AVA LIAÇÃO DE UM GERADOR DE ÍMÃS PERMANENTES PARA SERACIONADO POR CATA-VENTOS

Teófilo M iguel de SouzaRodr igo Carneiro LeonelInácio Bianchi

Centro de Energias Renováveis. Departamento de Engenharia Elétrica, Unesp – Campus de GuaratinguetáAv. Dr. Ariberto Pereira da Cunha 333, CEP: 12516-410, Guaratinguetá – SP, Brasil , Fone: (12)3123-2834, Fax: (12) 3123-2830teofilo@feg.unesp.brrodrigo_leonel@hotmail .comibianchi@feg.unesp.br

Resumo. Este trabalho apresenta os primeiros resultados do projeto de um sistema de geração de energia elétrica composto por umgerador síncrono de imãs permanentes de baixa rotação (1200 rpm), acionado por um cata-vento de 18 pás. O gerador tem potênciatrifásica nominal de 1 kVA, situando-se dentro da faixa de potências das microcentrais de geradoras de energia elétrica, e foisubmetido aos ensaios prévios nos Laboratórios da Universidade Estadual Paulista – Campus de Guaratinguetá. Os ensaios emregime permanente foram feitos usando-se um quadro de cargas com um conjunto de lâmpadas de diferentes potências que podemser distribuídas equil ibradamente ou não entre as fases. O objetivo dos ensaios é verificar o comportamento da potência e da tensãogeradas quando se varia a rotação do gerador, que é pertinente, uma vez que, o cata-vento é intrinsecamente uma força motora develocidade variável. Na primeira etapa de testes foi aplicada uma baixa rotação (800 rpm) proporcionada por um motor de induçãode 2 cv acoplado por polias e correias ao gerador. Foram medidas tensões de fase de 110 V e potência total de 450 W entregue àslâmpadas. As ondas de corrente e tensão foram registradas e analisados os harmônicos para diversas formas de carga. Os resultadosmostraram-se razoáveis, e evidenciaram pontos em que o gerador pode ser melhorado.Para minimizar o efeito da variação da velocidade do cata-vento no sistema, a energia do gerador será retificada e transmitida até ocarregador de um banco de baterias de 12 V, acoplado um conversor c.c./c.a., de onde será convertida de 12V c.c para 127 V c.a. ou220 V c.a..O projeto está apenas no começo e, além de análises mais detalhadas do comportamento do gerador, das formas de ondas e dosharmônicos, necessita do projeto integrado do circuito de geração, armazenamento e conversão da energia.

Palavras-chave. Fontes alternativas de energia, fontes renováveis, potencial eólico, energia eólica, cata-ventos, gerador elétrico deímãs permanentes.

1. O potencial eólico do Brasil

Com o crescimento da população mundial e a evolução tecnológica observados no final do século XX, houvetambém um correspondente crescimento da preocupação no mundo “ globalizado” com o meio ambiente. Temas comoqualidade de vida, redução da emissão de poluentes, economia de energia, etc., têm sido bastante abordados pela mídiae pelas lideranças políticas e econômicas do planeta. Um dos temas bastante divulgado e debatido tem sido a geração deenergia por meios renováveis e não poluentes, e neste ponto a geração de energia extraída do vento, ou energia eólica,tem muito a contribuir.

A energia eólica disponível na terra, que pode ser tecnicamente captada atualmente, é estimada em 53 mil TWh ano(Greenpeace, 2003) o que representaria uma potência da ordem de 30 mil GW considerando-se um fator de capacidadede 0,2. Existe atualmente no mundo uma capacidade de geração de energia eólio-elétrica instalada de 32 GW, sendo aAlemanha a campeã mundial de extração com 12 GW instalados (Greenpeace, 2003). No Brasil a capacidade instaladaaté 2002 era de apenas 20,3 MW (Wachsmann, 2002) e o seu potencial eólio-elétrico estimado, de maneira bastanteconservadora, considerando-se apenas as regiões onde a velocidade média anual do vento está acima de 7 m/s, as áreasnão cobertas por água, turbinas que representam o atual estado-da-arte no mundo instaladas a 50 m de altura, é de 143GW, veja a Tab. (1) (Amarante, 2001).

