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PROJETO DE UM AEROGERADOR VERTICAL DE PEQUENO PORTE PARA
APLICAÇÃO EM HABITAÇÕES POPULARES EM CENTROS URBANOS
José Benjamin Moraes Ferreira Júnior
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador:
Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
SETEMBRO DE 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
DEM/POLITÉCNICA/UFRJ
PROJETO DE UM AEROGERADOR VERTICAL DE PEQUENO PORTE PARA
APLICAÇÃO EM HABITAÇÕES POPULARES EM CENTROS URBANOS
José Benjamin Moraes Ferreira Júnior
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc. (Orientador)
________________________________________________
Prof. Fábio Luiz Zamberlan; D.Sc.
________________________________________________
Prof. Fernando Pereira Duda, DSc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
SETEMBRO DE 2016
i
Ferreira Júnior, José Benjamin Moraes
Projeto de um aerogerador vertical de pequeno porte
para aplicação em habitações populares em centros urbanos /
José Benjamin Moraes Ferreira Júnior - Rio de Janeiro: UFRJ
/ Escola Politécnica, 2016.
IX, 55 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Armando Carlos de Pina Filho
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica /
Curso de Engenharia Mecânica, 2016.
Referências bibliográficas: p. 54-55.
1. Turbina Eólica. 2. Potencial Eólico Brasileiro. 3.
Tecnologia Eólica. 4. Projeto Mecânico. 5. Conclusões. 6.
Sugestões para futuros trabalhos. I. Pina Filho, Armando
Carlos de. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,
Escola Politécnica, Engenharia Mecânica. III. Projeto de
um aerogerador vertical de pequeno porte para aplicação
em habitações populares em centros urbanos.
ii
Este trabalho é dedicado a
Deus e a todos que me
ajudaram nessa caminhada
até aqui, principalmente
minha família.
iii
AGRADECIMENTOS
Não poderia começar sem antes agradecer àquele que nunca saiu do meu lado e
sempre esteve comigo em todo o tempo. Não poderia deixar de dizer que se não fosse Ele
eu nunca teria chego até aqui – etapa fundamental e marcante em minha vida – e que sem
Ele de nada adiantaria todo esse esforço. Ele foi a minha força e meu sustento em todo o
tempo, até mesmo quando não pensei que estivesse sendo. Por essas e tantas outras razões
que eu faço questão de dizer obrigado neste primeiro parágrafo à Ele: ao Senhor, meu
Deus.
Quero poder agradecer, também, a toda minha família que esteve comigo ao meu
lado, mesmo quando fui, talvez, incompreensível durante as épocas de prova. Ao meu pai
Benjamin Ferreira, a minha mãe Diana e minhas irmãs mais velhas Adriana e Nathalie.
Sei que oraram e me deram forças quando me senti fraco ou cansado.
Não poderia deixar de mencionar, também, os meus amigos que tive a chance de
conhecer já no meio do curso de graduação. Não cabe mencionar nomes porque são
muitos e poderia correr o risco de esquecer alguém. Mas sei que eles certamente se
identificarão com o que falo. Os trabalhos em grupos que tiveram, até mesmo, viradas de
noites, as discussões na biblioteca e em salas de estudo, as trocas de mensagens tirando
dúvidas e as conversas na fila para o restaurante. Vocês tiveram papel fundamental nessa
minha conquista.
Quero poder ainda agradecer aos meus amigos e companheiros que na maior parte
das vezes estão comigo durante a semana e nos finais de semana. Vocês foram e fizeram
parte dos meus momentos de distrações, me tirando de minha rotina.
E, por último, agradecer a todos os professores que me deram todo o alicerce para
que eu pudesse, agora, me formar devidamente como um engenheiro mecânico
responsável e dedicado. Em especial, ao meu professor e orientador Armando que se
mostrou sempre disponível e preocupado com o andamento deste trabalho.
Obrigado a todos!
iv
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
PROJETO DE UM AEROGERADOR VERTICAL DE PEQUENO PORTE PARA
APLICAÇÃO EM HABITAÇÕES POPULARES EM CENTROS URBANOS
José Benjamin Moraes Ferreira Júnior
Setembro/2016
Orientador: Armando Carlos de Pina Filho
Curso: Engenharia Mecânica
O uso do vento como fonte alternativa às fontes convencionais de energia vem
ganhando cada vez mais espaço no mercado mundial. E sua aplicação em residências
também tem se mostrado útil e satisfatória em alguns países. Dessa maneira, este trabalho
vem trazer ao cenário e contexto atual brasileiro a viabilidade do projeto de uma turbina
eólica vertical de porte pequeno, que pode ser instalada em habitações populares para uso
próprio na geração de energia. Devido às suas características e a potencialidade eólica do
Brasil, torna-se necessário que o uso da turbina venha a ser utilizada como fonte geradora
auxiliar de energia, além daquela que é comercializada e distribuída por meio das redes
elétricas. Por se tratar de aplicação em habitações populares, procurou-se reduzir as
dimensões da turbina de forma que se ajustasse proporcionalmente às medidas da casa.
Assim, os materiais escolhidos para a sua fabricação, bem como seus periféricos, também
foram otimizados de maneira a trazer confiança, resistência e baixo custo aos
consumidores finais desse projeto. Este trabalho conta com um estudo de viabilidade,
projeto, análise de resistência e escolha de periféricos para se ajustar aos parâmetros
iniciais de escolha e termina com sugestões futuras de projetos com o desenho técnico da
turbina anexado.
Palavras-chave: turbina eólica vertical, Darrieus H, energia renovável e limpa, projeto mecânico.
v
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Mechanical Engineer.
SMALL-SIZED VERTICAL WIND TURBINE PROJECT FOR APPLICATION IN
RESIDENTIAL HOUSING IN URBANS AREAS
José Benjamin Moraes Ferreira Júnior
September /2016
Advisor: Armando Carlos de Pina Filho
Course: Mechanical Engineering
The use of wind as an alternative to the conventional power resources has become
increasingly more widespread in the worldwide market. Furthermore, its application in
residential homes has proven to be useful and adequate in some countries. Thus, this paper
aims to bring to the contemporary Brazilian context the viability of a small-sized vertical
wind turbine project that can be installed in residential housing for the purposes of power
generation. Due to its features and the Brazilian wind potential, it is necessary that wind
turbines come to be used as an auxiliary power generator resource, in addition to the ones
currently commercialized and distributed by electrical networks. Since the issue at hand
is its application in personal homes, the reduction of the turbine’s dimensions is sought
in order to adjust it proportionally to the house’s size. Thus, the materials chosen in its
manufacturing, as well its peripherals, were also optimized in order to bring quality,
resistance and low cost to the final consumers of this project. This paper contains a
viability study, project, resistance analysis and choice of peripherals to adjust them to the
initial choice parameters, and it ends with suggestions for future projects with the
technical turbine design attached.
Keywords: vertical air turbine, Darrieus H, clean and renewable power, mechanical
project.
