinil Éster Alta resistência química Geralmente é requerida pós-cura para
alcançar melhores propriedades mecânicas
Propriedades mecânicas
superiores às da resina poliéster
Alta concentração de estireno
Custo superior ao da resina poliéster
Boa adesão com fibras de vidro
Alta contração durante a cura
Fraca adesão com fibras de carbono e
Kevlar®
Époxi Altas propriedades térmicas e
mecânicas
Custo superior ao da resina vinil éster e
poliéster
Alta resistência à agua
(hidrólise)
Disponibilidade de trabalho por
tempos mais longos
Alta viscosidade durante seu processamento
Baixa contração durante a cura Longo ciclo de cura
Boa adesão com fibras de vidro
Fonte: www.redrockstore.com/resin.htm
4.1.4 Agentes de Cura da Resina de Poliéster
Efetua-se na presença de um iniciador de cura, o endurecimento da resina termofixa,
que compõe o compósito, que é geralmente um peróxido orgânico ou um hidroperóxido, que
comumente é utilizado na proporção de 1 a 3% do peso total da mistura resina + monômero.
(ALMEIDA e SILVA, 2001).
Encontram-se também os aceleradores de reação ou catalisadores propriamente ditos,
cuja finalidade é contribuir no início da decomposição dos iniciadores, a fim de acelerar o
processo de cura. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Os iniciadores de reação têm por propósito carregar a molécula de poliéster a um nível
energético que permita a reação de copolimerização, os iniciadores de reação devem ser
solúveis no monômero e não reagir com o mesmo.
Os aceleradores químicos submetem-se, portanto, dos iniciadores utilizados e podem
ser:
49
– Agentes redutores.
– Sais metálicos de metais pesados como sais de cobalto como naftenato de cobalto e
octoato de cobalto;
– Aminas terciárias dimetilanilina (DMA), dietilanilina (DEA) ou dimetilparatoluidina
(DMTP);
Possuir também, sistemas catalíticos que se utilizam de inibidores de reação, sendo os
mais frequentemente utilizados a hidroquinona, o terciobutilpirocatecol, o butilparacresol e a
benzoquinona. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
A seguir, serão citados os principais tipos de reforços aplicados na produção de
compósitos.
4.2 REFORÇO DE COMPÓSITOS
O reforço, em um compósito, é o material que associado à matriz polimérica
estabelece propriedades como aumento da resistência e rigidez das estruturas. São diversos
tipos de materiais que podem ser usados na fabricação do reforço dos compósitos, sendo que a
fibra de vidro é a mais aplicada. A definição do material de reforço não se faz casualmente,
precisa-se de um estudo para certificar qual seria o melhor reforço para determinado produto,
analisando as particularidades de cada tipo de reforço e as características desejadas para o
produto final, bem como os custos associados à produção. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
4.2.1 Fibra De Vidro
A fibra de vidro é o reforço mais utilizado em compósitos de matriz polimérica por
diversas razões. Por serem facilmente produzida, podem ser utilizada através do emprego de
variadas técnicas de fabricação, produz materiais com alta resistência específica, e quando
associada com diferentes resinas, possui uma inércia química que torna o compósito útil para
aplicações em meio a uma variedade de ambientes corrosivos. (CALLISTER, 2008). A Figura
4.3 mostra o tecido de fibra de vidro.
50
Figura 4.3 – Tecido de fibra de vidro.
Fonte: Almeida; Silva (2001).
Devido aos seus atributos favoráveis ela é usada em praticamente todos os segmentos
industriais, como indústrias civil, elétrica, automobilística, aeronáutica, etc.
Obtém-se por meio da fusão e fibrerização de diversos óxidos metálicos, é a dimensão
e natureza deste que determina o tipo de fibra de vidro produzido. Os tipos de fibras de vidro
se diferenciam por meio de uma letra, sendo as principais a fibra de vidro E, que é composta a
partir de alumínio, cálcio e silicatos de boro, designado a produtos que requerem de alta
resistência mecânica elétrica, e a fibra de vidro S, que é composta de magnésio e silicatos de
alumínio, quando se requer alta resistência mecânica. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Não são a toa que as fibras de vidro são os reforços mais utilizados, elas apresentam
uma sequência de qualidades favoráveis que fazem com que se opte por elas. Tais
propriedades são:
Alta resistência mecânica;
Boa resistência ao impacto;
51
Resistência à tração superior a quase todos os metais;
Resistência química à maioria dos microrganismos
Baixa absorção de água;
Baixo coeficiente de dilatação térmica;
Fácil moldagem das peças;
Excelentes propriedades elétricas;
Baixo custo;
Permite a obtenção de materiais translúcidos.
Incombustibilidade;
A Tabela 4.2 apresenta a composição química dos tipos de vidro encontrados no
mercado.
Tabela 4.2 – Composição dos vidros.
Componente Vidro E (%) Vidro S(%)
SiO2 52,4 64,4
Al2O3, Fe2O3 14,4 25,0
CaO 17,2 ---
MgO 4,6 10,3
Na2O, K2O 0,8 0,3
Ba2O3 10,6 ---
Fonte: Kaw (1997)
4.2.2 Fibras De Carbono
Primeiramente, era designado apenas a projetos aeroespaciais, porém com a rápida
evolução da tecnologia, hoje as fibras de carbono, são utilizadas praticamente por todos os
setores industriais. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
A fibra de carbono aumenta consideravelmente a rigidez do compósito na direção
longitudinal. Perfis em fibra de carbono que demandam reforço transversal são em geral
misturas de reforços de vidro transversais com fibra de carbono longitudinal ou mantas de
fibra de carbono costurada. Mantas de fibra de carbono costuradas possuem
52
significativamente um custo maior que todos os produtos de fibra de carbono longitudinais.
(RIOS, 2012).
As principais características das fibras de carbono são:
Alto módulo de elasticidade;
Baixo coeficiente de dilatação térmica;
Alta condutividade térmica.
Contudo, mesmo com bons atributos, este produto apresenta alguns problemas como
diferença de potencial em contato com outros metais e baixa resistência ao impacto. A
combinação de diferentes tipos de reforços pode causar problemas de deformação devido à
contração diferencial, quando a fibra de carbono tem um coeficiente negativo de expansão
térmica. Reforços compatíveis com um tipo de matriz polimérica podem não ser compatíveis
com outras. (RIOS, 2012).
Figura 4.4 – Tecido de fibra de carbono.