Tabela 1. Potencial eólico do Brasil – total estimado (Amarante, 2001)

Velocidade do vento (m/s) Área cumulativa (km2) Potência Instalável (GW) Energia anual (TWh ano)

> 6,0 667.391,0 1.334,78 1711,62> 6,5 231.746,0 463,49 739,24

> 7,0 71.735,0 143,47 272,20> 7,5 21.676,0 43,35 100,30> 8,0 6.679,0 13,36 35,93> 8,5 1.775,0 3,55 10,67

A Alemanha consegue gerar energia elétrica eficientemente com turbinas eólicas tendo ventos, cujas melhoresmédias anuais não passam de 6 m/s, e incidem sobre alguns centésimos dos 357 mil km2 da área de seu território(Wachsmann, 2002). Sobre o território Brasileiro uma área maior que 667 mil km2 recebe ventos com média anualacima de 6 m/s, como pode ser visto na Tab. (1), assim, se fossem consideradas todas as regiões onde há incidência devento suficiente para viabili zar a geração eólio-elétrica, que com o atual estado da arte é acima de 5 m/s, o potencialeólio-elétrico do Brasil seria bem maior. Considerando-se a área com ventos acima de 6 m/s, mostrada na primeira linhada Tab. (1) o potencial seria de 1.334,78, seria, portanto, 9,3 vezes maior.

Atualmente a energia eólio-elétrica, de plantas otimizadas, tem sido gerada com preços de 40 a 90

MWh(Greenpeace, 2003), (Lecuona, 2002), Considerando-se o grande potencial eólico existente no Brasil , pode-se usar estafonte para gerar energia elétrica com custo inferior aos 80 US$/MWh (CBEE, 2003), que é um valor bastantecompetitivo comparado com outras fontes alternativas, como mostra a Tab. (2) (Wachsmann, 2002), (CBEE, 2003).

Em alguns casos a energia eólio-elétrica pode ser competitiva com a hidrelétrica, segundo estudos daELETROBRÁS, em 70% dos casos a energia elétrica gerada por novas hidrelétricas a serem implantadas na regiãoamazônica será mais cara que a energia gerada por turbinas eólicas (CBEE, 2003).

Tabela 2. Comparação de custos de fontes alternativas de energia elétrica (Wachsmann, 2002), (CBEE, 2003).

Fonte de Energia Custo de Geração (US$/MWh)

Biomassa 38 a 78Eólica 39 a 84Carvão 50 a 65Gás natural 38Carvão importado 49Gás natural importado 47

A energia eólica além de sua abundância apresenta as seguintes vantagens:• Custo relativamente baixo sendo competitivo com as fontes de energia: nuclear, carvão, gás e biomassa.• É uma fonte gratuita e inesgotável.• Não havendo queima de combustível não há emissão de carbono para a atmosfera.• Provê um lastro contra a volatili dade dos preços dos combustíveis.• Sendo uma fonte confiável não está sujeita às flutuações dos preços dos combustíveis importados.• Sistema de geração modular e de rápida instalação.• Produz atualmente quantidade de potência equivalente às fontes convencionais.• O terreno próximo à instalação fica livre para uso agrícola, industrial ou residencial.

2. O sistema de geração eólio-elétr ico

O sistema a ser utili zado para captação e conversão da energia cinética do vento em energia elétrica não é baseadoem uma turbina eólica comercial otimizada pra grandes potências. O que se pretende iniciar é o estudo da viabili dade dese usar um sistema alternativo de baixo custo e pequena potência. O sistema será basicamente constituído por:

Um cata-vento fabricado para bombeamento de água em chácaras, sítios e fazendas.Um gerador síncrono com ímãs permanentes, otimizado para baixa rotação e pequena potência, fabricado para uso

em microcentrais hidrelétricas.Um sistema de armazenamento de energia baseado em retificador, baterias de caminhões e inversor.O cata-vento será conectado ao gerador por um sistema amplificador de velocidades constituído por polias e

correias.