vi
Sumário
1. Organização do Trabalho ........................................................................ 1
2. Motivação e Objetivo .............................................................................. 2
3. Introdução ............................................................................................... 4
3.1. A Energia Eólica ............................................................................... 4
3.2. Histórico da Energia Eólica .............................................................. 4
3.3. Histórico do Potencial Eólico Brasileiro .......................................... 8
3.4. Potencial Eólico Atual no Mundo .................................................. 10
3.5. Potencial Eólico Brasileiro Atual ................................................... 13
3.6. Sistema Elétrico Brasileiro ............................................................. 15
3.7. Características Geográficas do Brasil ............................................. 15
3.8. Clima e Sazonalidade ..................................................................... 16
3.9. Regimes de Vento sobre o Brasil ................................................... 17
4. Turbinas Eólicas .................................................................................... 19
4.1. Principais Tipos .............................................................................. 19
4.1.1. Rotores de Eixo Vertical .......................................................... 19
4.1.2. Rotores de Eixo Horizontal ...................................................... 21
4.2. Princípios e Tecnologia .................................................................. 22
5. Projeto ................................................................................................... 26
5.1. Escolha do Aerogerador de Eixo Vertical ...................................... 26
5.2. Considerações Iniciais .................................................................... 27
5.3. Componentes de um Aerogerador Vertical .................................... 29
5.3.1. Pá do Rotor ............................................................................... 30
vii
5.3.2. Eixo do Rotor ........................................................................... 32
5.3.3. Resistência da Pá ...................................................................... 41
5.3.4. Braço ou Suporte ...................................................................... 47
5.3.5. Gerador Elétrico ....................................................................... 49
5.3.6. Caixa de Engrenagens .............................................................. 51
5.4. Desenho Técnico da Turbina .......................................................... 51
6. Conclusão .............................................................................................. 51
6.1. Sugestões para Trabalhos Futuros ..................................................... 53
7. Referências ............................................................................................ 54
viii
Lista de Figuras
Figura 1 – Evolução da Potência Eólica Instalada no Mundo [2] .............. 11
Figura 2 - Participação na Geração Eólica por País [2] .............................. 11
Figura 3 – Geração, Expansão e Potência Instalada por País [2] ............... 12
Figura 4 – Potência Eólica no Brasil [2] ..................................................... 13
Figura 5 – Evolução da Capacidade Instalada Eólica no Brasil [2] ............ 14
Figura 6 - Geração e Potência Instalada por Estado Brasileiro em 2014 [2]
..................................................................................................................... 14
Figura 7 - Distribuição Geral dos Ventos sobre o Brasil [1] ...................... 17
Figura 8 – Turbina do Tipo Darrieus .......................................................... 20
Figura 9 – Turbina do Tipo Savonius ......................................................... 20
Figura 10 - Turbina do Tipo Darrieus - Savonius ....................................... 21
Figura 11 - Efeito causado pela passagem do ar através da turbina [1] ...... 23
Figura 12 – Curva de Potência para Turbinas Eólicas [1] .......................... 24
Figura 13 – Turbina Darrieus H Instalada em telhado [4] .......................... 27
Figura 14 – Resultado de Simulação para Gastos Mensais de Energia de uma
habitação [6] ................................................................................................ 27
Figura 15 – Mapa do Potencial Eólico do Rio de Janeiro [6] ..................... 28
Figura 16 – Configuração Esquemática de Aerogerador Conectado à Rede
Elétrica [6] ................................................................................................... 29
Figura 17 – Turbina Darrieus de Pás Curvadas [4] ..................................... 30
Figura 18 – Gráfico Cp x TSR para cada 𝜎 [4] ........................................... 31
Figura 19 – Perfil do Aerofólio NACA 0015 [8] ........................................ 32
Figura 20 – Gráfico 𝛼 x 𝜃 para cada 𝜆 [10] ................................................ 33
Figura 21 – Gráfico 𝐶𝑑 x 𝛼 [8] .................................................................. 34
Figura 22 – Esforços sobre o eixo do Rotor ................................................ 36
Figura 23 – Esquema Simplificado de uma Turbina Darrieus H ................ 41
Figura 24 – Esforços Atuantes Sobre uma Pá de uma Turbina Eólica [4] . 42
ix
Figura 25 – Gráfico do Esforço 𝑉𝑥 Sobre a Pá ........................................... 43
Figura 26 – Gráfico do Esforço 𝑀𝑧 Sobre a Pá .......................................... 43
Figura 27 – Gráfico do Esforço 𝑉𝑧 Sobre a Pá ........................................... 44
Figura 28 – Gráfico do Esforço 𝑀𝑥 Sobre a Pá .......................................... 44
Figura 29 – Gráfico do Esforço N Sobre a Pá ............................................. 45
Figura 30 – Projeto da Pá em SolidWorks .................................................. 47
Figura 31 – Detalhe do Suporte da Pá [12] ................................................. 48
Figura 32 – Fixação do Suporte das Pás ao Eixo do Rotor [12] ................. 49
Figura 33 - Folha de Dados do Motor WEG Steel Motor ........................... 50
Figura 34 – Motor Elétrico WEG Steel Motor ........................................... 50
1
1. Organização do Trabalho
No primeiro capítulo é feita uma abordagem geral de todo o conteúdo do projeto
abordando os principais temas de todos os capítulos, de forma a situar o leitor na
organização e contexto do projeto antes de uma leitura detalhada do mesmo.
Já no capítulo dois, é introduzido o porquê de se investir e tornar cada vez mais
aplicável o uso de tecnologia eólica no mundo e, principalmente, no atual contexto
brasileiro. Tudo isso a fim de que possa ser ilustrado as suas vantagens e mostrar, assim,
a motivação de escrever este trabalho e o objetivo que pretende ser alcançado.
No terceiro capítulo, onde se encontra a introdução, é descrito o que é a energia
eólica e de onde tem origem, passando por um rápido histórico de como se deu o início
de sua aplicação em todo o mundo e no Brasil. Neste capítulo é possível observar,
também, o crescimento do potencial eólico até os dias atuais e como ele está associado
ao sistema elétrico brasileiro. Além disso, uma breve descrição é feita sobre a geografia
do Brasil e como ela está relacionada com a distribuição de seus ventos.
No quarto capítulo são analisados todos os tipos de turbinas eólicas existentes,
mencionando suas principais diferenças e suas principais tecnologias empregadas.
No capítulo cinco, começa a se dar início ao estudo do projeto da turbina, onde
pode-se encontrar o tipo de turbina escolhido para a aplicação neste trabalho, a escolha
dos parâmetros iniciais de projeto, bem como os cálculos de resistência e a escolha de
seus principais componentes.
Já os capítulos finais, destinam-se ao fechamento do trabalho. No capítulo
seguinte, o seis, é feita a conclusão do projeto com uma análise geral dos resultados
encontrados e são dadas sugestões para futuros trabalhos.
E no capítulo sete, o último, pode-se encontrar todas as referências utilizadas que
serviram como base de auxílio para este projeto.
2
2. Motivação e Objetivo
Em um mundo cada vez mais dependente das principais e tradicionais fontes de
energia, torna-se essencial o desenvolvimento de novas tecnologias a partir de fontes
renováveis e limpas. Além disso, o rigor de leis fiscais ambientais existentes atualmente
tem se intensificado cada vez mais, o que torna a utilização de recursos naturais como o
vento, por exemplo, disponível a todos em abundância, um atrativo na busca de novos
meios de geração de energia elétrica.
Outro fator importante e considerável é a atual situação da maioria da população
brasileira que tem de enfrentar grandes impostos e, consequentemente, aumento do preço
das tarifas de consumo de energia elétrica através das concessionárias de distribuição de
energia.
Como alternativa a esses fatores, este trabalho tem como finalidade trazer a
proposta de um projeto de uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte para
aplicação em residências populares. Seu papel é auxiliar e prover geração de energia
elétrica como forma de suprimento parcial e complementar à rede tradicional doméstica
já existente.
Além desses aspectos, este trabalho também inclui como um de seus objetivos a
complementação do projeto mecânico de uma turbina à obra de Cotia [6], que abrange
estudo de caso para análise de viabilidade técnico-econômica da implantação desse tipo
de sistema em habitações populares, onde há pouco espaço disponível e a demanda
energética é uma das maiores do país.
Espera-se alcançar resultados satisfatórios com esse estudo, propiciando aos
moradores locais dessas habitações uma parcela de economia no que diz respeito ao
consumo energético. Tendo em vista o atual cenário político, econômico e financeiro do
país, torna-se cada vez mais necessário a busca por soluções sustentáveis onde o
consumidor final pode economizar com seus gastos de consumo energético, sendo
parcialmente independente e tendo autonomia em geração de eletricidade.
Sendo assim, uma maior autonomia em geração de energia, contribuição com
menor consumo elétrico em horários e épocas de pico e difusão de uma tecnologia viável
3
e econômica a partir de uma fonte natural – o vento – são consequências desejáveis e que
busca-se obter com este projeto.
4
3. Introdução
3.1. A Energia Eólica
O vento – atmosfera em movimento – tem sua origem na associação entre a
energia solar e a rotação planetária. Todos os planetas envoltos por gases em nosso
sistema solar demonstram a existência de distintas formas de circulação atmosférica e
apresentam ventos em suas superfícies. Trata-se de um mecanismo solar-planetário
permanente; sua duração é mensurável na escala de bilhões de anos. [1]
As massas de ar mais quentes sobem na atmosfera e geram zonas de baixa pressão
junto à superfície da terra. Como consequência, massas de ar frio deslocam-se para essas
zonas de baixa pressão e dão origem ao vento.
De acordo com o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro [1], o aproveitamento
energético eólico no mundo cada vez mais consolida-se como uma alternativa viável e
limpa. Esse tipo de energia compõe complementarmente matrizes energéticas de muitos
países e, uma vez que os ventos oferecem uma opção de suprimento no século XXI, em
conjunto com outras fontes renováveis, poderá conciliar as necessidades de uma
sociedade industrial moderna com os requisitos de preservação ambiental.
Os números que indicam a crescente utilização de energia eólica, em várias partes
do mundo, comprovam a maturidade da tecnologia que envolve e dos aspectos
socioeconômicos que lhes são pertinentes. Consideradas a sua configuração geográfica,
as suas condições climáticas e a necessidade e oportunidade de ampliar e revigorar a nossa
matriz energética, para o Brasil mostra-se absolutamente adequado e estratégico conduzir
esforços para acompanhar essa tendência e implementar efetivamente a tecnologia da
geração de energia eólica, segundo o Atlas [1].
3.2. Histórico da Energia Eólica
Os primeiros aproveitamentos da força dos ventos pelo homem têm data bastante
imprecisa, mas, certamente, ocorreram há milhares de anos, no Oriente. Eram
5
provavelmente máquinas que utilizavam a força aerodinâmica de arrasto, sobre placas ou
velas, para produzir trabalho. [1]
De acordo com o Atlas [1], estima-se que a partir da Idade Média o homem passou
a utilizar em maior escala as forças aerodinâmicas de sustentação, permitindo a realização
de grandes navegações e também maior eficiência às máquinas eólicas. Possivelmente,
máquinas eólicas movidas por forças de sustentação foram introduzidas na Europa pelas
Cruzadas, por volta do século XI. O certo é que no século XIV, na Holanda, essas
máquinas já apresentavam grande evolução técnica e de capacidade em potência e ampla
aplicação como fonte de energia, principalmente em moagem de grãos, serrarias e
bombeamento d’água. À época da descoberta do Brasil, em 1500, havia muitos milhares
de moinhos de vento em toda a Europa, da Península Ibérica aos países nórdicos. Ainda
nos dias atuais, há em toda parte do mundo intensa utilização de cata-ventos para
bombeamento de água, além da utilização de velas para movimentação de embarcações
de pesca, de esporte, de turismo e de pesquisa. Durante os séculos seguintes, as máquinas
eólicas tiveram grandemente expandida a sua aplicação na Europa: em fabricação de
papel para atender à demanda após a invenção da imprensa, em produção de óleos
vegetais e até em grandes projetos de drenagem. Com a expansão do uso de máquinas a
vapor, no século XIX, os moinhos de vento europeus entraram gradualmente em desuso.