Fonte: http://www.engenhariacivil.com/aplicacoes-estruturais-materiais-compositos
4.2.3 Fibra De Aramida
Conhecida como Kevlar® (nome de propriedade da Du Pont®), a aramida passou a ser
introduzida em 1971, são fibras orgânicas aromáticas compostas de carbono, hidrogênio,
oxigênio e nitrogênio, possuindo baixa densidade, alta resistência à tração, baixo custo e alta
53
resistência a impactos. Sua produção se dá pelas técnicas padrões têxteis, havendo de acordo
com o seu processo de produção dois tipos distintos de aramida: as fibras de baixo módulo e
as de alto módulo de elasticidade. (RIOS, 2012).
Usada na fabricação de coletes a prova de balas e em substituição ao aço em pneus
radiais, as propriedades da aramida, vieram a consagrá-la também como reforço na produção
de compósitos para a indústria automobilística, aeronáutica, marítima, etc. As principais fibras
aromáticas são Kevlar® 29 e Kevlar® 49, utilizadas em cabos e na indústria aeroespacial,
respectivamente. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Figura 4.5 – Fibra de Aramida.
Fonte: http://www.rocarbon.com/
4.2.4 Fibras De Metal
O aço é um material comum, relativamente barato usado extensivamente na indústria,
no entanto, é difícil de fabricar em uma forma complexa torcida, e a resistência à fadiga do
aço é muito fraca em comparação com compósitos de fibra de vidro. (BURTON et al., 2001).
Outro metal que tem sido considerado para pás de turbinas eólicas é de alumínio
soldável. No entanto, a sua resistência à fadiga de 107 ciclos é de apenas 17 MPa, comparado
com 140 MPa da fibra de vidro e 350 MPa da fibra de carbono. (BURTON et al., 2001). O
alumínio foi por diversas vezes utilizado para pás de turbinas eólicas de pequeno porte,
geralmente para a produção de não trançados lâminas pela protrusão. (MANWELL et al.,
2002). No entanto, como o aço, o alumínio é pouco utilizado na prática.
54
As principais fibras metálicas são: ferro, aços inoxidáveis, níquel, cobalto, cobre,
alumínio, prata e ouro. As duas principais características gerais destes materiais são: a
resistência à corrosão e a condutividade elétrica, mas tendo cada uma delas suas próprias
peculiaridades. Em relação às fibras de vidro, apresentam algumas desvantagens, como alta
densidade e principalmente o preço. As fibras metálicas podem ser obtidas mediante
diferentes técnicas como, por exemplo, o laminado trefilado. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Figura 4.6 – Fibra metálica.
Fonte: http://portuguese.alibaba.com/gs-suppliers_xinlifilter
55
5 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
5.1 DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO
Existe uma serie de materiais e métodos possíveis para fazer pás de aerogeradore de
pequeno porte. A escolha dos métodos de produção, basicamente, depende dos materiais
especificados, tamanho e aerofólio da pá, bem como considerações econômicas. Pás de
turbinas grandes costumam usar uma estrutura sanduíche e geralmente são mais complexos do
que os pequenos. Apenas os métodos adequados para as pás de turbina eólica de pequeno
porte são discutidos aqui. Por exemplo, a madeira é um excelente material para as pequenas
pás. No entanto, a eficiência dos materiais desta abordagem é baixa e os custos são elevados.
Se a madeira sofre de um nó ou de outros defeitos, a pá tem que ser descartada e uma nova
deverá ser fabricada. Computer numerically controlled (CNC), fresadora de madeira, que foi
utilizado para as pás de 0,87 m de comprimento, na Figura. 5.1, é simples, mas provavelmente
é caro para o grande volume de produção. (WOOD, 2011; SONG, 2012).
Figura 5.1 – Lâminas de Madeira Longas.
Fonte: Wood (2011).
Seja qual for o método utilizado, bastante cuidado é necessário para reproduzir o perfil
de aerofólio do projeto. A Figura 5.2 mostra as medições da superfície de uma das pás na
56
Figura 5.1 perto da sua ponta, na região em que as diferenças significativas em forma de pá
podem ter grande impacto na produção de energia. (WOOD, 2011).
Cálculos inéditos de Barbara Van Bossuyt, usando programas computacionais
aerofólio XFOIL e RFOIL não indicam uma perda de potência significativa, devido à
alteração da forma como mostra na Figura 5.2. (WOOD, 2011).
Figura 5.2 – Superfície de uma pá da Figura 5.1. As cruzes mostram a superfície medida.
Desenho de aerofólio de perfil (SD7062) é a linha sólida.
Fonte: Wood (2011)
Para pás mais longas algumas formas de fabricação de compósitos são preferíveis para
os quais existem muitos material e problemas de fabricação partilhada com pás de grande
porte. (BRØNDSTED et al., 2005; DUTTON et al., 2010). Por exemplo, as pás de todas as
dimensões requerem rigidez suficiente para evitar a excessiva flexão sob carga, e uma baixa
inércia. Para grandes pás a segunda diz respeito aos custos de produção e transporte, enquanto
que para pequenas pás baixa inércia é mais importante para a partida. (WOOD, 2011).
Existe um enorme número de técnicas de fabricação disponíveis, de modo que só é
possível dar um esboço amplo e geral. Quanto às pás de grande porte, é desejável concentrar a
força estrutural em um laminado fino sobre a superfície da pá. O laminado é feito por
incorporação de material de reforço, tal como fibra de vidro ou fibra de carbono dentro de
uma resina. Por causa do alto nível de tensão centrífuga, é necessario reforço considerável na
direção radial, requentemente na forma unidirecional de Vidro-E. Além disso, reforço
“triaxial” nas direções 45°/90°/45° assim chamados, onde 90° indica reforço radial, é muitas
vezes utilizado para rigidez à torção. O esquema de reforço – o número, o tipo de material, a
sua localização e da extensão – requer um detalhado FEA (Finite element analysis). Por sua
vez, a FEA devem ser cuidadosamente verificados. (WOOD, 2011).
Moldes são necessários para o fabrico da pá compósita. Para grandes pás, estas são
muitas vezes feitas por modelos de usinagem finas que são então espaçados ao longo da
57
extensão com as aberturas cheias de resina e de reforço. Para pequenas pás, precisão
dimensional é crítica, moldes para usinadas são muitas vezes necessárias. A maquinagem de
moldes para pás de 2,5 m de comprimento é mostrada na Figura 5.3. (WOOD, 2011).
Figura 5.3 – Fabricação por usinagem (fresamento) da pá de 2,5 m de comprimento.
Fonte: Wood (2011).