2.1. O cata-vento

O cata-vento é um modelo comercial do tipo multipás que se encontra montado no Centro de Energias Renováveisda Unesp/Campus de Guaratinguetá. Sua fotografia é mostrada na Fig. (1) e as suas principais especificações são asseguintes:

• Rotor com 18 pás e 3 m de diâmetro.• Torre de montagem a 15 m de altura do solo.• Capacidade para bombear desde 1.000 l/h de poços com até 77 m de profundidade até 4.000 l/h de poços de 17

m de profundidade.• Velocidade do vento para acionamento de 4 m/s a 10 m/s.• Rotação máxima de 26 rpm.• Com capacidade de fazer recalque por uma distância de até 2 km com elevação inferior a 30 m.• Baixa manutenção, necessitando de reparos do pistão a cada 1,5 ano a 3 anos e troca de óleo a cada 20 anos.

Figura 1. Cata-vento de 18 pás instalado no Centro de Energias Renováveis.

2.2. O Gerador

O Gerador ensaiado cujos resultados são apresentados neste artigo é um gerador síncrono trifásico de pólossalientes com campo magnético de ímãs permanentes a base de ferrite. Sua carcaça é de ferro fundido e o materialmagnético é aço-silício laminado convencional. A Fig. (2) mostra uma fotografia do gerador conectado a um motor nabancada para ensaio.

Ímãs de ferrite têm densidade de fluxo magnético tipicamente menor que 0,4 Wb/m2, considerada média ou baixaquando comparada com a dos de terras raras que chegam a mais de 1,2 Wb/m2, porém suficiente para aplicações comogeradores. São bem mais baratos que os de terras raras e podem ser econômicos quando adquiridos em grandesquantidades e podem trabalhar em temperaturas de até 350°C, enquanto os de terras raras não passam de 250°C.

Usados em geradores de 300 a 6.000 W, além de grande eficiência de conversão, os rotores de imã permanentepermitem uma produção de energia elétrica com menos ruído eletromagnético quando comparados aos que usamescovas, e operação com reduzida manutenção, pois as únicas partes sujeitas a desgaste são os rolamentos do rotor.

O gerador que foi ensaiado tem as principais especificação dadas a seguir:• Potência: 1 kVA,• Tensões de ligação: Trifásica 127/220 V.• Velocidade: 1.200 rpm.• Número de pólos: 6 (ímãs permanente).• Carcaça em ferro fundido.• Circuito magnético em aço silício laminado convencional.

Figura 2. Gerador síncrono trifásico de ímãs permanentes instalado no Centro de Energias Renováveis.

3. Cálculo da energia e da potência eólio-elétr icas

Teoricamente a potência útil P, em W, gerada pelos cata-ventos e turbinas de vento é dada pela equação:

t

mvP

∆=

2

2

(1)

Na qual ∆t é o intervalo de tempo considerado em s, m a massa em kg, e v a velocidade do vento em m/s.Sendo a densidade do ar em kg/m3, a vazão mássica do ar Q, que atravessa a área A, traçada pelas pás do rotor,

será dada em m3/s por:

vAt

mQ ρ=

∆= (2)

Assim, obtém-se:

2

3AvP

ρ= (3)

Utili zando o diâmetro do rotor D, obtém-se:

8

32vDP

ρπ= (4)

Na prática a potência líquida que será transformada em elétrica será dada pela equação:

GMAB

vDP ηηηηρπ

8

32

= (5)

Na qual B é o rendimento de Betz, A é o rendimento aerodinâmico, M é o rendimento da caixa amplificadora develocidade, G é o rendimento do gerador elétrico.

O limite teórico B é 59% e em termos práticos 35% correspondente a um bom projeto, A está em torno de 75%, M está em torno de 80% e pode chegar a 95%, G pode ser maior que 80% par geradores de ímãs permanentes ou deindução.

De (5) nota-se que um aumento de 10% na velocidade do vento eleva em 33% a potência, o que mostra como éimportante a escolha de um local com ventos velozes e constantes para o bom aproveitamento da energia eólica.