Outro surto de aplicação em larga escala de máquinas eólicas deu-se nos Estados
Unidos, no século XIX. Após a abolição da escravatura naquele país, em 1863, inicia-se
a disseminação da utilização do cata-vento multipá para bombeamento d’água. Cata-
ventos multipás chegaram a ser produzidos industrialmente em escalas de centenas de
milhares de unidades por ano, por diversos fabricantes, o que possibilitou preços
acessíveis a grande parte da população. Ao mesmo tempo em que constituiu um
importante fator da economia, muitos historiadores atribuem parcela do sucesso e da
rapidez da expansão colonizadora do Oeste à disponibilidade de cata-ventos multipás de
baixo custo – que facilitaram o acesso à água e a fixação de apoios em grandes áreas
áridas ou semiáridas. Estima-se que mais de 6 milhões de cata-ventos multipás já foram
produzidos no mundo até o início do século XXI, segundo o Atlas [1].
O uso do cata-vento multipás estadunidense expandiu-se pelos diversos
continentes, inclusive no Brasil. Na década de 1880 encontrava-se quase uma dezena de
fabricantes, em todo o país. [1]
6
Porém, o primeiro moinho de vento utilizado para a produção de energia elétrica
foi construído na Escócia, em 1887, pelo professor James Blyth, do Colégio de Anderson,
Glasgow, numa torre de 10 m de altura, instalado no jardim de sua casa, em Marykirk. A
geração carregava acumuladores, que alimentavam a iluminação da casa de campo.
Apesar de outra experiência de Blyth para fornecer energia de emergência para o Lunatic
Asylum local, o invento não evoluiu por não ser economicamente viável. [2]
De volta aos Estados Unidos em Ohio, um outro moinho de vento foi projetado e
construído, entre 1887 e 1888, por Charles F. Brush. Foi construído por sua empresa de
engenharia, em sua casa. Contava com um rotor de 17 m de diâmetro, com 144 lâminas,
sobre uma torre de 18 m de altura, para uma potência de 12 kW. O dínamo ligado
carregava um banco de baterias que alimentava lâmpadas incandescentes e motores, no
laboratório de Brush. A máquina caiu em desuso em 1900, quando a eletricidade tornou-
se disponível a partir de estações centrais de Cleveland e foi abandonada em 1908,
segundo o MME – Ministério de Minas e Energia [2].
Em 1891, o cientista dinamarquês Poul la Cour também construiu um aerogerador,
que foi usado para produzir hidrogênio por eletrólise, para ser armazenado e usado em
experimentos e para iluminar o High School Askov. Já em 1900, a Dinamarca contava
com cerca de 2.500 moinhos de vento, usados para bombear água e moer grãos,
produzindo um pico de potência combinada estimada em 30 MW. [2]
No centro-oeste americano, até 1900, de acordo com o MME [2], um grande
número de pequenos moinhos de vento estava instalado em fazendas para operar bombas
de irrigação. Empresas como a Star, Eclipsee e Fairbanks-Morse tornaram-se famosas
fornecedoras de aeromotores para a América do Norte e do Sul.
Em termos de aerogradores de grande potência, somente em 1941 ocorreu a
primeira experiência acima de 1 MW, conectado à rede de Vermont – Estados Unidos
(1.000 residências atendidas). O projeto de Palmer Cosslett Putnam foi fabricado pela S.
Morgan Smith Company. Com turbina de 1,25 MW, movida por um sistema de duas pás,
operou por pouco tempo devido a problemas de manutenção em tempos de Segunda
Guerra Mundial. [2]
Outras experiências com aerogeradores de maior potência ocorreram nas décadas
de 50 e 60 contemplando 3 pás, característica das atuais usinas. Pode-se dizer que o
7
precursor das atuais turbinas eólicas surgiu na Alemanha (Hütter, 1955), já com pás
fabricadas em materiais compostos, controle de passo e torre tubular esbelta. [1] [2]
Na década de 1970 e até meados da década de 1980, após a primeira grande crise
de preços do petróleo, diversos países – inclusive o Brasil – dispenderam esforços em
pesquisa sobre utilização da energia eólica para a geração elétrica. Data dessa época a
turbina DEBRA 100kW, desenvolvida em conjunto entre os institutos de pesquisa
aeroespacial do Brasil e da Alemanha (DEBRA, DEutsche BRAsileira). [1]
Entretanto, foi a partir de experiências de estímulo ao mercado, realizadas na
Califórnia (década de 1980), Dinamarca e Alemanha (década de 1990), que o
aproveitamento eólio-elétrico atingiu escala de contribuição mais significativa ao sistema
elétrico, em termos de geração e economia, de acordo com o Atlas [1]. O desenvolvimento
tecnológico passou a ser conduzido pelas nascentes indústrias do setor, em regime de
competição, alimentadas por mecanismos institucionais de incentivo – especialmente via
remuneração pela energia produzida. Características também marcantes desse processo
foram:
a. Devido à modularidade, o investimento em geração elétrica passou a ser
acessível a uma nova e ampla gama de investidores;
b. Devido à produção em escalas industriais crescentes, o aumento de capacidade
unitária das turbinas e novas técnicas construtivas, possibilitaram reduções
graduais e significativas no custo por kilowatt instalado e, consequentemente,
no custo de geração;
O principal problema ambiental inicial – impactos das pás em pássaros –
praticamente desapareceu com as turbinas de grande porte e menores velocidades
angulares dos rotores. Por se mostrar uma forma de geração praticamente inofensiva ao
meio ambiente, sua instalação passou a simplificar os minuciosos – e demorados –
estudos ambientais requeridos pelas fontes tradicionais de geração elétrica, bastando, em
muitos casos, aos poderes concedentes a delimitação das áreas autorizadas para sua
instalação. Esse último fato, aliado às escalas industriais de produção de turbinas,
tornaram a geração eólio-elétrica uma das tecnologias de maior crescimento na expansão
da capacidade geradora. [1]
Segundo o Atlas [1], apenas na Alemanha – densamente povoada – foram
adicionados 1.665 MW eólio-elétricos no ano 2000, totalizando 6.094,8 MW instalados
8
naquele país até 31/12/2000. Em 2000, o incremento da capacidade eólica também foi
notável na Espanha, Índia e China.
3.3. Histórico do Potencial Eólico Brasileiro
Em 1976 e 1977, um processamento específico de dados anemométricos medidos
em aeroportos brasileiros foi realizado no Instituto de Atividades Espaciais, no Centro
Técnico Aeroespacial, IAE/CTA. 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. [1]
De acordo com o Atlas [1], em 1987, a CHESF – Companhia Hidro-Elétrica do
São Francisco finalizou um inventário do potencial eólico da região Nordeste, realizado
a partir de processamento/análise de registros anemográficos para um período de 5 anos
(1977-1981) de 81 estações a 10m de altura, pertencentes à Rede Meteorológica do
Nordeste – SUDENE. Os dados, processados pela Universidade Federal da Paraíba,
Campina Grande, foram publicados em sumários e mapas para velocidades a 10m de
altura. As maiores velocidades médias anuais encontradas foram de 5,5m/s e 4,3m/s, para
Macau, RN e Caetité, BA, respectivamente.
A realização de um desses estudos meteorológicos incluiu o processamento de
dados de 389 estações anemométricas de 10m de altura, existentes em todo o território
nacional, segundo o Atlas [1].
Todos esses estudos realizados até o final da década de 1980 foram prejudicados
pela consideração exclusiva de registros anemométricos obtidos a alturas máximas de
10m. A maioria dos seus dados é mascarada pela influência de rugosidade e obstáculos
próximos; esses dados não são necessariamente representativos das áreas geográficas em
que estão instalados os equipamentos. Metodologias para a correção e extrapolação
9
desses dados para alturas desejadas ainda não se achavam disponíveis na época. Mesmo
que existissem, aplicá-las ao território brasileiro em toda a sua extensão possivelmente
implicaria custos e prazos excessivos, além de grandes margens de incerteza nos
resultados. [1]
De acordo com o Atlas [1], na década de 1990 iniciaram-se medições específicas
para inventários de potencial eólico em torres de altura acima de 20m instaladas em locais
especificamente selecionados em diversas regiões do Brasil: litoral do Ceará e Estados da
Bahia, Minas Gerais e Paraná.
Com a aceleração mundial do aproveitamento eólio-elétrico em escala e a
instalação das primeiras usinas eólicas no Brasil, no final da década de 1990, iniciaram-
se as primeiras medições anemométricas específicas para estudos de viabilidade, com uso
de torres de 30 a 50m e equipamentos com precisão e procedimentos requeridos para a
finalidade. Essas medições concentraram-se inicialmente nos Estados do Pará, Ceará,
Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul, segundo o Atlas [1].
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. [1]
De acordo com o Atlas [1], em 1999, a COPEL publicou o “Mapa do Potencial
Eólico do Estado do Paraná”, a partir das medições efetuadas por 5 anos em 25 locais
especialmente selecionados, em torres de 18m a 64m de altura. Esse mapa foi produzido
com utilização de modelos de geoprocessamento de relevo e rugosidade do Estado do
Paraná. Além de revelar áreas de grande potencial eólico no interior do Paraná, o trabalho
indicou um potencial de geração eólica de 5,8 TWh/ano no estado, utilizando-se apenas
as áreas com velocidades médias anuais superiores a 6,5m/s.
Já resultante dessas medições mais precisas, a Secretaria da Infra-Estrutura do
Governo do Estado do Ceará publicou em 2001 o “Atlas do Potencial Eólico do Estado
do Ceará”. Os mapas temáticos de velocidades médias anuais de vento são apresentados
para as alturas de 50m e 70m. Destacaram-se as áreas de baixíssima rugosidade das dunas
do litoral cearense, com velocidades médias anuais da ordem de 9m/s. A integração das
áreas em software de geoprocessamento revela um potencial aproveitável da ordem de
10
12,0 TWh na altura de 50m e de 51,9 TWh na altura de 70m, para ventos médios anuais
superiores a 7m/s, segundo o Atlas [1].
Outro resultado que se encontra no “Atlas do Potencial Eólico Nacional”
publicado, também, em 2001 indicou a tendência a velocidades maiores de vento no
litoral brasileiro e também em áreas do interior favorecidas por relevo e baixa rugosidade.
O mapeamento das velocidades médias a 10m de altura também possibilitou identificar
locais com médias anuais entre 5m/s e 6m/s. O mesmo atlas também estimou em 143 GW
o potencial nacional, considerando torres de até 50 m de altura. [1] [2]
O Programa de Incentivo às Fontes Alternativas (Proinfa) foi o ponto de partida
do setor eólico nacional, ao contratar em 2004 um pouco mais de 1,4 GW de potência (54
usinas). Na época, era a mais cara e a menos desenvolvida das três fontes incentivadas,
superando as térmicas, a biomassa e as pequenas centrais hidrelétricas. [2]
De acordo com o MME [2], o fator impulsionador foi o primeiro leilão exclusivo
para eólicas, em 2009, que iniciou a fase competitiva, na qual o parque mais eficiente e
barato era o ganhador. Imediatamente os preços recuaram, atingindo, em 2012, o seu
menor valor. Em 2013 e 2014 houve pequena recuperação. Em 2015, em razão da
desvalorização do Real, os preços passam a subir significativamente, mas mantendo uma
trajetória quase constante.
3.4. Potencial Eólico Atual no Mundo
As informações disponíveis de capacidade instalada de geração eólica no mundo
remontam somente ao ano de 1980, com o montante de 7 MW. Entre 2000 e 2014, a taxa
média de crescimento foi de 24,2% ao ano. O acréscimo de 53 GW de potência eólica,
em 2014, respondeu por 24% da expansão mundial de todas as fontes [2]. O crescimento
em potência instalada no mundo pode ser visualizado conforme apresentado na figura 1:
11
O fator de capacidade (FC) vem aumentando significativamente, em razão dos
avanços tecnológicos em materiais e porte das instalações, o que permite melhor
aproveitamento dos ventos, de acordo com o MME [2].
A participação da geração eólica na geração total mundial, que era praticamente
nula em 1980, em 2014 já atingia 3,0% (2,7% em 2013). Os Estados Unidos apresentam
a maior participação na geração eólica, de 26%, mas a China pode assumir a 1ª posição
nos próximos anos. A Dinamarca foi pioneira na geração eólica (100% em 1980) [2]. Na
figura 2 pode ser visto um levantamento histórico, a partir de 1980, da geração eólica no
mundo por país:
Figura 2 - Participação na Geração Eólica por País [2]
Figura 1 – Evolução da Potência Eólica Instalada no Mundo [2]
12
A Dinamarca apresenta a maior proporção de geração eólica em relação à sua
geração total, de expressivos 41,4%, vindo em seguida Portugal (23,2%), Irlanda (20%)
e Espanha (19,1%). Nos demais países, a proporção fica abaixo de 10%. [2]
O Brasil, em 2014, foi o 10º país em geração (15º em 2013), o 4º na expansão de
potência (2,7 GW), e o 1º em fator de capacidade (37%), segundo o MME [2].
Informações detalhadas do último levantamento realizado em 2014 podem ser
conferidas na figura 3:
Figura 3 – Geração, Expansão e Potência Instalada por País [2]
13
3.5. Potencial Eólico Brasileiro Atual
A geração eólio-elétrica expandiu-se no mundo de forma acelerada ao longo da
última década, atingindo a escala de gigawatts. Um dos fatores que limitam investimentos
em empreendimentos eólicos tem sido a falta de dados consistentes e confiáveis. A
maioria dos registros anemométricos disponíveis é mascarada por influências
aerodinâmicas de obstáculos, rugosidade e relevo. A disponibilidade de dados
representativos é importante no caso brasileiro, que ainda não explorou esse recurso
abundante e renovável de forma expressiva. [1]
Com o uso de ferramentas possibilitadas por recentes avanços da capacidade
computacional, de simulações baseadas nas leis físicas de interação entre as diversas
variáveis meteorológicas – registradas e consolidadas em extensos bancos de dados e
validadas por registros anemométricos selecionados – torna-se possível superar
obstáculos históricos ao conhecimento do potencial eólico brasileiro, conforme afirma o
Atlas [1].
O potencial eólico brasileiro para aproveitamento energético tem sido objeto de
estudos desde 1970 e o seu histórico revela o lento, mas progressivo descortinamento de
um potencial energético natural de relevante magnitude existente no país. [1]
Prova disso está que até o final de novembro de 2015, estavam contratados 16,6
GW de potência eólica, dos quais, 6,8 GW estavam em operação, 3,6 GW em construção
e 6,2 GW aptos para iniciar a construção – figura 4. Para atingir os 24 GW em 2024,
previstos no Plano Decenal de Expansão de Energia – PDE2024, há que contratar, ainda,
7,4 GW, no período de 2016 a 2021. [2]
Figura 4 – Potência Eólica no Brasil [2]
14
O crescimento histórico do potencial eólico instalado no Brasil a partir de 1992
pode ser conferido através da figura 5:
Figura 5 – Evolução da Capacidade Instalada Eólica no Brasil [2]
O fator de capacidade do Brasil aumentou ao longo do tempo, a exemplo do que
ocorreu no mundo, como resultado de aumentos sucessivos no porte das instalações,
acompanhados de desenvolvimento tecnológico, além da escolha de melhores sítios. [2]
Informações detalhadas a respeito do último levantamento realizado em 2014 por
estado brasileiro podem ser conferidas na figura 6:
Figura 6 - Geração e Potência Instalada por Estado Brasileiro em 2014 [2]
15
Pode-se observar que o Ceará é o estado que apresenta a maior proporção na
geração eólica brasileira, de 30,9% e, também, um alto fator de capacidade de 43,5%, o
segundo maior.
3.6. Sistema Elétrico Brasileiro
Em 2015, cerca de 71% do consumo total (464,7 TWh) de energia elétrica no
Brasil foram supridos por usinas hidrelétricas. Desse percentual, 47,7% foram
consumidos pelos setores residencial e comercial e 36,5% pelo setor industrial. [3]
O desenvolvimento econômico do país potencializa necessidades de expansão da
oferta de energia, com previsão até 2020 de 35.303,6 MW de potência a ser acrescida ao
sistema. [3]
Através de uma síntese do sistema elétrico brasileiro em termos de geração,
transmissão e centros urbanos pode-se notar que:
O sistema de transmissão já é interligado em escala nacional, com
tendência ao seu fortalecimento à medida que novos investimentos programados forem
realizados; [1]
Os centros de consumo estão relativamente afastados dos principais
centros de geração, com distâncias da ordem de 500km a 1.000km. O volume maior de
geração e consumo está concentrado na região Sudeste; [1]
Áreas reconhecidamente importantes para o aproveitamento do potencial
eólico no Brasil, como os litorais Nordeste e Sul, encontram-se próximas às extremidades
do sistema de transmissão, distantes dos principais centros de geração elétrica. [1]
3.7. Características Geográficas do Brasil
Com 8.514.215 km², o Brasil é o quinto maior país do mundo e o maior da
América Latina em área territorial. Estendendo-se entre as latitudes 5º16’N e 33º45’S e
longitudes 32º23’W e 73º59’W, o Brasil apresenta distintas regiões imersas em várias
zonas de climas e regimes de circulação atmosférica. Seus 7.367 km de extensão litorânea
16
com o Oceano Atlântico constituem um complexo indutor de mecanismos ao longo dos
quais ocorrem brisas marinhas de variadas amplitudes diurnas e sazonais. [1]
Segundo o Atlas [1], o relevo interior contrapõe extensas planícies com altitudes
médias inferiores a 250 metros – entre as quais se destacam as da Amazônia, do Pantanal
e do Rio Grande do Sul – aos planaltos que se estendem do sul até a região central, com
altitudes médias entre 750 e 1.000 metros. Ao contrário de seus vizinhos andinos a oeste,
o Brasil não se caracteriza por grandes elevações. Em poucos locais a altitude ultrapassa
2.000 metros, e em seu ponto máximo, o Pico da Neblina (AM), atinge 3.014 metros.
No que diz respeito às características eólicas, objetivo deste trabalho, o relevo
exerce distintas influências conforme o caso e a região, tais como: obstáculo ao
movimento da camada atmosférica inferior, indutor de fenômenos tais como brisas
montanha-vale, gerador de ondas e acelerações orográficas. Como a camada inferior da
atmosfera tem espessura da ordem de 600 a 1.500 metros, áreas territoriais elevadas
geralmente estão imersas em distintas camadas atmosféricas e regimes de vento, de
acordo com o Atlas [1].
3.8. Clima e Sazonalidade
Pela sua extensão em latitude, o Brasil apresenta diferentes climas que variam do
equatorial (úmido e semi-úmido), na região Norte, ao subtropical, na região Sul. [1]
De acordo com o Atlas [1], o clima tropical abrange praticamente toda a costa,
desde o Maranhão até partes de São Paulo, estende-se a oeste até Mato Grosso e Mato
Grosso do Sul, inclui partes do Nordeste e estados centrais como Goiás e Tocantins. É
caracterizado por chuvas com sazonalidade bem definida: estação seca de 4 a 5 meses
(abril-setembro) e chuvosa (novembro-março). Essa sazonalidade tem importante papel
energético no sistema elétrico brasileiro, de geração predominantemente hidráulica, pois
suas principais bacias de aproveitamento têm origem nessa região.
Entre os grandes fatores que influem no clima brasileiro estão a Zona de
Convergência Intertropical ao norte, móvel ao longo do ano e para a qual convergem os
ventos alísios, as distintas ações exercidas pelo relevo continental, incluindo-se a
formidável muralha à circulação atmosférica exercida pelo maciço dos Andes no extremo
17
oeste do continente sul-americano, a ação contínua da alta pressão do Anticiclone
Tropical Atlântico e a ação periódica irregular das massas de ar polares que adentram as
regiões Sul e Sudeste em maior intensidade. A Amazônia representa uma região bastante
peculiar na Terra, pela extensão da área ocupada por florestas equatoriais e pela
intensidade e o volume em que ocorrem as trocas de energia entre água e atmosfera, em
um sistema superfície-atmosfera fortemente acoplado, segundo o Atlas [1].
3.9. Regimes de Vento sobre o Brasil
A distribuição geral dos ventos sobre o Brasil é controlada pelos aspectos da
circulação geral planetária da atmosfera próxima, conforme se apresenta na figura [7]:
Dentre esses aspectos, sobressaem os sistemas de alta pressão Anticiclone
Subtropical do Atlântico Sul e do Atlântico Norte e a faixa de baixas pressões da
Depressão Equatorial. [1]
A posição média da Depressão Equatorial estende-se de oeste a leste ao longo da
região Norte do Brasil e sobre o Oceano Atlântico adjacente. Ela coincide com a
localização e orientação da Bacia Amazônica, no centro da qual existe uma faixa
persistente de baixas pressões. A Depressão Equatorial é geralmente uma zona de
pequenos gradientes de pressão e ventos fracos. Ao norte da Depressão Equatorial os
ventos são persistentes de leste a nordeste. Ao Sul, os ventos são persistentes de leste a
Figura 7 - Distribuição Geral dos Ventos sobre o Brasil [1]
18
sudeste entre a Depressão Equatorial e o Anticiclone Subtropical Atlântico, o qual tem
uma posição média anual próxima a 30ºS, 25ºW. Esse perfil geral de circulação
atmosférica induz ventos de leste ou nordeste sobre o território brasileiro ao norte da
Bacia Amazônica e no litoral nordeste. Os ventos próximos à superfície são geralmente
fracos ao longo da Depressão Equatorial, porém aumentam de intensidade ao norte e ao
sul dessa faixa. A área entre a Depressão Equatorial e a latitude de 10ºS é dominada pelos
ventos alísios de leste a sudeste. Ao sul da latitude 10ºS, até o extremo sul brasileiro,
prevalecem os efeitos ditados pela dinâmica entre o centro de alta pressão Anticiclone
Subtropical Atlântico, os deslocamentos de massas polares e a Depressão do Nordeste da
Argentina – centro de baixas pressões a leste dos Andes, segundo o Atlas [1].
O gradiente de pressão entre a Depressão do Nordeste da Argentina e o
Anticiclone Subtropical Atlântico induz um escoamento persistente de nordeste ao longo
dessa área. Desse escoamento resultam velocidades médias anuais de 5,5m/s a 6,5m/s
sobre grandes áreas da região. Entretanto, esse escoamento é significativamente
influenciado pelo relevo e pela rugosidade do terreno. Os ventos mais intensos estão entre
7m/s e 8m/s e ocorrem nas maiores elevações montanhosas do continente, bem como em
planaltos de baixa rugosidade, como os Campos de Palmas. Outra área com velocidades
superiores a 7m/s encontra-se ao longo do litoral sul, onde os ventos predominantes leste-
nordeste são acentuados pela persistente ação diurna das brisas marinhas. [1]
19
4. Turbinas Eólicas
4.1. Principais Tipos
4.1.1. Rotores de Eixo Vertical
São turbinas eólicas cujo eixo de rotação está orientado na mesma direção da torre
que suporta a estrutura do rotor, ou seja, numa direção que é perpendicular à direção do
movimento do vento. [4]
Aerogeradores de eixo vertical são muito aplicáveis em centros urbanos, devido à
facilidade de instalação mais perto do solo, emitir baixos níveis de ruído, pelo pouco
espaço ocupado e pelo melhor comportamento em condições de turbulência. Neste
modelo, as correntes de ar batem lateralmente sobre as lâminas, possuindo velocidade de
arranque mais baixa, o que é vantajoso em condições de pouco vento, aproveitando o
potencial eólico mesmo que a direção do vento não seja constante e haja formação de
turbilhões, caso que acontece com frequência em áreas com edifícios, árvores e outros
obstáculos. [6]
Outra vantagem deste tipo de aerogerador é não necessitar de sistemas de
orientação ativos para captar a energia dos ventos, ou seja, mecanismos de
acompanhamento para variações da direção do vento, o que reduz a complexidade do
projeto e os esforços devidos as forças de Coriolis. Além disso, quando comparada à
turbina de eixo horizontal, possui um trem de potência e sistema de geração elétrica ao
nível do solo, o que facilita o trabalho de manutenção do equipamento. Os rotores de eixo
vertical também podem ser movidos por forças de sustentação (lift) e por forças de arrasto
(drag). [5] [6]
Os principais tipos de rotores de eixo vertical são Darrieus, Savonius e turbinas
Darrieus-Savonius conforme pode ser visto nas figuras 8 a 10:
20
Figura 8 – Turbina do Tipo Darrieus
Figura 9 – Turbina do Tipo Savonius
21
Figura 10 - Turbina do Tipo Darrieus - Savonius
4.1.2. Rotores de Eixo Horizontal
Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns e grande parte da experiência
mundial está voltada para a sua utilização. São movidos por forças aerodinâmicas
chamadas de forças de sustentação (lift) e forças de arrasto (drag). [5]
Os rotores de eixo horizontal ao longo do vento são predominantemente movidos
por forças de sustentação e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o disco
varrido pelas pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Tais rotores podem
ser constituídos de uma pá e contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas pás (multivane
fans). Construtivamente, as pás podem ter as mais variadas formas e empregar os mais
variados materiais. Em geral, utilizam-se pás rígidas de madeira, alumínio ou fibra de
vidro reforçada. [5]
Quanto à posição do rotor em relação à torre, o disco varrido pelas pás pode estar
a jusante do vento (down wind) ou a montante do vento (up wind). No primeiro caso, a
“sombra” da torre provoca vibrações nas pás. No segundo caso, a “sombra” das pás
provoca esforços vibratórios na torre. Sistemas a montante do vento necessitam de
mecanismos de orientação do rotor com o fluxo de vento, enquanto nos sistemas a jusante
do vento, a orientação realiza-se automaticamente. [5]
22
Os rotores mais utilizados para geração de energia elétrica são os de eixo
horizontal do tipo hélice, normalmente compostos de 3 pás ou, em alguns casos, 1 ou 2
pás (quando velocidades médias muito altas e possibilidade de geração de maior ruído
acústico). [5]
4.2. Princípios e Tecnologia
Uma turbina eólica capta uma parte da energia cinética do vento que passa através
da área varrida pelo rotor e a transforma em energia elétrica. [1]
Um corpo que obstrui o movimento do vento sofre a ação de forças que atuam
perpendicularmente ao escoamento (forças de sustentação) e de forças que atuam na
direção do escoamento (forças de arrasto). Adicionalmente, as forças de sustentação
dependem da geometria do corpo e do ângulo de ataque formado entre a velocidade
relativa do vento e o eixo do corpo. [5]
Os rotores que giram predominantemente sob o efeito de forças de sustentação
permitem liberar muito mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de
arrasto, para uma mesma velocidade de vento. [5]
A absorção de energia cinética reduz a velocidade do vento a jusante do disco do
rotor. Gradualmente, essa velocidade recupera-se ao misturar-se com as massas de ar
predominantes do escoamento livre. Das forças de sustentação aerodinâmica nas pás de
um rotor de eixo horizontal resulta uma esteira helicoidal de vórtices, a qual também
gradualmente dissipa-se. Após alguma distância a jusante da turbina, o escoamento
praticamente recupera as condições de velocidade originais e turbinas adicionais podem
ser instaladas, minimizando as perdas de desempenho causadas pela interferência da
turbina anterior. Na prática, essa distância varia com a velocidade do vento, as condições
de operação da turbina, a rugosidade de terreno e a condição de estabilidade térmica
vertical da atmosfera. De modo geral, uma distância considerada segura para a instalação
de novas turbinas é da ordem de 10 vezes o diâmetro do rotor, se instalada a jusante, e 5
vezes, se instalada ao lado, em relação ao vento predominante. [1]
23
Figura 11 - Efeito causado pela passagem do ar através da turbina [1]
À medida que a tecnologia propicia dimensões maiores para as turbinas, a rotação
reduz-se: os diâmetros de rotores no mercado atual variam entre 40m e 80m, o que resulta
em rotações da ordem de 30rpm a 15rpm, respectivamente. As baixas rotações atuais
tornam as pás visíveis e evitáveis por pássaros em voo. Quanto aos níveis de ruído,
turbinas eólicas satisfazem os requisitos ambientais mesmo quando instaladas a distâncias
da ordem de 300m de áreas residenciais. Esses aspectos contribuem para que a tecnologia
eólio-elétrica apresente o mínimo impacto ambiental, entre as fontes de geração na ordem
de gigawatts. [1]
Uma outra tecnologia aplicada em modernos aerogeradores é a utilização de dois
diferentes princípios de controle aerodinâmico para limitar a extração de potência à
potência nominal do aerogerador. São chamados de controle estol (Stall) e controle de
passo (Pitch).
