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ANA CLÁUDIA MELO COSTA RA:2208202973
CLÁUDIO DA SILVA COSTA RA:2208200149
HIGOR BERLINI FERNANDES RA:2209201260
JOSIAS GARCIA DE FARIAS RA:2208203162
E.P.M. - 3ºA - noite -sala 115 -
CONSTRUÇÃO DE BOMBA EÓLICA
UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO
SÃO PAULO – 2009/2º semestre
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ANA CLÁUDIA MELO COSTA RA:2208202973
CLÁUDIO DA SILVA COSTA RA:2208200149
HIGOR BERLINI FERNANDES RA:2209201260
JOSIAS GARCIA DE FARIAS RA:2208203162
E.P.M. - 3ºA - noite -sala 115 - S.AM
CONSTRUÇÃO DE BOMBA EÓLICA
Trabalho de conclusão do projeto integrador realizado na
disciplina de Física Geral e Experimental III, apresentado
como exigência parcial para avaliação nesta disciplina do
curso de Engenharia com habilitação em Produção
Mecânica, da Universidade Nove de Julho.
Orientador: Profº Wagner Marcelo Pommer.
UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO
SÃO PAULO – 2009/2º semestre
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SUMÁRIO
1 Referencial teórico........................................................................p.03
1.1 Energia eólica..............................................................................p.05
1.2 A fonte eólica...............................................................................p.05
1.3 Tipos de turbina eólicas..............................................................p.05
1.4 Circulação global do vento ........................................................p.07
1.5 Relação entre velocidade do vento e altura..............................p.08
1.6 Componentes de um sistema eólico.........................................p.08
1.7 Regra gerais energia eólica.......................................................p.11
2 Concepção do projeto integrador................................................p.16
3 Características do projeto............................................................p.16
4 Material utilizado.............................................................................p 16
5 Memorial descritivo........................................................................p.17
6 Cálculos descritivos.......................................................................p.20
6.1 Legenda........................................................................................p.20
6.2 Dimensional.................................................................................p.21
6.3 Memorial de cálculos..................................................................p.22
7 Resultados e Discussões..............................................................p 23
8 Conclusão.......................................................................................p.24
9 Bibliografia ....................................................................................p.24
10 Anexos ..........................................................................................p.24
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1- REFERENCIAL TÉORICO:
1.1- Energia Eólica:
Energia eólica precisa ser armazenada para utilização quando a
intensidade dos ventos não for suficiente para atender a demanda e,
também, para aproveitar o excedente produzido quando a produção supera
a demanda. Mas, também sabemos que a energia cinética dos ventos não
pode ser armazenada, então deve ser feita sua conversão para outro tipo
de energia armazenável. Assim, podemos dividir as formas de
armazenamento indireto da energia eólica em dois grupos: as formas que
armazenam a energia eólica convertida em energia mecânica e as formas
que armazenam a energia eólica convertida em energia elétrica. A
diferença entre as formas de armazenamento da energia eólica, mecânicos
ou elétricos, é que na primeira (mecânico) são utilizados mecanismos que
usam forças de natureza mecânica para realizar o armazenamento e, na
segunda (elétrica), são usados o excedente da eletricidade gerada pela
turbina para acionar os mecanismos de armazenamento. Os principais
métodos de armazenamento indireto da energia eólica convertida em
energia mecânica são:
Bomba (hidráulica): este sistema de armazenamento da energia
eólica é composto por uma bomba conectada ao eixo de saída da turbina.
Quando a turbina atinge determinada velocidade de rotação aciona o
mecanismo da bomba que eleva determinada quantidade de água para um
reservatório situado a uma altura específica, armazenando assim, a
energia eólica – mecânica sob a forma de energia potencial da massa de
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água. Quando necessário, a água é escoada e aciona uma turbina
hidráulica para que a energia acumulada possa ser usada. Nesses casos,
a turbina costuma ser instalada logo acima da fonte de captação de água
(que pode ser um poço) e a água pode também, ser armazenada para
simples consumo ao invés de gerar eletricidade.
Compressor (mecânica): este tipo de armazenamento se refere à
conversão da energia eólica – mecânica em energia potencial armazenada
sob a forma de ar comprimido (50-100 atmosferas). A compressão é feita
por um mecanismo que utiliza o movimento de rotação das pás da turbina
para comprimir o ar. Após comprimido o ar pode ser armazenado em
recipientes próprios ou mesmo em estruturas geológicas que se encontram
vazias após terem seu gás natural exaurido (empresas americanas
estudam a possibilidade de armazenar o ar comprimido na camada de
arenito – a 1000 m de profundidade – que é extremamente poroso). O ar
armazenado, então, pode ser utilizado para a geração de energia mecânica
ou elétrica através de expansores.