Considerando-se um ano com 365 dias de 24 horas (8760 h), a energia gerada anualmente em kWh ano será dadapela equação:

cPFE 76,8= (6)

Na qual Fc é o fator de capacidade de geração anual da central em relação ao seu valor nominal, e geralmente variaentre 25% e 40%, 25% é um valor razoável e 40% é um valor excelente.

4. Procedimento exper imental

A fase inicial do projeto de energia eólica que está sendo desenvolvido no Centro de Energias Renováveis daUnesp/Campus de Guaratinguetá será desenvolvida em duas etapas. A primeira consiste em ensaios separados daspartes componentes do sistema de geração e a segunda consiste em projetos de otimização das partes e dofuncionamento integrado.

Atualmente está em andamento a primeira etapa e sendo realizados os ensaios do gerador, que por sua vez sedividem em ensaios em laboratório e ensaios em campo.

Os ensaios em laboratório consistem em acoplar o gerador a um motor para ser acionado em diferentes velocidades.Visam o levantamento do comportamento do gerador para várias situações de rotação e cargas para prever o seufuncionamento quando for acoplado ao cata-vento.

Para a realização dos ensaios em laboratório foi montada uma bancada na qual o gerador pode ser fixado emdiversas posições permitindo um bom alinhamento e o acoplamento a um motor de indução de 2 cv por polias comdiferentes tamanhos.

Para aplicação de cargas no gerador foi montado um quadro composto por 3 voltímetros (para uma leitura préviadas tensões do gerador), lâmpadas incandescentes e interruptores conectados de modo a permitir ligação de váriascargas diferentes equili bradas ou não ao gerador ligado em Y. A Fig (3) ilustra o painel e a bancada do gerador.

(a) (b)

Figura 3. Gerador acoplado ao motor e ao painel de cargas. (a) voltímetros, interruptores e disjuntores (b) lâmpadas.

Foram realizadas medições de tensão, corrente, harmônicos, fator de potência, potência, freqüência, velocidade derotação e registradas as formas de ondas de tensão e corrente sobre a carga.

Para as medições das grandezas acima foram os seguintes os principais instrumentos utili zados:• Osciloscópio digital modelo THS 720P da marca Tektronix, com sistema de análise de harmônicos e interface

RS232.• Shunt de corrente de 10 A, 0,01 Ω, 0,1%.• Estroboscópio digital, marca Homis, com medidas de rotações de 10 a 10.000 rpm com resolução de 1 rpm.Até agora foram realizados ensaios com o gerador em vazio, com cargas resistivas equili bras aproximadamente

iguais a um terço e a metade da carga nominal.Os ensaios em campo ainda não foram iniciados e vários ensaios em laboratório devem ainda ser feitos ou

repetidos.Detalhes como a instalação do cabeamento elétrico e do acoplamento do gerador ao cata-vento estão sendo

implementados para posterior montagem dos mesmos na torre de 15 m de altura. Uma polia de 1 m de diâmetro, queacionará o gerador, está sendo montada no cata-vento. Além de girar em torno do seu eixo horizontal para coletar aenergia eólica, o cata-vento pode também girar em torno do eixo vertical para se alinhar à direção do vento, por isso, aconexão elétrica da saída do gerador deverá ser feita por anéis deslizantes que estão sendo providenciados.

5. Resultados

Os equipamentos listados acima pertencem aos laboratórios do Departamento de Engenharia Elétrica daUnesp/Campus de Guaratinguetá, onde foram feitas as aquisições dos dados pertinentes fornecidos pelas medições.Estando a carga e o gerador ligados em Y, as tensões registradas são as tensões entre fase e neutro, as correntes sãocorrentes de fase e a potência corresponde à potência de uma fase.

Até o momento foram realizados ensaios com apenas um conjunto de polias e as variações de velocidade nosresultados que serão apresentados foram mínimas e se devem ao fato da máquina motriz ser um motor de indução, cujarotação naturalmente variará perante os diferentes valores e situações de cargas.

Os dados apresentados a seguir correspondem ao acionamento com uma polia de 7 cm de diâmetro acoplada aoeixo do motor e uma polia de 15 cm de diâmetro no eixo do gerador:

5.1. Ensaio sem carga:

Para os valores de rotações de 819 rpm no gerador e 1794 rpm no motor foram obtidos os gráficos de tensão e decorrente mostrados na Fig. (4).