Moldes separados foram realizados para a superfície inferior e superior, sendo cada
metade da pá feita por infusão a vácuo, como na Figura. 5.4. Após os moldes seram revestidos
com um agente de libertação, a fibra de vidro é colocada com a mão para fora do molde,
coberto por uma “camada de liberação”, um, “corredor de resina”, e Vacuum Bag. A fibra de
vidro não é visível na Figura 5.4 e uma vez que a libertação da camada é coberta pelo
promotor de fluxo de resina (verde) que é barato e facilmente obtido – shadecloth. A
libertação de lona é visível na parte inferior da Figura 5.4 do lado direiro. Uma combinação
do promotor e do “geocloth” forma o corredor resina ao longo da borda. Isto promove o fluxo
rápido de resina ao longo da lâmina, que é essencial para a forma elevada da proporção.
(WOOD, 2011).
58
O Vacuum Bag é selado pelo selante preto correndo em torno da aterragem plana do
molde e da porta de entrada de resina. Os dois tubos de saída brancas são claramente vistas na
parte superior do lado esquerdo da Figura 5.4 (a) e um na parte inferior do lado direito. Eles
estão ligados a uma bomba de vácuo que aspira a resina através do molde. A área escura
(verde) é a região molhada pela resina. Quando a pá inteira é molhada, as portas de entrada e
de saída são desligadas e bloqueadas permitindo deixar a resina curar. Pode ser necessário
aquecer as metades de pás para promover a cura. (WOOD, 2011).
Figura 5.4 – Infusão de vácuo da metade de uma pá de 2,5 m de comprimento. (a) Vista a
partir do cubo e (b) Vista da ponta.
(a) (b)
Fonte: Wood (2011).
Quando curada, a camada de libertação e o corredor de resina são desenrolados a partir
do laminado. Em seguida, as duas metades devem ser aparados e unidas. Isto pode ser um
processo demorado e que deve ser feito com cuidado, porque as metades das pás
provavelmente irá se juntar com as bordas anterior e posterior, que são aerodinamicamente
importantes. O bordo de fuga é relativamente fácil, porque as duas metades apresentam uma
boa área para a colagem, mas os laminados, que podem ser apenas de 1-2 mm de espessura, se
encontram em quase 90° na vanguarda. É importante ter alguma forma de „„glue
59
dam‟‟(represa de cola) para assegurar uma boa ligação. As medições da superfície de uma pá
feita por infusão a vácuo são mostradas na Figura 5.5. (WOOD, 2011).
Figura 5.5 – Medida da seção da pá de Aerogenesis 2,5 m longa. Gráfico inferior mostra
seção inteira. O gráfico superior destaca o bordo de. A diferença nos dados de superfície
inferior é devido à montagem de lâmina de corte para a medida.
Fonte: Wood (2011).
É evidente que a lâmina é muito fina em comparação com a concepção de aerofólio,
provavelmente como um resultado do modo que as duas metades se juntaram. A superfície
superior (com a maior parte da curvatura) foi colocada em um molde e a superfície inferior foi
aspirada para dentro dele após a aplicação da cola. Pensa-se que o vácuo é desviado da
superfície inferior para a superior. A parte superior da Figura 5.5 mostra uma vista ampliada
do bordo de fuga, o que demonstra claramente a técnica de fabrico. Espessura de borda de
fuga pode ser um problema para as pequenas pás, devido às exigências contraditórias de
espessura finita para a segurança e a integridade e a espessura mínima para reproduzir a forma
do desenho e suprimir o ruído de bordo de fuga. Isto surge a partir de vórtices atrás de um
bordo de fuga de espessura finita e é geralmente correlacionada com a razão de espessura da
borda de fuga à corda, é difícil de manter este parâmetro pequeno para pequenas pás. No
entanto, os cálculos de ruído sugerem que a bordo de fuga espessuras de 1-3 mm são
toleráveis para as pequenas pás. (CLIFTON-SMITH, 2010). Nenhum estudo computacional
foi ainda feito para estudar o efeito da alteração na forma de extração de potência da turbina.
Partes significativas da superfície (a favor do vento) superior de qualquer pá estarão em
compressão durante a maior parte da vida útil da turbina, de modo que é possível que uma pá
60
possa deformar. Para evitar isto, as pás maiores têm uma “teia de cisalhamento” ou uma
“verga”. Trata-se de uma caixa (na direcção de acorde) de curto mantendo a metade da pá
separada na região de espessura máxima. Nem todas as pequenas pás têm uma longarina, as
pás do Skystream são ocas.
Deve-se ficar claro a partir desta descrição que a infusão de vácuo requer cuidados e
trabalho considerável e por isso pode não ser adequado para a produção em volume,
trabalhadores mal-formados. Por outro lado, o seu custo de capital é pequeno, pelo menos
uma vez os moldes foram fornecidos, de modo que um bom método para que um numeros pás
fosse fabricado. Para um volume maior de produção, é utilizado, muitas vezes, o processo de
molde fechado, tal como o processo de RTM. Geralmente o RTM requer um núcleo que é
feito separadamente e, em seguida, colocado no molde juntamente com a fibra de vidro. O
molde é então fechado e resina injetada sob pressão. Se o molde é selado corretamente não
será necessário aparos. (WOOD, 2011).
Há diversa variação possível sobre infusão a vácuo e Resin Transfer Moulding (RTM),
como a light-RTM, vacuum assisted RTM, etc; e é possível fazer uso de laminados pré-
impregnado ou reforço „„prepreg‟‟. Além disso, é possível formar o núcleo e simultaneamente
a superfície do laminado. Há também uma escolha considerável nas resinas que podem ser
usadas. O mais comum para as pás grandes são viniléster, poliéster e resinas epóxi.
Fabricantes de pás de pequeno porte devem considerar seriamente o uso de resinas
desenvolvidas para grandes pás e devem atender as orientações recomendadas para cada uma.
Se usado corretamente, qualquer resina utilizada em pás grandes terá materiais com
propriedades apropriadas para as pequenas pás. (WOOD, 2011).
As resinas epóxi tendem a ser mais caras, mas em termos de custos de materiais totais
para uma pá é provável que seja pequena. Eles também tendem a ter uma vida útil longa e
excelentes propriedades de fadiga. Resinas de poliéster são geralmente mais fáceis de
manusear, porem têm um maior encolhimento e uma maior temperatura de cura. As pás da
Figura 5.6 foram feitas usando viniléster. A chave das propriedades da resina é a viscosidade,
o que determina quão bem ele flui e umidece para fora de um molde, vida útil, o que limita a
tempo de duração no qual as pás podem ser feitas, e a temperatura de transição vítrea, o que
determina a temperatura de cura. (WOOD, 2011).