Calor (efeito joule): o armazenamento da energia eólica sob a forma
de calor se dá pelo aquecimento mecânico da água através do movimento
de “pás” dentro do recipiente de armazenamento (que é isolado
termicamente). A resistência da água ao atrito ocasionado pelas pás em
movimento faz com que ela se aqueça, transformando a energia eólica em
energia térmica. O armazenamento da água é feito em recipiente térmico
próprio e pode ser feito com a água na forma líquida (água quente) ou na
forma gasosa (vapor).
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Volante (mecânica): também chamado de “Flywheell”, ou ainda
“volante mecânico”, seu funcionamento baseia-se na conversão da energia
eólica em energia cinética do movimento de rotação do volante que poderá
ser convertida, posteriormente, em qualquer outra forma de energia.
As turbinas são, em princípio, instrumentos razoavelmente simples. O
gerador é ligado através de um conjunto acionador a um rotor constituído
de um cubo e duas ou três pás. O vento aciona o rotor que faz girar o
gerador e produz eletricidade.
1.2- A fonte eólica:
A quantidade de energia disponível no vento varia de acordo com as
estações e as horas do dia. A topografia e a rugosidade do solo também
têm grande influência na distribuição de freqüência de ocorrência de
velocidade do vento em um local. Além disso, a quantidade de energia
eólica extraível numa região depende das características de desempenho,
altura de operação e espaçamento horizontal dos sistemas de conversão
de energia eólica instalados.
1.3- Tipos de turbinas eólicas:
Turbinas eólicas de eixo horizontal: podem ser de uma, duas, três,
quatro pás ou multipás. A de uma pá requer um contrapeso para eliminar a
vibração. As de duas pás são mais usadas por serem fortes, simples e
mais baratas do que as de três pás. As de três pás, no entanto, distribui as
tensões melhor quando a máquina gira durante as mudanças de direção do
vento. As multipás não são muito usadas, pois são menos eficientes.
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Figura1- Tipos de turbina eólica do eixo horizontal.
Turbinas eólicas do eixo vertical: não são muito usadas, pois o
aproveitamento do vento é menor.
As mais comuns são três: SAVONIUS, DARRIEUS E MOLINETE.
Figura 2- Tipos de turbina eólica do eixo vertical.
A potência máxima extraída de uma turbina eólica é:
Pmax. = 16/27. 1/2 . P.A.V. < 0,593
No qual temos que:
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P = densidade do ar (tabelado).
A = área correspondente ao diâmetro da área varrida pelas pás
V = velocidade do vento
A potência máxima não ultrapassa 59,3% de eficiência. Este valor é
também chamado de limite de BETZ e já foi provado cientificamente.
1.4- Circulação global do vento:
Energia eólica é uma forma de energia solar. Os ventos aliviam a
temperatura atmosférica e as diferenças de pressão causadas pelo
aquecimento irregular da superfície da Terra. Enquanto o sol aquece o ar,
água e terra de um lado da Terra, o outro lado é resfriado por radiação
térmica para o espaço. Diariamente a rotação da Terra espalha esse ciclo
de aquecimento e resfriamento sobre sua superfície. Mas, nem toda
superfície da Terra responde ao aquecimento da mesma forma. Por
exemplo, um oceano se aquecerá mais lentamente que as terras
adjacentes porque água tem uma capacidade maior de "estocar" calor.
Dessa diferente taxa de aquecimento e resfriamento são criadas
enormes massas de ar com temperatura, mistura e características de
massas de ar oceânicas ou terrestres, ou quentes e frias. A colisão destas
duas massas de ar, quente e fria, geram os ventos da Terra.
1.5- Relação entre velocidade do vento e altura:
A velocidade do vento em um determinado local aumenta
drasticamente com a altura. A extensão pela qual a velocidade do vento
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aumenta com a altura é governada por um fenômeno chamado "wind
shear". Fricção entre ar mais lentos e mais rápidos conduz ao
aquecimento, velocidade do vento mais baixa e muito menos energia de
vento disponível perto do solo.