Figura 4. Gerador vazio a 819 rpm. Gráficos de tensão e corrente.

5.2. Ensaio com carga equili brada de 100 W por fase:

Para os valores de rotações de 810 rpm no gerador e 1779 rpm no motor foram obtidos os gráficos de tensão, decorrente e de harmônicos mostrados na Fig. (5) e o quadro de análise das potências mostrados na Fig. (6).

(a) (b)

Figura 5. Gerador com carga de 100 W por fase a 810 rpm. Gráficos de tensão e corrente (a), e de harmônicos (b).

Figura 6. Quadro das potências pra o gerador com carga de 100 W por fase a 810 rpm.

5.3. Ensaio com carga equili brada de 150 watts por fase:

Para os valores de rotações de 801 rpm no gerador e 1765 rpm no motor foram obtidos os gráficos de tensão, decorrente e de harmônicos mostrados na Fig. (7) e o quadro de análise das potências mostrados na Fig. (8).

(a) (b)

Figura 7. Gerador com carga de 150 W por fase a 801 rpm. Gráficos de tensão e corrente (a), e de harmônicos (b).

Figura 8. Quadro das potências pra o gerador com carga de 150 W por fase a 801 rpm.

6. Comentár ios

Na Fig. (4) observa-se que o gerador em vazio apresenta uma forma de onda praticamente quadrada, isto mostraque o seu enrolamento não foi projetado para supressão dos harmônicos de ordens ímpares. Nota-se que o valor medidoda tensão RMS é de 117 V, portanto, sem carga a 800 rpm a tensão não cai muito comparada com a nominal(especificada) que é de 127 V. O pequeno sinal notado no canal 2 trata-se de ruído provavelmente captado pela ponta deprova.

Na Fig (5) observa-se que aproximadamente a um terço da carga, a presença da reação da armadura deixa a formade onda menos quadrada e o valor RMS da tensão cai para 99,89 V, cai 14,61% em relação ao valor de 117 V. Observa-se na Fig. (5b) a presença forte do terceiro e leve do quinto harmônicos.

Na Fig (7) observa-se que aproximadamente a metade da carga, a presença da reação da armadura torna-se aindamais evidente, o valor RMS da tensão cai para 84,62 V, cai 27,68% em relação ao valor de 117 V. Observa-se na Fig.(7b) que aumentou levemente a presença do terceiro harmônico e surgiram os de ordem sete e nove.

Comparando-se a Fig. (6) com a Fig. (8) nota-se que houve um piora no fator de potência, o que se deve aoaumento da presença dos harmônicos (freqüências maiores fazem o f.p. das lâmpadas ficaram mais indutivos).

Em relação às quedas na tensão sobre a carga, mesmo não tendo medido o resultado da tensão à plena carga, nota-se que a regulação de tensão do gerador é relativamente pobre à velocidade baixa.

Analisando as relações de velocidades medidas Nmotor/Ngerador obtém-se 2,190 para o gerador vazio, 2,196 para umterço da carga e 2,203 para meia carga. A relação real de redução de velocidade das polias é próxima a 2,19 e não 2, isto

acontece devido aos erros nos diâmetros especificados. A relação de redução vai aumentando junto ao aumento dacarga, isto acontece porque, ficando o gerador mais pesado, a correia começa a deslizar em relação às polias.

7. Conclusões

Foram mostrados os resultados prévios dos estudos e dos ensaios iniciais de uma microcentral eólio-elétrica,baseada em cata-ventos comuns e geradores de ímãs permanentes, que está sendo implementada no Centro de EnergiasRenováveis na Unesp, Campus de Guaratinguetá.

Os resultados das medições mostraram que mesmo em baixa velocidade o gerador pôde suprir valores de potência etensão satisfatórios para que a tensão possa ser abaixada estabili zada e retificada para um valor próximo a 15 V c.c. paracarregar o banco de baterias que é de 12 V e 30 Ah.