61
Figura 5.6 – A pá Aerogenesis de 2,5 m de comprimento, em comparação com a pá LM
Glassfiber de 61,5 m de comprimento.
Fonte: Wood (2011).
É uma das ironias da vida que as resinas utilizadas para pás de turbinas eólicas são
todos os derivados de petróleo. Isto levou a um interesse significativo em alternativas
sustentáveis. Outros materiais sustentáveis, como bambu estão sendo investigados como
alternativas para reforços atuais. (HOLMES, 2009). Uma grande variedade de gel coats pode
ser utilizado para moldagem de pás a fim de proporcionar um bom acabamento de superfície.
Algumas resinas são mais adequadas do que outras para gel coat: resinas epóxi, por exemplo,
requerem normalmente um iniciador de ligação a um gel coat. (WOOD, 2011).
5.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
Existem diversos processos de fabricação de materiais compósitos. Para cada situação
especifica existe um processo de fabricação mais adequado. As particularidades consideradas
é o que levam a escolha do método mais adequado. Dentre eles:
Dimensão: Com maiores dimensões, assim como cascos de barcos, carrocerias de
caminhões, tanques e reservatórios necessitam de processos de produção distintos de
peças pequenas.
Custo de fabricação: Considera o custo do equipamento, do treinamento, da mão-de-
obra, da matéria-prima, do espaço utilizado, entre outros custos.
62
Produtividade: Considera a quantidade de peças a serem produzidas. Se acaso é uma
produção em série de grande quantidade, utilizada principalmente em indústrias, ou se
é uma produção de pequena quantidade, ou produção de peças unitárias como
protótipos e modelos.
Repetibilidade: Processos manuais tendem a ter uma menor repetição e a uma maior
variação na dimensão e qualidade das peças produzidas. Diferente dos processos
automatizados.
Volume relativo de fibra: Alguns métodos são mais adequados à produção de peças
com baixa porcentagem de fibras. Outros métodos conseguem naturalmente altas
proporções de fibra na composição do compósito.
(ALMEIDA e SILVA, 2001).
De acordo com a ABMACO, Associação Brasileira de Materiais Compósitos, os
processos de fabricação mais utilizados no Brasil são:
o Spray-up (laminação por pistola) que é utilizado em 59%;
o Hand-lay-up (laminação manual) com 14% ;
o Laminação continua e derramamento com 7% cada método;
o Vaccum bag, pultrusão e filamento winding tem apenas 1% cada método;
(ALMEIDA e SILVA, 2001).
5.2.1 Laminação à Pistola (Spray–Up)
O processo de moldagem à pistola consiste na aplicação simultânea de resina e fibras
de vidro sobre o molde. Essa aplicação é feito por meio de equipamentos especiais
denominados pistolas laminadoras que proporciona uma maior uniformidade na distribuição
das fibras, e um maior controle e uma maior reprodução em resultados das propriedades da
peça que está sendo produzida. (RIOS, 2012).
No inicio do processo de laminação à pistola, deve-se preparar o molde, realizar uma
limpeza e a aplicar o desmoldante, como também é feito na laminação manual. Processo de
molde aberto trata-se de um processo onde o gel coat deverá se aplicado para, em seguida, se
aplicar a mistura de resina e fibras de vidro. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
63
Após passagens sucessivas da pistola obtém-se a espessura final, sendo que a primeira
demão de resina pura, e as passadas em seguida constituídas da combinação resina/fibra de
vidro. A peça deve ser roletada e reacomodada no molde depois de cada etapa de laminação, e
a cada aplicação de 4 mm, deve-se ocorrer um intervalo no processo. A pistola precisa ser
calibrada para que possam ser aplicadas as quantidades desejadas de fibra de vidro. De acordo
com a Figura 5.7. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
O custo de mão-de-obra é relativamente alto e a qualidade depende do laminador,
porém os custos de produção também são baixos e a laminação à pistola possui algumas
vantagens em relação à manual, como, maior rendimento produtivo, menor número de perdas
e a possibilidade de laminação de peças maiores, melhores resultados para peças mais
complexas. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Como o processo de laminação é derivado do processo manual, a laminação à pistola é
adequada para fabricação de peças médias a grandes que possuam formato simples e somente
uma face regular, sendo muito empregada em lanchas, piscinas e banheiras de acrílico.
(ALMEIDA e SILVA, 2001).
Figura 5.7 – Laminação à pistola.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
O processo de moldagem à pistola ocorre de forma bastante semelhante à laminação
manual. A grande diferença entre os dois é a forma de aplicação da mistura fibra/resina.
Processos mais modernos de abrangem o emprego de autoclaves ou sistemas a vácuo, de
64
forma a ter uma maior segurança quando for retirada para que a peça em produção não tenha
irregularidades. Esses recursos oferece uma maior produtividade na melhor capacidade de
preparação da peça, também possibilita a utilização de sistemas de resina com reações mais
rápidas de cura. Desta forma, produz peças com um melhor acabamento e consistência, com
em peças de alta qualidade relacionados à maior produtividade fabril. (RIOS, 2012).
5.2.2 Laminação Manual (Hand Lay Up)
No método de laminação manual acontece o emprego de consecutivas camadas de
fibras e resina acima do molde até se alcançar a espessura desejável. A resina é formulada
com endurecedores e aditivos e, em poucos casos, contém a fibra que será usada como
material reforçante. Geralmente, a execução do processo é manual, a partir de aplicações das
camadas até o controle do acabamento da peça final, convertendo-se em um processo quase
artesanal de produção de compósitos. (RIOS, 2012).
A laminação manual é um dos mais simples e antigos processos de fabricação de
fibras de vidro. Por ser de baixo custo, quase não requer equipamentos específicos, sendo
aplicados nesses seguintes equipamentos:
– Roletes para compactação de laminados;
– Facas, espátula e tesoura;
– Molde;
– Pincéis;
– Pistola para a aplicação de gel coat;
– Desmoldantes;
– Balança.