Apresentamos abaixo uma figura que ilustra as diferentes áreas
(urbana, subúrbios, ou ao nível do mar) e a relação entre suas alturas e
velocidades de ventos.
Figura 3- Relação entre diferentes áreas e velocidades do vento.
1.6- Componentes de um Sistema Eólico:
Um sistema eólico é constituído por vários componentes que devem
trabalhar em harmonia de forma a propiciar um maior rendimento final.
Para efeito de estudo global da conversão eólica devem ser considerados
os seguintes componentes:
Vento: Disponibilidade energética do local destinado à instalação do
sistema eólico.
Rotor: Responsável por transformar a energia cinética do vento em
energia mecânica de rotação.
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Transmissão e Caixa Multiplicadora: Responsável por transmitir a
energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até a carga. Alguns
geradores não utilizam este componente; neste caso, o eixo do rotor é
acoplado diretamente à carga.
Gerador Elétrico: Responsável pela conversão da energia mecânica em
energia elétrica.
Mecanismo de Controle: Responsável pela orientação do rotor, controle
de velocidade, controle da carga, etc.
Torre: Responsável por sustentar e posicionar o rotor na altura
conveniente.
Sistema de Armazenamento: Responsável por armazenar a energia para
produção de energia firme a partir de uma fonte intermitente.
Transformador: Responsável pelo acoplamento elétrico entre o
aerogerador e a rede elétrica.
Acessórios: São os componentes periféricos.
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Figura 4- Bomba eólica com acionamento hidráulico.
A energia eólica pode ser convertida em energia útil por dois tipos de
sistemas bem distintos, um de construção simples, o moinho de vento, que
a humanidade utiliza já há 3.000 anos para produzir energia mecânica, e o
outro, o aerogerador, que serve para produção de eletricidade e para o
qual a experiência atual é muito limitada, mas que, em contrapartida, atraí
muito interesse para o futuro. Até a década de 30, os cataventos eram
muito populares entre os agricultores norte-americanos, essencialmente
para o bombeamento de água.
O bombeamento d'água foi uma das primeiras aplicações da energia
eólica convertida. Basicamente, um sistema de bombeamento é
constituído por rotor eólico, bomba hidráulica, transmissão e dispositivo de
controle.
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Figura 5- Alavanca de Arquimedes.
Descreve-se a seguir o processo de determinação do potencial eólico
para bombeamento.
1.7- Regras gerais da energia eólica
Existe uma regra que dá a potência gerada pelos cata-ventos e
turbinas de vento. É importante ressaltar que esta regra é teórica e na
prática, não conseguimos converter toda essa potência (teórica) em
potência útil. A taxa de conversão é de aproximadamente de 59% , quando
o sistema funciona de maneira otimizada. Tentaremos apresentar de uma
forma sucinta a demonstração desta fórmula:
Potência é igual ao trabalho (Energia) dividido pelo tempo:
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O trabalho realizado pelo vento que neste caso é igual a sua energia
cinética é:
,então:
, mas como
, temos:
No qual é a densidade do ar, V é a velocidade do vento e A é a
área varrida pelas hélices do rotor. Talvez seja esta a fórmula mais
importante para se conhecer o aproveitamento da energia eólica.
Como exemplo: Um vento passa de 10km/hora para 11 km/hora (aumento
de 10% ) a potência se eleva em 33%, o que mostra como é importante a
escolha de um lugar com vento mais velozes para o melhor aproveitamento
da energia eólica. Outro exemplo é sobre a área varrida pelo rotor. Com
um hélice de 3 m de diâmetro e um vento de 32 km/hora teríamos uma
potência de 1000 W; se dobrarmos o diâmetro da hélice para 6 m e
mantivermos o vento em 32 km/hora a potência irá para 4000 W. Isto
ocorre pois a área varia com o quadrado do raio, ou seja, dobrando-se a
área do rotor aumentamos a potência em quatro vezes.
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Figura 6- Hélice de uma turbina de vento.
O potencial eólico "P" disponível do vento, é obtida pela equação (1):
P/A = Potencial eólico (W/m2);
k = Valor tabelado;
V = Velocidade do vento (m/s).
Onde "k" é um valor tabelado a ser empregado no cálculo do
potencial eólico para diferentes unidades de P, A e V.