Os resultados também mostraram que o gerador ensaiado possui uma pobre regulação de tensão em baixavelocidade e que seus enrolamentos não foram otimizados para supressão de harmônicos e compensação da reação daarmadura. Estes problemas podem ser resolvidos com o fabricante, o que certamente aumentaria o desempenho eevitaria problemas no circuito do carregador do banco das baterias e que provavelmente serão evidenciados nospróximos ensaios previstos.

8. Agradecimentos

Os autores agradecem às pessoas, instituições e empresas que colaboraram e estão colaborando para a realização doprojeto de pesquisa. Prof. Dr. Agnelo Marotta Cassula e Sr. Valdir Siqueira do DEE/Unesp-Guaratinguetá. Srs. Rodolfodos Santos e Naylor R. P. Peloggia do DEN/Unesp-Guaratinguetá. Sr. Eduardo Gobbi Macedo aluno do curso deEngenharia Elétrica da Unesp/Guaratinguetá. As instituições:

• FAPESP – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo.• PROPP/Unesp – Pró-reitoria de Pós-graduação e Pesquisa da Unesp.As empresas:• Indústria de Geradores NH Ltda.• Cataventos Fênix Fortuna Ind. Com.• Delphi Baterias.• WB Eletro-Eletrônica.

9. Referências

CBEE, Centro Brasileiro de Energia Eólica, 2003. http://www.eolica.com.br/index_por.htmlAmarante, O.A.C. do, Brower, M., Zack, J., de Sá, A.L., “ Atlas do Potencial Eólico Brasileiro” , 2001, MME, Brasília –

DF, Brasil , http://www.cresesb.cepel.br/atlas_eolico_brasil/atlas-web.htm.Greenpeace, EWEA, “ Wind Force 12 – A Blue Print to Achieve 12% of The World’s Electricity form Wind Power by

2020” , 2003, Brussels, Belgium, http://archive.greenpeace.org/docs/windforce12.pdf.Lecuona, A.N., “ La Energía Eólica: Principios básicos y tecnología” , 2002, Escuela Politécnica Superior, Departamento

de Ingeniería, Universidad Carlos III de Madrid, Leganés, Madrid, España.Wachsmann, U., Tolmasquim, M.T., “ Windpower in Brazil – A Transition Using The German Experience” ,

Proceedings of Rio 02 – World Climate & Energy Event, 2002, Rio de Janeiro – RJ, Brazil .

10. Nota de autor ia

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo impresso neste artigo.

Evaluation of a permanent magnets generator to be dr iven by windmill s

Abstract. This work presents the first results of an electric wind power generation plant, composed of a permanentmagnet synchronous generator of low speed (1200 rpm) driven for a 18 vanes windmill . The generator has nominalthree-phase power of 1 kVA, situated in the micro hydro electrical plants power range, and was submitted to theprevious tests in the Laboratories of the São Paulo State University at Guaratinguetá. The stead state tests had beenmade using a load panel assembled with a set of different power lamps which can be connected in a balanced orunbalanced distribution between the phases. The tests aim is to verify the behavior of the generated power and voltagewhen the rotation of the generator varies, that is pertinent, since the windmill i s an intrinsically changing speed motordriver. In the first stage of the tests it was applied a low rotation (800 rpm) supplied for a 2 cv induction motorconnected by pulleys and band to the generator. They had been measured voltages of 110 V per phase and 450 W oftotal power delivered to the lamps. The current and voltage waves had been registered and harmonic analysis wereperformed for some load forms. The results had revealed reasonable, and had evidenced points where the generatorcan be improved.To minimize the effect of the windmill speed variation in the system, the energy of the generator will be rectified andtransmitted to the charger of a 12 V batteries bank, connected to a d.c./a.c. converter, where it will be converted from12 V d.c. to 127 V a.c. or 220 V a.c..The project has just started and it needs more detailed analyses of the generator behavior, wave forms and harmonics.The integrated design of the generation, storage and conversion of the energy still needs to be done.

Keywords. Alternative energy sources, renewable energy, wind potential, wind energy, windmill s, permanent magnetelectric generator.