– Dosadores;
Antes do inicio do processo de laminação manual, é necessário realizar a preparação
do molde, fazendo-se a limpeza e aplicando o desmoldante, que pode ser cera de carnaúba ou
álcool polivinílico (PVA). A laminação é feita em molde aberto e contra este, a superfície do
molde deve ser coberta com gel coat a pincel ou pistola, se desejado um acabamento mais
aprimorado. A resina líquida, na maioria, poliéster insaturado, é mistura no molde com fibras
65
de vidro, dando inicio a uma peça moldada e resistente, proporcional à combinação de
concreto com reforço de barras de aço. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
São aplicadas com pincel ou rolete, várias camadas de resina para o assentamento das
fibras, remoção de bolhas e reforço da espessura. Em geral, não são recomendadas mais de
três aplicações de manta, já que o excesso da resina de reforço pode vir a ocasionar exotermia,
que leva ao esbranquiçamento da fibra, empenamento da peça e queima do gel coat. Mostrado
na Figura 5.8. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Em alguns casos, pode se fazer necessário o uso de materiais de núcleo, a fim de
aumentar a rigidez, diminuir o peso, ou conferir flutuabilidade para a peça. Neste caso, a
incorporação destes materiais deve ser feita com extremo cuidado, sendo os materiais mais
indicados para tal a madeira balsa, a espuma rígida de poliuretano e a colmeia.
É uma técnica tradicional utilizada na construção do barco durante muitas décadas e
tem sido aplicado com sucesso em pá de turbina. (BRØNDSTED et al., 2005). O método é
relativamente simples, o baixo investimento, a facilidade de se fazer mudanças no projeto e a
possibilidade de laminação no campo são as vantagens desse método, porém mesmo diante de
tantas vantagens, algumas desvantagens devem ser levadas em consideração, esse processo
requer uma grande quantidade de trabalho e uma vez que a qualidade do produto depende da
habilidade do construtor, é difícil assegurar a fiabilidade de alta resistência. Este método de
laminação, geralmente, é utilizado em peças de formato simples. (SONG, 2012).
Figura 5.8 – Laminação manual.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
66
5.2.3 Sheet Molding Compound (SMC)
Com o grande crescimento industrial que ocorreu nos anos 60, notou-se a grande
necessidade de se obter grandes produções de peças em compósitos. Isso aconteceu,
principalmente, na indústria automobilística, onde esse acontecimento se fez bastante
presente, sucedendo um grande desenvolvimento nos processos de moldagem de compostos
reforçados com fibra de vidro. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
A partir disso, a indústria de resinas de poliéster também progrediu, possibilitando
maior importância no setor de sistemas de espessamento de resinas, o que capacitou a
fabricação dos SMC (Sheet Molding Compound). (ALMEIDA e SILVA, 2001).
O processamento do SMC possui três etapas: preparação da pasta-matriz, conformação
do pré-impregnado e prensagem ou injeção da peça final:
Preparação da pasta-matriz: É uma mistura de resina poliéster altamente reativa, com
aditivos diversos, como por exemplo: catalisador, agente espessante, agente
desmoldante, pigmentos e cargas minerais. Esta combinação de componentes é feita
em um tanque acoplado a um misturador. Após a mistura, a pasta-matriz final deve
apresentar viscosidade de 15.000- 30.000 cp para que, na etapa seguinte, possa ocorrer
a impregnação das fibras de vidro. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Conformação do pré-impregnado: Dá-se a impregnação das fibras de vidro pela pasta-
matriz. Por processo contínuo, a pasta-matriz é bombeada à máquina de SM com 1 a
2% de agente espessante, daí, a pasta-matriz é distribuída de maneira uniforme em
duas folhas com um filme suporte. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Prensagem ou injeção da peça final: A etapa final do processo de produção do SMC
pode ser feita tanto por moldagem via compressão, como por injeção.
A aplicação deste processo é na fabricação de peças em séries elevadas, porém, as
imposições feitas aos moldes e aos equipamentos são maiores em virtude do nível de
temperatura, resultando em um investimento maior. Para obter uma peça final através da
polimerização da resina mediante um processo combinado de pressão e temperatura, é
necessário que a prensagem trabalhe com pré-impregnados, que consiste em pressionar contra
o molde uma mistura de fibras, resinas, cargas, aditivos e sistema catalítico, obtendo-se uma.
Mostrado na Figura 5.9. (FELIPE, 2008).
67
Vantagens do Processo:
– Larga flexibilidade de design;
– Alta resistência mecânica;
– Grande resistência a impactos;
– Facilidade de pintura;
– Resistência à corrosão;
– Bom nível de acabamento superficial;
– Boa adaptabilidade a processos automáticos;
– Baixo peso;
– Processo de produção ecológico.
– Possibilidade da colocação de insertos metálicos;
Figura 5.9 – Máquina SMC.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
5.2.4 Processo de Moldagem por Membrana (VACUUM BAG)
O processo de moldagem a vácuo compõe um refino do processo manual cuja
superfície externa do composto é revestida por uma membrana e, com o uso de vácuo ou de
pressão externa se alcança: (ALMEIDA e SILVA, 2001).
68
o A melhoria de qualidade da superfície externa;
o A remoção do excesso de resina, no caso de moldagem molhada. Isso representa
aumento na resistência do composto pelo aumento do volume relativo de fibras;
o Expulsão de bolhas de ar aprisionadas. Esse ar, se deixado, pode em alguns casos,
chegar a 5% em volume. Com a expulsão, chega-se a valores como 0,1% do composto
curado.
Os processos de moldagem por membrana são dos mais antigos. É comum dividi-lo
em três tipos: (MENDONÇA, 2005).
o Moldagem a vácuo;
o Moldagem a pressão;
o Moldagem em autoclave.
Não necessariamente excludentes, os processos são em geral utilizados em conjunto.
Os processos de moldagem a vácuo e a pressão são análogos, mostrado na Figura 5.10 e
Figura 5.11.. As principais etapas do processo à vácuo são:
o Cobrir o moldado com uma película separadora perfurada, para evitar a adesão com as
demais membranas;
o Cobrir o conjunto com uma película de plástico, formando uma bolsa;
o Aplicar lentamente o vácuo enquanto se posiciona a bolsa plástica sobre o moldado,
retirando-se o excesso de ar;
o Cobrir a película separadora com camadas de material poroso, para permitir o fluxo de
ar e a saída do excesso de resina;
o Manter o conjunto sob pressão ou vácuo até que a cura se complete, a temperatura
ambiente ou em forno.
o Posicionar uma tira de junta, ou de um material que isole a passagem de ar, logo após
a borda do moldado; De acordo com a Figura 5.10.
69
Figura 5.10 – Moldagem à vácuo.
Fonte: Mendonça (2005)
O processo por autoclave é o é o processo-padrão na indústria aeroespacial. É usado
na fabricação com pré-impregnados, embora, em geral, possa ser usado com qualquer tipo de
fibra nos processos molhados. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Figura 5.11 – Moldagem por pressão.