A equação (1) fornece o potencial energético do vento. Porém,
apenas uma fração desse potencial poderá ser realmente convertido em
trabalho útil por um cata-vento por exemplo. Através de pesquisas
realizadas por Betz, chegou-se à conclusão que o catavento ideal
consegue captar apenas 59,3% da potência disponível do vento. Essa
porcentagem da potência do vento, que é possível ser captada por um
motor eólico, tem sido denominada de "coeficiente de potência máxima
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(Cp)". Segundo estudos desenvolvidos, o valor de 0,593 para "Cp" não
levam em conta as perdas aerodinâmicas no rotor, as variações da
velocidade nos vários pontos da área de captação, o tipo de rotor e outras
variáveis. Assim, na prática, o coeficiente "Cp" geralmente não ultrapassa
o valor 0,3. A avaliação das potencialidades para utilização de motores
eólicos, a partir dos dados dos ventos nos locais em estudo, pode ser
realizada através da equação (2):
A determinação do potencial eólico fornece informações necessárias
ao planejamento e utilização dessa fonte natural de energia de uma forma
racional. Deve-se saber o quanto de energia está disponível e até que
ponto pode ser convertido em energia mecânica ou elétrica.
A conversão subseqüente em potência de bombeamento resulta
numa redução de potência disponível que depende das eficiências da
transmissão e da bomba.
Numa primeira estimativa, para sistemas eólicos de bombeamento
d'água, esses efeitos levam à seguinte regra prática: a Potência Hidráulica
média de saída, num dado local com uma determinada velocidade média
do vento é calculado pela equação (3):
Phidr - Potência hidráulica (W);
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A - Área da pá (m2);
V - Velocidade eólica média (m/s).
Após a determinação da potência hidráulica verificou-se a vazão de
água bombeada, contra altura manométrica. Este cálculo é fundamental
para determinação do tipo e tamanho do sistema. É dado pela equação
(4):
Qm - Vazão (m3/h);
Phidr - Potência hidráulica (W);
a - Densidade da água (1000 kg/m3);
g - Aceleração da gravidade (9,8 m/s2);
Hm - Altura manométrica (m).
2- CONCEPÇÃO DO PROJETO INTEGRADOR:
Este trabalho objetiva a elaboração de um projeto envolvendo a
concepção e construção de uma bomba eólica.
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3- CARACTERÍSTICAS DO PROJETO:
O projeto consiste em transformar energia eólica, a partir de um
ventilador padrão que foi fornecido pela Instituição (UNINOVE), em energia
mecânica. O aparato deve elevar até uma altura (h), certa massa de água
contida em um recipiente retangular transparente.
4- MATERIAL UTILZADO:
01 Hélice;
01 Suporte plástico da hélice;
02 Base da haste (Alumínio);
01 Haste trefilado (aço);
01 Excêntrico (aço inox);
01 Bomba de ar;
01 Suporte da bomba;
01 Mangueira pneumática (8mm);
02 Conexões;
01 Válvula reguladora;
01 Recipiente com tampa (vidro e acrílico).
01 Tubo transparente (38,8mm).
5- MEMORIAL DESCRITIVO:
Colocamos em pratica nossa primeira idéia, pensamos em partir do
principio de que podíamos vencer a pressão atmosférica usando como
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referencia a pistola de pintura, que usa o ar em alta velocidade eliminando
o vácuo existente dentro do tubo fazendo com que suba o liquido existente
dentro do recipiente ,no dia 17/09/2009 fizemos um funil de cuprino que foi
acoplado na frente do ventilador captando o ar fornecido por ele ,porem
não obtivemos sucesso porque o ar não foi captado cem por cento pelo
funil perdemos o ar que passava pelas laterais das hélices e saia pela
parte traseira do ventilador .
Figura 7- Primeiro protótipo.
Em seguida 22/09/2009 usamos um dínamo, não dando certo
novamente por que este não satisfazia a nossa necessidade, a quantidade
de ar que mandava através das mangueiras era insuficiente para criar força
necessária para impulsionar o volume contido dentro do recipiente ,outro
fator negativo foram as hélices com poucas pás e muito pesadas portanto
outro insucesso. (sem figura).
21
Em 20/11/2009 outra tentativa usamos um pistão pneumático
adaptado com excêntrico na extremidade da haste que por sua vez e
encaixado em uma engrenagem de menor diâmetro (10mm) que faz parte
com outro diâmetro (40mm), maior porem estas engrenagens deveriam
estar invertidas para que pudéssemos ganhar em velocidade de giro
tentamos inverte-las sem sucesso, o suporte não suportava o tamanho da
engrenagem maior, limamos para encaixá-la, o suporte ficou muito fraco
não resistindo e acabou quebrando.
Figura 8- Segundo protótipo. Figura 9- Segundo protótipo adaptado.
Finalmente conseguimos, fazer algumas adaptações importantes ao
projeto,trocamos o ´pistão pneumático pela bomba, aumentamos o
excêntrico,criamos uma válvula reguladora de pressão aumentamos o raio
das hélices que deu ganho de potencia pela captação de mais ar pelas
hélices, consequentemente tivemos ganho natural de volume na bomba
pneumática o suficiente para manter a força constante criando uma
pressão estável dentro do recipiente capaz de elevar a coluna de água
através de um tubo colocado dentro do recipiente sobre saindo alguns
22
centímetros acima desta cuba, portanto em 24/11/2009 obtivemos sucesso
em nosso experimento.
Figura 9- Protótipo definitivo.
6- CÁLCULOS DESCRITIVOS:
6.1- Legenda:
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Ǿ = diâmetro
H e h = altura
l = comprimento e profundidade
b = base
V = volume
Hman = altura manométrica
Htubo = altura máxima
ρ = densidade
g = gravidade
v = velocidade
A = área
F = força
P = pressão
6.2- Dimensional:
Hélice
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Ǿ = 400 mm rH = 200 mm rH = 0,20 m
Tubo transparente - cilindro
Ǿ = 38,8 mm
Htubo = 700 mm Htubo = 0,70 m
Hman = 90 mm Hman = 0,09 m
Htubo-man = 0,61 m
A = 2 .π . r. h + π . r2 A = 87,68 . 10
-3 m
2
Bomba de Ar
Ǿ = 34 mm r = 17 mm
h = 49 mm
ǾEXC = 7 cm rv = 0,07 m
ρ ar = 1,2 kg/m3
g = 9,8 m2/s
v = 80 rpm v = 40 rps (rotações por segundo)
Recipiente de vidro
b = 304 mm
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h = 200 mm
l = 151 mm
ρH2O = 1,00 g/cm3 ρH2O = 997,0479 kg/m3
6.3- Memorial de cálculos (aplicação fórmulas físicas e matemáticas):
Bomba de Ar – cilindro
A = 2 .π . r. h + π . r2 A = 11,38 . 10
-3 m
2
V = π . r2. h V = 44,48 . 10
-6 m
3
Recipiente de vidro – retângulo
A = b .h A = 60,8 . 10 -3
m3
V = b .l. h V = 9,18 . 10 -3
m3
Equação de Bernoulli
P1 = Htubo-man . ρH2O . g + ρH2O . Hman. g
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P1 = 14,75 . 10 3 kg. m/ m
2.s
2 - P1 = 14,75 . 10
3 N/m
2
ou P1 = 14,75 . 10 3 Pa
F1 = P1 F1 = 0,17. 10 6 N
Acil
F1 . rv = F2 . rH
F2 = F1 . rv F2 = 0,43 . 10 6 N
Rh
Portanto F1 >F2
7- RESULTADOS E DISCUSSÕES:
Com a análise dos cálculos foi possível determinar que a água subirá
pelo tubo cilindríco, pois a força exercida em F1 é menor que em F2 .
Nos ensaios realizados foi considerado a altura máxima de 0,70 m
em relação a velocidade de 40 rotações por segundo, isto significa que
houve a possibilidade de se elevar a água no tubo a um altura de 0,50 m.
8- CONCLUSÃO:
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A partir da combinação da força do vento acionando hélices, através
de uma combinação mecânica, concluímos que do principio da
transformação de energia eólica em energia mecânica fizemos elevar
uma coluna de água através de um tubo plástico satisfazendo em parte o
objetivo com estes resultados alcançados, também levamos em conta as
perdas durante o processo as quais influenciaram diretamente no
resultado final que ficou dentro do esperado.
9- REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS:
HALLIDAY, D. E.; RESNICK, R. Fundamentos de Física, 4. ed., v.2, .,
Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 1991.
NETO, P. A. B. Energia Eólica. UFLA/FAEPE, Lavras. 2005.
SEARS, F. W. E; ZEMANSKY, M. W. Física, 2. ed., v.1, Brasilia:
Universidade de Brasília, 1973.
28
10- ANEXOS:
