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Análise da Geração de Energia Elétrica através dos Ventos

Darlei José Battistella Giareta, Diogo Cardozo de Souza, Lucas Raniere Gonçalves,

Thiago da Silva , Wellington João Gonçalves

RESUMO

O presente trabalho tem como objetivo ilustrar como ocorre o processo de geração de energia

através de aerogeradores, seus componentes e como interagem no conjunto, apresentando as

vantagens e desvantagens deste meio de geração. Demonstrará também quais os tratamentos

necessários pelos quais a energia passa até ser disponibilizada nas indústrias e residências.

Referente ao trabalho prático serão descritas as condições para gerar energia através de um

motor elétrico também serão explanados os recursos utilizados para manipular a energia

gerada. Com o auxílio o LabVIEW (software de linguagem de programação gráfica originária

da National Instruments), foram obtidos dados do wattímetro e mensura da velocidade do

vento através do anemômetro apenas para leitura e posterior aplicação dos recursos

estatísticos.

Palavras-Chave: aerogeradores, energia eólica, geradores, motores síncronos, energia

limpa, sustentabilidade.

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INTRODUÇÃO

Nos atuais dias, em que a tecnologia avança a largos passos, o desenvolvimento

econômico encontra-se acima de qualquer coisa e consequentemente, a demanda por energia

elétrica é cada vez maior. Por muito tempo, essa demanda foi atendida pela queima de

combustíveis fósseis, o que trouxe problemas graves ao meio ambiente, tais como: chuva

ácida, efeito estufa, aquecimento global, etc. Portanto, torna-se necessário que o ser humano

busque novas fontes de energia renováveis e não poluentes, para que haja uma combinação

rentável entre proteção do meio ambiente e desenvolvimento econômico. Infelizmente não

existe conversão de energia sem algum impacto ambiental. Tendo isso em mente, a energia

eólica foi a escolhida para esse projeto pois representa uma excelente fonte renovável para

produção de energia elétrica e apresenta um baixo impacto ambiental, além de seus custos de

instalação e manutenção diminuírem a cada ano, o que a torna rentável ao longo do tempo.

Dessa forma, e fazendo uso dos conhecimentos de Cálculo (Operações matemáticas de

derivações), Engenharia e Sustentabilidade (Energias Renováveis), Física I (Conversões de

Energia – Mecânica em Eletrica, etc), Eletricidade (Corrente Alternada – Formas de Onda,

Funções de Onda e Transformadores – Relação de Transformação) e Estatística (Tratamento

de Dados – Tensão Média, Relação de Tensão e Velocidade do Ar), o objetivo do trabalho foi

utilizar do mesmo princípio de Faraday para gerar energia elétrica, através de uma força

eletromotriz (FEM). Através de fórmulas matemáticas é possível estimar a potência

disponível em uma determinada seção transversal de ar e assim relacioná-las com os dados

obtidos nos experimentos práticos, através de ferramentas estatísticas e também apresentar

tabelas e gráficos das potências disponíveis e das potências geradas, gerando um comparativo

de eficiência (BOYLESTAD, 2004). Com o auxílio de um osciloscópio, é possível ver a

forma de onda gerada na saída do gerador, utilizando de alguns princípios de eletricidade e

com as informações obtidas, pode ser descrita a fórmula da forma de onda da tensão. Para

exemplificar o processo de elevação de tensão para transmissão, o uso do transformador

mostra que seu comportamento obedece algumas expressões características que podem ser

escritas através de cálculos teóricos e testes práticos.

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2 METODOLOGIA

2.1 Geração de energia eólica

A geração de energias renováveis através de aerogeradores, ocorrem com a utilização

dos ventos que consistem em diferenciais de pressão. Esse modo de conversão de energias,

utiliza de princípios físicos para a obtenção de eletricidade. A captação do vento através das

pás, possibilita a rotação de um rotor que está acoplado em um gerador. A tensão gerada é

enviada até uma central de energia e é utilizada como complemento dos outros meios de

geração, visto que depender somente dessa fonte de energia ainda é arriscado por ser

necessária a presença contínua de ventos (CUSTÓDIO, 2009).

O potencial eólico disponível pode ser definido como a energia cinética que passa

através das pás do gerador em um determinado tempo (IVONI, JORGE, 2006). Então a

energia cinética da massa de ar pode ser expressa pela equação (1):

𝐸𝑐 =𝑚∗𝑣²

2 (1)

m é a massa de ar que flui através das pás do gerador e v é a velocidade do vento em m/s. A

vazão do vento pode ser definida através do fluxo de massa expresso pela equação (2) em

kg/s:

�̇� = 𝜌𝐴𝑉 (2)

ρ é a massa específica do ar, A é a área de varredura das pás e V a velocidade do vento que

flui pela seção transversal das pás.

O potencial eólico pode ser expresso pela diferenciação da energia pela unidade de

tempo:

𝑃 =𝜌∗�̇�∗𝑉²

2 (3)

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Reescrevendo e unindo as equações (2) e (3) temos a equação (4) que expressa a

potência relacionando a massa específica, área da seção das pás do gerador e a velocidade do

vento que escoa pelo gerador (CUSTÓDIO, 2009):

𝑃 =𝜌∗𝐴∗𝑉³̇

2 (4)

Com a equação (4) é possível estimar a potência disponível em Watts, em determinada

seção transversal na qual o vento irá fluir.

A energia gerada pode ser manipulada com o intuito de atender determinadas

necessidades, um exemplo é a utilização de transformadores para provocar uma elevação ou

diminuição no valor da tensão gerada. Este tipo de transformação é utilizado para transmissão

de eletricidade a longas distâncias, elevando-se a tensão, tem-se uma menor corrente e de

acordo com a lei de Ohm, a corrente é inversamente proporcional a tensão, o que implicaria

em uma menor secção transversal do condutor, reduzindo os gastos com material. (ARTIGO

DISPONÍVEL NO PORTAL ENERGIA - ENERGIA EÓLICA-2016).

2.2 Gerador síncrono

Segundo Wirth (2013), os motores síncronos em sua essência são idênticos aos

geradores, eles utilizam imãs como estatores para fazer girar o rotor, no gerador a variação do

campo magnético gera a corrente elétrica. O processo de geração ocorre através do processo

de indução proposto por Michael Faraday, denominado lei de indução de Faraday, onde uma

força eletromotriz é induzida em um condutor quando o número de linhas de campo

magnético que o atravessa varia, como pode ser visto na figura abaixo (HALLIDAY,

RESNIK, WALTER, 2011).

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Figura 01: Princípio de indução de Faraday

FONTE: Globo, 2015

2.3 Transformador

Conforme Boylestad (2004) “um transformador é constituído por dois rolamentos

dispostos de maneira que o fluxo magnético variável produzidos por um deles aja sobre o

outro,..., resultando em uma tensão induzida nos dois enrolamentos.”, o enrolamento onde a

tensão é aplicada é denominado primário e o enrolamento onde a carga está conectada é

chamado de secundário. A relação entre o primário e o secundário pode ser expressa pela

seguinte equação (5):

𝑉𝑝

𝑉𝑠=

𝑁𝑝

𝑁𝑠= 𝑎 (5)

onde Vp, representa a tensão no primário, Vs a tensão no secundário, Np e Ns são

respectivamente o número de espiras do primário e o número de espiras do secundário. A

relação entre Vp e Vs, também fornece a relação de transformação do transformador. Pode se

também relacionar as correntes que circulam nos enrolamentos através da expressão (6):

𝐼𝑝

𝐼𝑠=

𝑁𝑝

𝑁𝑠= 𝑎 (6)

Ip e Is representam as correntes no primário e no secundário respectivamente, o termo “a”

representa a relação de transformação. O mesma lógica ocorre com as impedâncias que são

descritas pela da equação (7), onde Zp e Zs são as impedâncias no primário e no secundário

(Boylestad, 2004):

6

𝑍𝑝

𝑍𝑠= 𝑎² (7)

2.4 LabView

Trata-se de um software de engenharia desenvolvido com o intuito de realizar testes de

controle e medição de dados, com acesso rápido ao hardware (National Instruments, 2017).

Figura 02: Estrutura LabView

FONTE: National Instruments, 2017

3 PROJETO FÍSICO

3.1 Geração de tensão alternada

Para gerar energia alternada foi utilizado um cooler de um inversor de frequência,

como visto na figura 2, caracterizado como um motor síncrono de imã permanente com

estator bobinado, a eletrônica do cooler foi removida (circuito responsável pela verificação e

regulagem de tensão). Os cabos do motor foram ligados no bobinamento primário de um

transformador e foram realizados alguns testes.

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Figura 02: Motor utilizado como gerador

FONTE: Autor, 2017

Com o auxílio do osciloscópio Tektronix TDS2002B, pode-se observar a forma de

onda gerada pelo cooler ao movimentar as pás. Inicialmente utilizou-se ar comprimido para

simular o vento direcionado ao gerador, a forma de onda gerada pode ser observada na

imagem abaixo, contudo a velocidade do ar apresentava certa instabilidade pelo fato do ar sair

no regime turbulento.

Figura 03: Formas de onda do gerador

FONTE Autor, 2017

Na figura acima, podem-se observar as tensões geradas no motor, com uma velocidade

de vento média de 11m/s. O canal 1 (amarelo) mostra a tensão no secundário do

transformador e o canal 2 (azul), representa a tensão na saída do motor, equivalente a 8,8 Vca.

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Esse comportamento fez com que o motor em questão tornasse viável sua utilização para a

simulação da geração de energia.

Os conhecimentos obtidos na unidade curricular de eletricidade possibilitaram a

elevação da tensão gerada utilizando um transformador, o qual não possuía nenhuma

informação, mas através dos ensaios práticos foi possível descobrir suas características.

Figura 04: Transformador de núcleo de ferrite

FONTE: Autor, 2017

Através da equação (5), chegou-se à um valor de relação de transformação, próximo à

1/8, ou seja, a tensão aplicada no primário (menor resistência, 23.8 ohms de resistência) será

oito vezes maior no secundário (maior resistência 828,4 Ohms). O transformador poderia ser

utilizado para baixar a tensão ou elevá-la, no atual trabalho ele é utilizado para elevar a

tensão. Abaixo pode ser vista uma imagem do projeto montado o qual foi utilizado para os

testes:

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Figura 05: Projeto montado na base

FONTE: Autor, 2017

Para análise da geração primeiramente foi criado uma programação, utilizando a

plataforma LabView, onde foi possível comunicar e adquirir dados do wattímetro da marca

Yokogawa, modelo WT 310E, e mensurado a velocidade do vento através do anemômetro da

marca Impac am-4270sd .

Figura 06: Anemômetro e Wattímetro

FONTE: Autor, 2017

Foi estabelecida então uma carga fixa de resistência, para uma simulação de carga, seu

valor é de 49,85 K Ohms. Variou-se a velocidade do vento para poder visualizar as tensões

geradas, os valores obtidos podem ser observados na tabela abaixo.

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Tabela 1: Valores das medições em diferentes velocidades de vento

Velocidade Vento

[m/s]

Tensão

Primário [V]

Tensão

Secundário [V]

Corrente Saída

[A]

Potência Saída

[W]

8,5 4,1 31,33 0,0006 0,02

10,7 7,44 57,43 0,0012 0,07

12,5 9,78 75,68 0,0015 0,12

14 11,68 90,53 0,0019 0,17

15,3 13,51 104,87 0,0022 0,23

16,5 15,03 116,78 0,0024 0,28

17,6 16,37 127,19 0,0026 0,33

FONTE: (Autor, 2017)

A tabela acima relaciona a média dos valores obtidos durante o processo de

instrumentação do gerador.

3.2 Relação de grandezas físicas

Através do cálculo da energia cinética da massa de ar que flui através do gerador, é

possível estimar a relação entre a potência disponível nesta massa de ar e a potência gerada

pelo sistema.

Com a equação (4), (potência disponível na massa de ar), pode-se realizar a estimativa

dos valores teóricos de potência de ar disponível como mostrado na tabela abaixo:

Tabela 2: Potência disponível na área da secção transversal do gerador

Área da Secção (mm2) Velocidade do vento (m/s) Potência disponível (W)

8,5 0,923951063

10,7 1,843077194

2550 12,5 2,938476563

14 4,128348

15,3 5,388482597

16,5 6,758402063

FONTE: Autor, 2017

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Comparando os valores de potência disponível na secção de ar determinada, fez-se

uma comparação com os valores de potência obtidos com a carga selecionada como

observado na tabela abaixo:

Tabela 3: Comparação das potências

Potência disponível

(W)

Potência Elétrica Gerada

(W)

Parcela de potência convertida em

eletricidade

0,92 0,02 2,16%

1,84 0,07 3,80%

2,94 0,12 4,08%

4,13 0,17 4,12%

5,39 0,23 4,27%

5,76 0,28 4,14%

FONTE: Autor, 2017

Através de uma média aritmética, pode-se estimar que a porcentagem da parcela de

energia disponível convertida em eletricidade no gerador com a carga fixa de 49,82 KOhms

foi de aproximadamente 3,77%.

3.2 Expressão da tensão

Também foi possível descrever a função que representa a forma de onda gerada na

saída do transformador através da seguinte expressão (Boylestad, 2004):

V(t)=a0+a1*sen(ωt+Ø) (5)

onde a0 representa um deslocamento vertical, a1 a amplitude da tensão, ω é a velocidade

angular, t o tempo e Ø o ângulo de fase. Com algumas formas de onda obtidas com auxílio do

osciloscópio podemos descrever algumas das expressões em diferentes velocidades de ar

como visto na tabela a seguir.

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Tabela 4: Expressões senóides

Amplitude (V) Frequência (Hz) Expressões

46,4 45,03 V(t)=46,4*sen(90,06πt)

50,04 48,45 V(t)=50,04*sen(96,9πt)

60 56,31 V(t)=60*sen(112,62πt)

64,8 60,33 V(t)=64,8*sen(120,66πt)

FONTE: Autor, 2017

Observando o comportamento da tensão pelo tempo pode-se observar que quanto

maior a velocidade do vento maior será a tensão e consequentemente a frequência também

aumentará, desse modo pode-se estabelecer uma expressão geral que representa o

comportamento do gerador:

V(t)=a1*sen(A1*2πt) (5)

A velocidade angular da expressão acima foi obtida através da fórmula “ω=2πf”

(Boylestad, 2004), o valor da frequência foi obtido com auxílio do osciloscópio. Foi

observado que a velocidade angular se comporta de maneira semelhante em diferentes

tensões, sendo o duas vezes pi a amplitude da senóide.

4 CONCLUSÕES

Pode-se observar que a geração eólica é um meio viável para geração de energia,

contudo possui seus contras, pelo fato de gerar uma grande quantidade de ruído no ambiente e

sua geração estar limitada a momento em que haja o vento. Foi possível observar de maneira

geral em um protótipo de pequena escala o princípio de funcionamento e o rendimento de um

gerador eólico onde uma parcela da energia disponível no ar é transformada em energia

elétrica. É sabido que o processo de geração é mais complexo e estão envolvidas outras

variáveis não contempladas neste projeto, que irão afetar diretamente o processo de geração.

Notou-se também que o valor da potência na saída do sistema irá variar conforme a carga,

seria necessário encontrar a máxima capacidade de geração de energia e assim seria possível

estimar o rendimento do gerador.

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BIBLIOGRAFIA

BOYLESTAD, Robert L. – Introdução à Análise de Circuitos – Prentice

Hall/Pearson, 10ª. Ed, 2004.

CUSTÓDIO, Ronaldo dos Santos. Energia Eólica: Para a produção de energia

elétrica. Rio de Janeiro: Memória da Eletricidade, 2009. 280 p.

Energias Renováveis – Energias do Futuro (2016). Energia

Eólica.URL: http://www.renovaveis.tecnopt.com/energia-eolica/. Acesso em 15 de

abril de 2017

HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física. Vol. 1. 9 ed.

Editora LTC, 2013.

HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física. Vol. 3. 8 ed. Editora

LTC, 2011.

IVONI C. ACUNHA & JORGE A. Análise do desempenho de um aerogerador de

pequeno porte (2009). URL: http://www.semengo.furg.br/2006/06.pdf. Acesso em

15 de maio de 2017

NATIONAL INSTRUMENTS. 1. LabView. URL:<http://www.ni.com/pt-

br/shop/labview.html>. Acesso em 30 junho 2017.

PEA-EPUSP. Explicação sobre Transformadores Monofásicos, Trifásicos,

Fórmulas e Como dimensionar Transformadores (2014).URL:

https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/349452/mod_resource/content/2/Transforma

dores_Teo_2014%20%281%29.pdF. Acesso em 06 de junho de 2017

SANTOS, Marco Aurélio da Silva. "A lei de Ohm"; Brasil Escola (2017).

URL:<http://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-lei-ohm.htm>. Acesso em 12 de junho

de 2017