Fonte: Mendonça (2005)
Autoclave é simplesmente um vaso de pressão aquecido, no qual todo o conjunto é
submetido a um ciclo especificado de temperatura e pressão para a cura com é mostrado na
Figura 5.12. As pressões aplicadas ficam na faixa de 0,25Mpa a 0,7Mpa (2,5atm a 7,0atm).
(ALMEIDA e SILVA, 2001).
70
Figura 5.12 – Moldagem em autoclave.
Fonte: Mendonça (2005)
5.2.5 Processo de Prensagem a Quente ou Frio
Indicado para grandes produções em série, onde se deseja obter 1000 a 10000 peças
por ano, como por exemplo: cadeiras, caixas de distribuição de eletricidade e bandejas.
O processo ocorre da seguinte maneira, deposita-se o reforço em todo o contorno da
cavidade do molde e acima da resina, aplica-se força de pressão permitindo assim a obtenção
da peça. A compressão pode ser feita a quente ou a frio. No processo a quente são utilizadas
altas temperaturas e tem-se um ciclo de moldagem mais rápido frio, enquanto na compressão
a frio a polimerização é obtida à temperatura ambiente.
A resina usada neste processo é a resina poliéster de alta reatividade e pode- se
adicionar cargas minerais para redução de custo e aumento de dureza. O molde é constituído
por um punção e uma matriz, devendo apresentar características mecânicas que lhe permitam
resistir à pressão da moldagem, tendo que ter uma boa estabilidade dimensional a
temperaturas de 45°C a 80°C, pois é o nível de temperatura alcançada durante o ciclo de cura
da resina. Caso queira acelerar o processo de cura da resina, se utiliza temperatura. Mostrado
na Figura 5.13. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
71
Figura 5.13 – Processo de prensagem a quente e/ou a frio.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
5.2.6 Bulk Molding Compound (BMC)
O BMC é uma combinação de resina poliéster insaturada, com catalisador, cargas
minerais, fibras de vidro picadas, pigmentos e outros aditivos. A moldagem por injeção de
BMC é usada para produzir componentes complexos tais como, peças que necessitem de boa
estabilidade dimensional, acabamento superficial e boas características elétricas e mecânicas,
sendo empregado principalmente na indústria elétrica de isoladores, chaves de contato, caixas
de produtos elétricos e ferramentas em grandes escalas industriais. (ALMEIDA e SILVA,
2001).
O processo de prensagem é empregado na fabricação de peças de séries médias,
permitem a utilização de moldes de PRFV e prensas de baixas cargas, de acordo com a Figura
5.14. As resinas mais utilizadas neste processo são as de poliéster e estas resinas devem ser de
viscosidade média e normalmente são adicionadas a elas cargas para aumentar o índice de
rigidez das peças. Ao se utilizar temperatura pode utilizar o processo de fabricação utilizando
uma injetora, desta forma podemos fazer o uso de resinas termoplásticas (MENDONÇA,
2005).
O processo de BMC possui duas etapas:
72
Preparação do composto - Com exceção do reforço (fibra de vidro), as cargas
minerais, o catalisador, a resina poliéster e os outros componentes da fórmula neste
período inicial de preparação são pré-misturados num misturador sigma à alta
velocidade, para que se forme a pasta-matriz. Evitando atingir temperatura superior a
40° C, a pasta-matriz tem de ser totalmente homogeneizada na parte inicial do
processo. Em seguida, adiciona-se o reforço à pasta-matriz e reduz-se a velocidade do
misturador, a fórmula completada é novamente misturada, com a finalidade de garantir
a impregnação e o não desmanche do reforço. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Prensagem ou injeção da peça final - A etapa final do processo de fabricação do BMC
pode ser feita de duas maneiras, por prensagem ou injeção. A prensagem é o método
mais empregado, devendo ser feita em uma prensa que possa aplicar uma pressão
entre 50 e 70 kgf/cm², usando-se moldes de aço com cromo duro para grandes
produções e moldes de metal macio para escalas menores. (ALMEIDA e SILVA,
2001).
Neste processo, o BMC é pesado e colocado sobre o molde aquecido a 150° C,
cobrindo 50 a 80% do molde. A pressão faz com que material flutue, preenchendo todo o
espaço entre a matriz e a punção. Deve-se exercer sobre a peça uma pressão positiva
constante, a qual curará a peça por tempo determinado pela espessura requerida da peça. Por
fim, realizar-se-á o ajuste da reatividade do sistema, a polimerização da resina, para então a
peça ser desmoldada e colocada num berço para seu resfriamento. (ALMEIDA e SILVA,
2001).
Ao contrário do SMC, no processo BMC não é necessário recorrer à etapa de aumento
da viscosidade, isto é, a etapa de espera, por vezes denominada de maturação.
73
Figura 5.14 – Processo de BMC.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
5.2.7 Laminação Contínua
Neste processo se adquire um compósito na forma de lâmina. Para a execução desse
processo é necessário impregnar com resina o reforço, cujo mesmo é transportado mediante
um filme usualmente utilizado rovings cortados ou contínuos. A cura da resina é feita de
forma gradual dentro de uma estufa com o auxílio dos chamados moldes de perfil, cujos os
filmes que foram utilizados devam ser rebobinados no final do processo antes de haver o corte
da borda lateral e transversal. O processo de laminação contínua é utilizado para aplicações no
setor de construção civil como a produção de telhas onduladas e telhados de estufas em
configurações lisas e onduladas. (FELIPE, 2008).
74
Figura 5.15 – Processo de laminação contínua.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
5.2.8 Resin Transfer Moulding (RTM)
O processo de injeção de resina (RTM) possibilita a moldagem de componentes com
forma complexa e vasta área de superfície com um adequado acabamento de superfície em
todos os lados, distinguindo-se ainda por permitir um alto ciclo de produção, uniformidade de
espessura, melhoria ambiental, encapsulamento de buchas, apresentando uma perda pequena
de matéria-prima e nervuras e a utilização de cargas minerais. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
O processo descreve-se da seguinte forma. Os reforços são colocados no interior do
molde, antecipadamente, antes de fechá-lo e prende-lo firmemente. A cavidade do molde que
é duro e fechado tipo punção matriz, pode conter um ou vários pontos de injeção para a
entrada da resina com cargas minerais e aditivos. Podem ser utilizadas resinas poliésteres,
fenólicas, epóxi e acrílicas. Podem ser usadas resinas de baixa retração, para melhorar o
acabamento de superfície e aparência. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Possui muitas aplicações em transporte como cabines de caminhão, tratores e
colheitadeiras.
75
Figura 5.16 – Processo RTM.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
5.2.9 Enrolamento Filamentar (Filament Winding)
Enrolamento filamentar é um método utilizado na indústria aeroespacial que também é
popular em turbinas eólicas. (BRØNDSTED et al, 2005; MANWELL et al, 2002). Este
método é usado com compósitos de fibra de vidro ou materiais similares. Este processo é
excepcionalmente racional na fabricação de peças cilíndricas como tubos ou dutos, obter
produtos ocos, canos, tanques e reservatórios, e substitui quase por completo, outros métodos
de fabricação neste setor. (SONG, 2012).
Nessa operação, os filamentos contínuos de fibra de vidro (rovings) são desenrolados e
impregnados com a resina e aditivos por meio de imersão completa ou por cilindro de
transferência. Depois de impregnados, são então enrolados em diversas camadas sobre um
mandril rotativo, sendo então encaminhados para a polimerização ou cura, que se faz em
fornos ou com luzes infravermelhas sempre com o mandril em rotação (FELIPE, 2008). O
método pode ser realizado automaticamente. Uma desvantagem é que não pode ser aplicada a
superfícies de sustentação côncavas: muitos aerofólios recentemente desenvolvidos para
pequenas turbinas eólicas incluem superfícies côncavas. (MANWELL et al, 2002; CLAUSEN
et al., 2000.).
Os custos variáveis das estruturas enroladas são menores que os daqueles de igual
geometria feitas por outros processos. Isto acontece devido a menor espessura de parede e a
76
redução da mão-de-obra direta para laminação. Porém os custos fixos podem ser mais
elevados devido ao maior investimento em máquinas e equipamentos. (FELIPE, 2008).
Figura 5.17 – Processo de enrolamento filamentar.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
5.2.10 Pultrusão
O processo de pultrusão é um processo em contínuo, que consiste em tracionar fibras
impregnadas com resinas o reforço (fibra de vidro provenientes de rovings ou mantas),
através de moldes aquecidos. A mistura fibra/resina ocupar toda geometria do molde, de
modo que a temperatura do molde estimulará o iniciador de reação presente na mistura,
ocasionando desta forma o crosslink polimérico ajustado ao perfil. O perfil curado é então
cortado no comprimento desejado.
Por imersão em cubas de impregnação obtém-se a impregnação, incluindo resina
aditivada com iniciador e desmoldante ou por processo de injeção da mistura resina/aditivos
exatamente no molde, sendo o primeiro o mais usual. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
77
Os reforços são baseados principalmente nos rovings diretos dispostos de maneira a
proporcionarem um reforço longitudinal. Outros tipos de reforços são mantas de fios
contínuos ou tecidos que proporcionam o reforço transversal e também os véus de
acabamento superficial. (ALMEIDA e SILVA, 2001).
Os perfis obtidos por este processo são contínuos, maciços ou vazados, retilíneos ou
curvos, porém de seção constante. As vantagens deste processo consistem de produção
contínua para séries elevadas, pouca necessidade de mão-de-obra, grande variedade de perfis
e grande variedade de propriedades mecânicas em função da natureza e porcentagem de
reforço utilizado. Perfis pultrudados são usados em diversas aplicações, como nas áreas
elétrica, de corrosão, de construção e mercados de bens de consumo. (ALMEIDA e SILVA,
2001).
Figura 5.18 – Processo de pultrusão.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
5.2.11 Centrifugação
Este processo é utilizado para obter estruturas ocas de grandes diâmetros com a ajuda
da força centrífuga, como por exemplo, tubos e tanques para instalações químicas, petrolíferas
e alimentícias, mas também tem sido utilizado para a produção de postes para iluminação
elétrica e telefonia. (FELIPE, 2008).
78
O processo ocorre da seguinte maneira, sob o efeito da força centrífuga, o reforço e a
resina com aditivos são colocados e fixados num molde metálico rotativo e cilíndrico, e a
resina impregna o reforço. (FELIPE, 2008).
A centrifugação é um processo que permite obter superfícies lisas, e uma camada
interior rica em resina. A velocidade de rotação elava-se até que a velocidade de moldagem é
atingida, sendo que estar sujeito a diversos fatores tais como natureza do reforço, espessura e
diâmetro da peça, tipo e viscosidade da resina dentre outros.
Figura 5.19 – Processo de centrifugação.
Fonte: SAINT-GOBAIN-VETROTEX
79
6 ANÁLISE E APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS
O mercado global de energia eólica vem crescendo em torno de 23% ao ano nos
últimos 10 anos, com grande expectativa de crescimento nos próximos. A seleção e aplicação
de aerogeradores para geração de energia elétrica constituem-se numa alternativa tecnológica
ainda muito pouco utilizada no Brasil. Atualmente, no competitivo mercado de energia eólica,
os produtores de geradores eólicos estão estendendo seu alcance para fornecer às companhias
de energia, turbinas elétricas geradoras de energia mais eficientes e a um custo cada vez
menor.
O Rio Grande do Norte possui hoje, segundo dados da Agência Nacional de Energia
Elétrica, 14 usinas eólicas construídas e 44 usinas em construção, totalizando 58 parques
eólicos com capacidade instalada de praticamente 1.540 mwh. (FREIRE, 2013).
Porém esses números ainda não dão conta do volume total de investimentos
programados para o setor. Segundo o Programa de Aceleração do Crescimento (PAC) o
estado conta com 78 usinas eólicas em diferentes fases de implantação. (FREIRE, 2013).
As usinas eólicas a serem instaladas no RN e listadas no PAC demandarão
investimentos da ordem de R$ 9,4 bilhões entre 2011 e 2014. Estes investimentos será os
maiores realizados no estado nesse período. Nenhum outro conjunto de investimentos no RN
demandará tantos recursos quanto à instalação das usinas eólicas. (FREIRE, 2013).
Infelizmente o RN, apesar de vir se constituindo em um dos principais polos de
geração eólica do país, o estado está mal colocado na cadeia produtiva de geração eólica.
Mesmo com todos esses investimentos e com considerável volume de equipamentos
necessários para a construção desses parques o estado não conseguiu atrair uma única fábrica
produtora desses equipamentos. (FREIRE, 2013).
O maior benefício, no entanto, não está na energia gerada que pode servir como fonte
de consumo dos potiguares no futuro, mas em criar uma alternativa de investimento muito
favorável no estado, com a criação do emprego, não só na implantação das usinas, mas na
operação e manutenção delas. (MOURA, 2013).
Todos os elementos utilizados para construção dessas usinas de alto valor agregado
estão vindos de fora. A principal causa limitante para o estado não atrair tais indústria foi a
ausência de um porto com localização adequada para a movimentação de cargas. Devido as
dimensões dos equipamentos envolvidos, o porto de Natal não possui condições operacionais
para a entrada e saída de tais equipamentos. (FREIRE, 2013).
80
Caso o estado tivesse atraído essas indústrias de equipamento, geraria emprego, renda
e tributos para os cidadãos. Além disso, tais indústrias teriam como mercado o mundo inteiro.
E a energia eólica no estado do Rio Grande do Norte estaria se tornando cada vez mais
viável. E os motivos para justificar tal sucesso seriam muitos. O primeiro seria o
desenvolvimento tecnológico. (FREIRE, 2013; MOURA, 2013).
Com base na literatura disponível, foi elaborada uma analise comparativa, mostrada na
Tabela 6.1, dos processos preferenciais para fabricação de pás de aerogeradores de pequeno
porte no estado do Rio Grande do Norte. E por meio de sugestões, determinar os fatores
necessários para a implantação deste procedimento no estado.
O estudo da viabilidade econômica é fundamental para fabricação de pás compósitas
para aerogeradores eólico de pequeno porte. A partir de crescentes iniciativas de pesquisa no
setor, apresenta um papel importante na questão do desenvolvimento científico e tecnológico,
que é o caminho para, no longo prazo, o estado poder alcançar uma posição de menos
dependência tecnológica estrangeira para o setor eólico.
Para essa análise, Tabela 6.1, foi atribuído três fatores importantes para esse estudo,
que são: os custos, a automação aplicada no processo e os tipos de aplicação.
Custos: podem referir-se aos gastos com o estudo de viabilidade técnica, negociações
e desenvolvimento, projetos de engenharia, custos dos equipamentos, custos da
operação, infraestrutura, mão-de-obra especializada e despesas diversas.
Índice de automação do processo: Está associado com a utilização de máquinas,
equipamentos extras para realizar o processo. Cada processo irá dispor de
equipamentos sendo alguns mais simples e outros mais complexos.
Tipos de aplicação: Refere-se à classe de aerogeradores que o processo é mais
utilizado (pequeno, médio e grande porte).
A partir da analise da Tabela 6.1, decidiu-se utilizar o método Laminação Manual
(Hand-Lay-Up), tendo em vista o seu baixo custo, a possibilidade de bom acabamento, e o
fato de ser um método ultra convencional de se construir qualquer produto em compósitos.
Considerando a não existência de um programa específico de estímulo à utilização da energia
eólica de pequenos aerogeradores no país, utilizou-se esse trabalho para aproximar o objetivo
de análise de viabilidade proposta no inicio do mesmo.
81
Tabela 6.1 – Análise comparativas dos processos de fabricação.
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82
Somente será possível esse modelo, no caso do Rio Grande do Norte, optar por
desenvolver tecnologias para as indústrias, como a necessidade de produzir fibra de vido no
estado. Embora ainda exista um problema na questão do número de pesquisas, com
participação de universidades, Governo e empresas nacionais, que é pequeno e de forma
descontinuada, o que torna o estado dependente de tecnologia externa. Mercado, potencial e
investidores interessados existem.
Para realizar o processo de fabricação pelo método de laminação manual, é necessário,
primeiramente, a disponibilização de reforços de fibra de vidro que serão colocados sobre um
molde com esforço manual, de forma a dispersar a resina de modo uniforme e esperar ate a
polimerização final da resina.
Os equipamentos mais utilizados nesse processo são:
Pistola de gel coat;
Rolete tira bolha;
Tesoura para corte de mantas e tecidos ;
Pincéis de cerdas duras;
Trinchas para aplicação da resina;
Espátulas e estiletes para rebarbagem;
Cunhas de madeiras ou termoplástico para auxilio de desmoldagem;
Lixadeiras para acabamento.
Sequência operacional
Aplicação de desmoldante sobre o molde limpo e seco;
Aplicação do gel coat com rolos ou pistolas;
As vantagens do processo de laminação manual são:
Baixo custo de manutenção;
Molde simples e barato;
As peças obtidas por este processo apresenta uma face lisa e de excelente acabamento
superficial;
Resistência à corrosão;
Nenhuma restrição ao tamanho das peças;
83
Alta resistência à tração, flexibilidade e impacto;
Leveza;
Não conduz corrente elétrica, sendo usado como isolante térmico;
E as desvantagens do processo:
Processo demorado;
Laminação não é totalmente uniforme;
Alta incidência de mão-de-obra;
Qualidade depende da habilidade do laminador;
O objetivo final da analise consiste em priorizar a simplicidade para inicializar a
produção desse componente, a pá, no estado que possui uma indústria que teve desempenho
bastante precário em 2012. A partir de isso optar por um processo que não necessite de tanta
automação, destacando processos manuais que possibilitará a fabricação de pá local, com um
determinado tipo de investimento. Tais investimentos no campo de mão-de-obra
especializada, de fabricação de moldes, capacitação no processo com um todo, para que seja
viável efetua-lo no Rio Grande do Norte.
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7 CONCLUSÃO
A partir das pesquisas bibliografias e dos demais artigos científicos utilizadas neste
trabalho, é possível concluir que desde que o estado invista em um processo de fabricação
especifico, de baixo custo e com um índice de automação aceitável, existe uma possibilidade
de implantação de tal processo na indústria potiguar.
Os dados obtidos a partir das variáveis analisadas mostram que o melhor caminho para
que a indústria potiguar introduzir no ramo de fabricação de pás compósitas é por meio de
aerogeradores de pequeno porte.
O método adotado para a fabricação das pás do aerogerador de pequeno porte, com
base na analise, e apresentou os melhores resultados no quesito nível de tecnologia e baixo
custo de aplicação foi o processo de laminação manual. A escolha de tal método representa,
de acordo com a literatura, que o uso de um processo tradicional, de baixa tecnologia e que
requerem poucos investimentos e conhecimentos técnicos muitas vezes podem ser decisivos
na escolha do processo produtivo a ser adotado pelas empresas.
Pode-se concluir que com novas pesquisas e estudos, as pás de aerogerador de
pequeno desenvolvido a partir de fibra de vidro, podem ser aprimoradas, alcançando uma
tecnologia com eficiência o suficiente para apresentar um bom custo-benefício em ser
instalado e utilizado nas regiões potiguares. Desta forma poder-se-ia ter turbinas eólicas em
todas as partes do estado, o que diminuiria a produção de energia elétrica a partir de
combustíveis fósseis, melhorando a qualidade do ar e preservando a natureza.
85
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