O controle de passo é um sistema de controle ativo, que normalmente necessita de
um sinal do gerador de potência. Sempre quando a potência nominal do gerador for
ultrapassada, devido ao aumento das velocidades do vento, as pás do rotor serão giradas
em torno de seu eixo longitudinal, ou em outras palavras, mudam seu ângulo de passo
para reduzir o ângulo de ataque do fluxo de ar. Esta redução do ângulo de ataque diminui
as forças aerodinâmicas atuantes e, consequentemente, a extração de potência do vento
pela turbina. Já o controle de estol é um sistema passivo que reage à velocidade do vento.
24
As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem ser giradas em torno de
seu eixo longitudinal. O seu ângulo de passo é escolhido de tal maneira que para
velocidades de ventos maiores que a nominal o fluxo em torno do perfil pá do rotor
descola da superfície da pá (estol). Isto reduz as forças atuantes de sustentação e
aumentam a de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos rotacionais atuam contra
um aumento da potência do rotor. Para evitar que o estol ocorra em todas as posições
radiais das pás ao mesmo tempo, uma situação indesejada que drasticamente reduziria a
potência do rotor, as pás possuem uma certa torção longitudinal que a leva a um suave
desenvolvimento do estol. [5]
Outro ponto que vale ser mencionado pode ser visto através da figura 12 que
mostra a forma típica de curva de potência de turbinas eólicas. Usualmente, a geração
elétrica inicia-se com velocidades de vento da ordem de 2,5 a 3,0m/s; abaixo desses
valores, o conteúdo energético do vento não justifica aproveitamento. Velocidades
superiores a aproximadamente 12,0m/s a 15,0m/s ativam o sistema automático de
limitação de potência da máquina, que pode ser por controle de ângulo de passo das pás
ou por estol aerodinâmico, dependendo do modelo de turbina. Em ventos muito fortes
(velocidades maiores que 25m/s, por exemplo), atua o sistema automático de proteção.
Ventos muito fortes têm ocorrência rara e negligenciável em termos de aproveitamento e
a turbulência associada é indesejável para a estrutura da máquina. Nesse caso, a rotação
das pás é reduzida (passo ou estol) e o sistema elétrico do gerador é desconectado da rede
elétrica. [1]
Figura 12 – Curva de Potência para Turbinas Eólicas [1]
25
Turbinas eólicas de grande porte têm controle inteiramente automático, por meio
de atuadores rápidos, software e microprocessadores alimentados por sensores duplos em
todos os parâmetros relevantes. Usualmente, utiliza-se telemetria de dados para
monitoramento de operação e auxílio a diagnósticos/manutenção. [1]
As curvas de potência fornecidas por fabricantes de turbinas, geralmente medidas
por órgãos credenciados e independentes, usualmente referem-se a velocidades de vento
quase instantâneas (médias de 10 minutos) e densidade 1,225kg/m³ (15ºC ao nível do
mar). No caso de temperaturas de grande parte do território brasileiro, correções para a
densidade do ar local são necessárias. [1]
O cálculo da energia gerada – anual ou mensal – é realizado pela multiplicação
dos valores de potência gerada pelo tempo de duração de ocorrência associado a
intervalos de velocidades de vento. A duração de ocorrência de uma velocidade é
aproximada por equações estatísticas (usualmente Rayleigh ou Weibull). [1]
26
5. Projeto
5.1. Escolha do Aerogerador de Eixo Vertical
Este trabalho concentrará seus estudos em cima do projeto de um aerogerador de
eixo vertical, como já dito anteriormente, onde as vantagens são enormes para aplicação
em centros urbanos.
Existem três tipos principais de turbinas eólicas de eixo vertical, como dito na
seção 3.1.1, sendo um deles a combinação dos dois principais tipos:
Darrieus
São turbinas com perfil aerodinâmico desenhado de forma semelhante às asas dos
aviões, possuindo normalmente duas ou três pás curvadas. A força motriz, neste caso, é a
força de sustentação aerodinâmica que se exerce sobre as pás. Estas turbinas apresentam
normalmente um rendimento energético de aproximadamente 30%. [4]
Existe, também, a turbina Darrieus H. Ela apresenta um rendimento energético
ligeiramente superior ao da Turbina Darrieus de pás cuvas, uma vez que têm uma área de
passagem do escoamento maior. No entanto os esforços estruturais a que estas turbinas
estão sujeitas são mais elevados. [4]
Outra variação é o projeto com pás torcidas que permite reduzir os esforços por
fadiga sobre o eixo do rotor através da redução da variação de binário sobre o mesmo. [4]
Savonius
São turbinas que aproveitam a força de resistência aerodinâmica como força
motriz para o seu rotor. Em contraste com os outros tipos de turbinas, o rotor é constituído
por duas ou mais conchas em vez de pás. O desenho do rotor é relativamente simples, o
que torna a fabricação deste tipo de turbina mais econômico do que outros. Os esforços
estruturais são geralmente menos intensos do que nas turbinas Darrieus. No entanto, a
turbina Savonius peca por apresentar um rendimento energético baixo, equivalente a mais
ou menos 15%. [4]
Assim como o modelo Darrieus com pás torcidas, há também modelos Savonius
construídos com conchas torcidas.
27
Pelo fato da turbina Darrieus H já vir sendo instalada em telhados de habitações
em meios rurais, ela será o modelo escolhido como base para este projeto. Na figura 13
pode-se verificar uma aplicação desse tipo de turbina em telhados:
5.2. Considerações Iniciais
Para as habitações populares onde a turbina será instalada, serão considerados
apartamentos hipotéticos com área de 44,5m² e altura de 2,6 metros com gasto mensal e
anual simulados de acordo com a figura 14, que apresenta uma tabela criada por Cotia
[6]:
Figura 13 – Turbina Darrieus H Instalada em telhado [4]
Figura 14 – Resultado de Simulação para Gastos Mensais de Energia de uma habitação [6]
28
Quando se deseja utilizar energia eólica como fonte alternativa renovável para
geração de eletricidade em uma residência é necessário verificar se algumas
características geográficas viabilizam a aplicação da tecnologia, para que o
aproveitamento ótimo do sistema seja atingido.
Sabendo que o fator principal de escolha para o lugar onde será instalada uma
turbina eólica é a velocidade média dos ventos locais, então, irá se analisar o mapa do
potencial eólico do estado do Rio de Janeiro de acordo com a figura 15, onde estariam
localizadas as residências hipotéticas já descritas:
No mapa apresentado na figura 15, pode-se verificar que as regiões com maiores
velocidades estão situadas no litoral do estado preenchidas em amarelo, laranja ou
vermelho com velocidades médias anuais de 6,0, 6,5 e 7,0 m/s respectivamente. Por
conveniência, será escolhida a região à Sudeste do estado, na Região dos Lagos, na cidade
de Cabo Frio onde os ventos alcançam velocidades de 7,0 m/s. Isso não impede que o
aerogerador venha a ser instalado em outras regiões do estado e do Brasil, em áreas
urbanas ou rurais, mas o sistema pode não gerar a mesma quantidade de energia,
dependendo do local de instalação.
Figura 15 – Mapa do Potencial Eólico do Rio de Janeiro [6]
29
Aerogeradores de pequeno porte requerem um tratamento na frequência da tensão
[6]. A configuração mais comum de aerogeradores de pequeno porte conectados à rede é
apresentada conforme figura 16:
Figura 16 – Configuração Esquemática de Aerogerador Conectado à Rede Elétrica [6]
Esse tipo de aerogerador normalmente gera eletricidade em corrente alternada,
sendo necessário um equipamento retificador para transformar essa corrente alternada em
contínua. Esse passo de transformação é necessário, pois a frequência gerada pelo
aerogerador não é a mesma dos equipamentos comumente encontrados nas residências, e
é mais simples transformá-la em corrente contínua e, posteriormente, em corrente
alternada na frequência desejada, do que alterar a frequência gerada. [6]
Uma vez retificada a corrente gerada, usa-se um inversor para transformá-la em
corrente alternada na frequência da rede e dos equipamentos a serem utilizados nas
moradias. [6]
É importante afirmar que para este trabalho, o foco estará exclusivamente no
projeto do aerogerador vertical e de seus componentes, não contemplando as demais
partes necessárias à instalação na rede doméstica.
5.3. Componentes de um Aerogerador Vertical
Basicamente, os elementos que compõem uma turbina de eixo vertical são
ilustrados conforme figura 17 para uma turbina do tipo Darrieus de pás curvadas. Por
30
considerarmos para este projeto uma turbina Darrieus H de porte pequeno, os elementos
são quase os mesmos com exceção dos cubos e do cabo de amarração.
5.3.1. Pá do Rotor
A potência extraída da turbina é dada pela seguinte equação:
𝑃𝑒𝑥𝑡 = 𝐶𝑝𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 (1)
Onde 𝐶𝑝 é o coeficiente de potência da turbina e 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 é a potência disponível pelo
vento dada por:
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 =
1
2𝜌𝐴𝑈3 (2)
Onde 𝜌 é a massa específica do ar considerada como sendo 1,2256 kg/m³, A é área
frontal do rotor e U é a velocidade do vento no ambiente.
Já foi determinado que a fim de alcançar um máximo valor para 𝐶𝑝, um rotor do
tipo Darrieus deve obedecer a seguinte equação [7]:
Figura 17 – Turbina Darrieus de Pás Curvadas [4]
31
𝐵𝑐𝜆
𝐷𝑟= 0,401 (3)
Onde B é o número de pás do rotor com um comprimento de corda c e diâmetro
𝐷𝑟. O fator 𝜆 é conhecido como Tip Speed Ratio (TSR) que representa a razão entre a
velocidade na ponta da pá e a velocidade do vento no ambiente.
Sabendo que 𝜎 é tido como o fator de bloqueamento, através da figura 18 que
representa um gráfico criado por Carmo [4], é possível escolher o valor de 𝐶𝑝 máximo:
Para 𝜎 = 0,1, o valor máximo de 𝐶𝑝 é 0,35. Dessa forma, 𝜆 = 4,1.
Dada as proporções da moradia onde será instalada a turbina, são definidos os
seguintes parâmetros:
𝐵 = 2 (4)
𝐷𝑟 = 3 𝑚 (5)
Dessa forma:
Figura 18 – Gráfico Cp x TSR para cada 𝝈 [4]
32
𝐵𝑐𝜆
𝐷𝑟=
2. 𝑐. 4,1
3= 0,401 (6)
Logo:
𝑐 = 0,147 𝑚 (7)
Na maior parte dos projetos de turbinas de eixos verticais é escolhido um perfil
do tipo NACA que seja simétrico em relação à corda com espessura relativa máxima que
pode variar entre 12 e 18%. Dessa forma, escolheu-se o perfil NACA 0015 [8] [9] com
15% de espessura relativa na qual pode ser visualizado conforme figura 19:
Figura 19 – Perfil do Aerofólio NACA 0015 [8]
Para diminuir os efeitos de vibração por ação do vento, é necessário que o rotor
tenha uma altura idêntica ao seu diâmetro [4]. Por essa razão:
𝐻 = 3 𝑚 (8)
Onde H é a altura do rotor.
5.3.2. Eixo do Rotor
Pelo fato da turbina proposta ser composta por duas pás somente, então, a sua
geometria torna-se perfeitamente simétrica e os esforços de reação provenientes da
rotação das pás se anulam, não propagando nenhuma força resultante ao eixo.
33
Figura 20 – Gráfico 𝜶 x 𝜽 para cada 𝝀 [10]
Em contrapartida, o único momento resultante no eixo do rotor é o momento torsor
dado por:
𝑇 = 𝐵𝐹𝑡(𝐷𝑟/2) (9)
Onde 𝐹𝑡 é o esforço tangencial causado sobre as pás em um plano formado pelas
suas trajetórias, cujo seu valor é dado por:
𝐹𝑡 =
1
2(𝐶𝑙 sin 𝛼 − 𝐶𝑑 cos 𝛼)𝜌𝑐𝐻𝑊2 (10)
𝐶𝑙 e 𝐶𝑑 são respectivamente os coeficientes aerodinâmicos de sustentação e de
arrasto, W é a velocidade relativa do escoamento e 𝛼 é o ângulo de ataque do perfil
escolhido.
Sabendo que a simples condição de geometria estabelecida pela equação (3) é
alcançada com um valor de coeficiente de sustentação assumido por:
𝐶𝑙 = 2𝜋 sin 𝛼 (11)
E sabendo, também, que em uma turbina do tipo Darrieus H as pás variam seu
ângulo de ataque para cada valor de ângulo azimutal 𝜃 – ângulo de posição da pá em
relação ao eixo de rotação do rotor - enquanto rotacionam conforme a figura 20 que
representa um gráfico para diferentes valores de 𝜆:
34
Para 𝜆 = 4,1 o valor de ângulo de ataque máximo que pode ser obtido é de
aproximadamente 𝛼 = −15° para 𝜃 = 110° aproximadamente. Dessa forma, o valor
máximo para o coeficiente de sustentação pode ser dado a seguir:
𝐶𝑙 = 2𝜋 sin 𝛼 = 2𝜋 sin 15 ° = 1,63 (12)
Para o cálculo do coeficiente de arrasto é analisado o gráfico para o perfil NACA
0015 em função do número de Reynolds.
Sendo assim:
𝑅𝑒 =
𝑈𝑐
𝜈=
7 . 0,147
1,5. 10−5= 45733 (13)
Onde 𝜈 é a viscosidade cinemática do ar. Analisando a figura 21 que representa o
gráfico para o valor de Reynolds encontrado através da equação (13):
Figura 21 – Gráfico 𝑪𝒅 x 𝜶 [8]
Assim, torna-se possível afirmar que o valor aproximado para o coeficiente de
arrasto para 𝛼 = −15° é:
𝐶𝑑 = 0,14 (14)
A expressão para o cálculo da velocidade relativa W é dada por:
35
𝑊 = √(𝑉𝑎 sin 𝜃)2 + (𝑉𝑎 cos 𝜃 + 𝜆𝑈)2 (15)
Onde 𝑉𝑎 é a velocidade do escoamento induzido dada por:
𝑉𝑎 =
𝜆𝑈 tan 𝛼
sin 𝜃 − tan 𝛼 cos 𝜃 (16)
Assim, para 𝜃 = 110° onde se encontra 𝛼 = −15° tem-se:
𝑉𝑎 =
4,1 . 7 . tan −15°
sin 110° − tan −15° . cos 110°= −9,1 𝑚/𝑠 (17)
Dessa forma, tem-se:
𝑊 = √(−9,1 . sin 110°)2 + (−9,1 . cos 110° + 4,1 . 7)2 = 32,9 𝑚/𝑠 (18)
Com todos esses parâmetros calculados, é possível, assim, determinar agora o
valor da força tangencial 𝐹𝑡 através da equação (10) conforme a seguir:
𝐹𝑡 =
1
2 . (1,63 . sin −15° − 0,14 . cos −15°). 1,2256 . 0,147 . 3 . 32,92 (19)
𝐹𝑡 = −163,0 𝑁 (20)
Logo, o momento torsor resultante dado pela equação (9) será:
𝑇 = 2 . (−163,0) . (2/2) = −326,0 𝑁𝑚 (21)
Dessa forma, é possível agora se calcular a rotação 𝜔 da turbina através da
potência extraída dada pela seguinte equação:
𝜔 =
𝑃𝑒𝑥𝑡
𝑇 (22)
Sabendo que a área frontal do rotor é dada por 𝐴 = 𝐷𝑟𝐻, pode-se agora calcular
a potência extraída da turbina a partir das equações (1) e (2):
36
𝑃𝑒𝑥𝑡 = 0,35 .
1
2 . 1,2256 . 3 . 3 . 73 = 0,662 𝑘𝑊 (23)
Assim:
𝜔 =
0,662
326. 60 = 122 𝑟𝑝𝑚 (24)
Levando em conta todos os esforços sobre o eixo do rotor, pode-se, agora,
representá-los em um diagrama conforme figura 22:
Onde P representa o peso do eixo do rotor. Para esse projeto escolheu-se fabricar
o eixo do rotor em Aço Inox, amplamente utilizado em conjuntos estruturais com
resistência à corrosão, já que essa turbina será aplicada em uma região próxima ao litoral
sujeita a ação de brisa marítima constante. Seu limite de resistência à tração 𝑆𝑢𝑡 vale 500
MPa e seu limite de resistência ao escoamento 𝑆𝑦 vale 195 MPa. Sua massa específica 𝜌
é de 7900 kg/m³ e seu módulo de elasticidade E é de 200 GPa.
Considerando-se o comprimento L do eixo do rotor como sendo 2,5 m devido às
dimensões da casa onde será instalada a turbina, pode-se afirmar que a partir das equações
resultantes do estudo de flambagem tem-se:
𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 =
𝜋2𝐸𝐼
𝐿2 (25)
T
Figura 22 – Esforços sobre o eixo do Rotor
37
Onde 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 representa a carga crítica ou axial máxima aplicada sobre o eixo
imediatamente antes da flambagem, E e I representam o módulo de elasticidade e o
momento de inércia do eixo, respectivamente.
Então:
𝑃 < 𝑃𝑐𝑟𝑖𝑡 =
𝜋2𝐸𝐼
𝐿2 (26)
𝑚𝑔 <
𝜋2𝐸𝐼
𝐿2 (27)
Onde m e 𝑔 representam a massa do eixo e a aceleração da gravidade,
respectivamente.
Sabendo que 𝑚 = 𝜌. 𝑉𝑜𝑙, onde 𝑉𝑜𝑙 representa o volume do eixo dado por:
𝑉𝑜𝑙 =
𝜋𝐷𝑒2
4. 𝐿 (28)
Onde 𝐷𝑒 é o diâmetro do eixo. Dessa forma:
𝜌.
𝜋𝐷𝑒2
4. 𝐿. 𝑔 <
𝜋2
𝐿2 . 𝐸.
𝜋𝐷𝑒4
64 (29)
Logo:
𝐷𝑒 > (
16𝜌𝑔𝐿3
𝐸𝜋2)
1/2
(30)
Substituindo os valores:
𝐷𝑒 > (
16 . 7900 . 9,8 . 2,53
200 . 109 . 𝜋2)
1/2
= 0,0031 𝑚 (31)
Com esse resultado, pode-se escolher uma grande faixa para valores de diâmetros
com os quais não haverá flambagem. Escolheu-se, portanto, o valor de 𝐷𝑒 = 0,1 𝑚 de
modo que ficasse proporcional às medidas já existentes.
Para o cálculo da massa do eixo, tem-se:
38
𝑚 = 𝜌. 𝑉𝑜𝑙 = 7900 .
𝜋 . 0,12
4 . 2,5 = 155 𝑘𝑔 (32)
O cálculo da tensão de cisalhamento devido ao momento torsor é dado por:
𝜏 =
16𝑇
𝜋𝐷𝑒3 =
16 . 326
𝜋 . 0,13= 1,7 𝑀𝑃𝑎 (33)
Para o cálculo da tensão normal devido à força axial, tem-se:
𝜎 =
𝑃
𝐴=
4𝑚𝑔
𝜋𝐷𝑒2 =
4 . 155 . 9,8
𝜋 . 0,12= 0,193 𝑀𝑃𝑎 (34)
Calculando a tensão equivalente através do Critério de Máxima Energia de
Distorção ou Critério de Falha de Von Mises para as tensões calculadas anteriormente,
tem-se:
𝜎𝑒𝑞 = √𝜎2 + 3𝜏2 = √0,1932 + 3 . 1,72 = 2,95 𝑀𝑃𝑎 (35)
Portanto, o fator de segurança estático 𝐹𝑆𝑒𝑠𝑡 para o eixo do rotor é dado por:
𝐹𝑆𝑒𝑠𝑡 =
𝑆𝑦
𝜎𝑒𝑞=
195
2,95= 66 (36)
A explicação para esse valor do fator de segurança ser tão alto é porque este
projeto está tratando de uma turbina de porte pequeno onde suas dimensões já estão
reduzidas, o que elimina a hipótese do projeto estar superdimensionado. Além disso, tanto
o torque quanto a massa contêm valores pequenos por conta das características da turbina,
o que, também, acaba por influenciar no valor baixo das tensões geradas. E por último, a
tensão equivalente calculada acaba sendo bem menor quando comparada ao limite de
escoamento do material aplicado, mesmo escolhendo aquele com valor mais baixo
possível.
Para o cálculo da resistência à fadiga ao cisalhamento, será aplicada a seguinte
equação de Soderberg:
39
𝜏𝑎
𝑆𝑆𝑒+
𝜏𝑚
𝑆𝑆𝑦=
1
𝐶𝑆𝑆𝑆𝑒
(37)
Onde 𝜏𝑎 e 𝜏𝑚 são, respectivamente, as tensões de amplitude e média dadas por:
𝜏𝑎 =
𝜏𝑚á𝑥 − 𝜏𝑚í𝑛
2 (38)
𝜏𝑚 =
𝜏𝑚á𝑥 + 𝜏𝑚í𝑛
2 (39)
Como o único esforço dinâmico T é totalmente reversível, então as tensões serão
dadas por:
𝜏𝑎 =
𝜏𝑚á𝑥 − 𝜏𝑚í𝑛
2=
𝜏𝑚á𝑥 − (−𝜏𝑚á𝑥)
2= 𝜏𝑚á𝑥 (40)
𝜏𝑚 =
𝜏𝑚á𝑥 + 𝜏𝑚í𝑛
2=
𝜏𝑚á𝑥 + (−𝜏𝑚á𝑥)
2= 0 (41)
Assim:
𝜏𝑎 = 1,7 𝑀𝑃𝑎 (42)
Para o cálculo do limite de resistência à fadiga ao cisalhamento 𝑆𝑆𝑒 é utilizada a
equação abaixo [11]:
𝑆𝑆𝑒 = 𝑘𝑎𝑘𝑏𝑘𝑐𝑘𝑑𝑘𝑒 . 𝑆𝑒′ (43)
Onde:
𝑘𝑎 = 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑎𝑏𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝑘𝑏 = 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑚𝑎𝑛ℎ𝑜 𝑜𝑢 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠ã𝑜
𝑘𝑐 = 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑓𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒
𝑘𝑑 = 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎
𝑘𝑒 = 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠õ𝑒𝑠
40
𝑆𝑒′ = 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 à 𝑓𝑎𝑑𝑖𝑔𝑎 𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎
Para o cálculo de 𝑘𝑎 será considerado que o eixo foi usinado:
𝑘𝑎 = 𝑎 . 𝑆𝑢𝑡
𝑏 = 4,51 . 500−0,265 = 0,87 (44)
Para o cálculo de 𝑘𝑏 será considerado o diâmetro do eixo como sendo a dimensão
característica:
𝑘𝑏 = 1,51 . 100−0,157 = 0,73 (45)
Para o valor de 𝑘𝑐 será considerada uma confiabilidade de 99%:
𝑘𝑐 = 0,814 (46)
Para o valor de 𝑘𝑑 será considerada a temperatura de trabalho como sendo
ambiente:
𝑘𝑑 = 1 (47)
Para o fator 𝑘𝑒, como não há entalhes para concentração de tensões, seu valor será:
𝑘𝑒 = 1 (48)
Para o cálculo de 𝑆𝑒′ será utilizada a seguinte equação:
𝑆𝑒
′ = 0,5 . 𝑆𝑢𝑡 = 0,5 . 500 = 250 𝑀𝑃𝑎 (49)
Assim, da equação (43):
𝑆𝑆𝑒 = 0,87 . 0,73 . 0,814 . 1 . 1 . 250 = 129,2 𝑀𝑃𝑎 (50)
41
Aplicando a equação (37):
𝐶𝑆𝑆𝑆𝑒
=𝑆𝑆𝑒
𝜏𝑎=
129,2
1,7= 76
(51)
5.3.3. Resistência da Pá
Para este projeto serão consideradas duas pás, como já dito anteriormente, ligadas
ao eixo do rotor por dois braços ou suportes como ilustrados na figura 23:
Cada pá sofre os efeitos dinâmicos devido ao fluxo de ar sobre o perfil NACA
0015. Tais efeitos provocam duas forças perpendiculares entre si: 𝐹𝑡 tangencial à
trajetória percorrida e 𝐹𝑛 normal à corda. Na figura 24 é possível ver essa situação
ilustrada:
Figura 23 – Esquema Simplificado de uma Turbina Darrieus H
42
As expressões para cada um desses esforços são calculadas da seguinte forma:
𝐹𝑡 =
1
2(𝐶𝑙 sin 𝛼 − 𝐶𝑑 cos 𝛼)𝜌𝑐𝐻𝑊2 (52)
𝐹𝑛 =
1
2(𝐶𝑙 cos 𝛼 + 𝐶𝑑 sen 𝛼)𝜌𝑐𝐻𝑊2 (53)
A massa de cada pá foi calculada a partir do software SolidWorks dada por 𝑚𝑝á =
7,376 𝑘𝑔 onde o material escolhido para sua fabricação foi o Alumínio por ser
considerado mais leve. Vale ressaltar, também, que na maioria dos projetos para esse tipo
de turbina as pás são ocas com 3 mm de espessura, o que permite reduzir o peso da turbina
e diminuir os custos associados ao material.
Cada pá está sujeita, também, a dois esforços cortantes 𝑉𝑥 e 𝑉𝑧 nas direções x e z
respectivamente e um normal N, e dois momentos fletores 𝑀𝑥 e 𝑀𝑧 também nas direções
x e z respectivamente.
Os diagramas para cada um deles podem ser conferidos conforme as figuras 25 a
29:
𝐹𝑡
𝐹𝑛
Figura 24 – Esforços Atuantes Sobre uma Pá de uma Turbina Eólica [4]
43
Figura 25 – Gráfico do Esforço 𝑽𝒙 Sobre a Pá
Figura 26 – Gráfico do Esforço 𝑴𝒛 Sobre a Pá
𝑉𝑥:
𝑀𝑧:
44
Figura 27 – Gráfico do Esforço 𝑽𝒛 Sobre a Pá
Figura 28 – Gráfico do Esforço 𝑴𝒙 Sobre a Pá
𝑀𝑥:
𝑉𝑧:
45
Figura 29 – Gráfico do Esforço N Sobre a Pá
É possível observar através dos diagramas que a seção mais solicitada está no
meio da pá na cota 𝑦 = 𝐻/2 = 1,5 𝑚. Para essa seção será calculado o fator de segurança
para carga estática.
As tensões associadas a cada um desses esforços estão demonstradas a seguir:
𝜎𝑦 =
𝑀𝑧𝑥
𝐼𝑧+
𝑀𝑥𝑧
𝐼𝑥+
𝑁
𝐴 (54)
𝜏𝑦𝑥 =𝑉𝑥
𝐴
(55)
𝜏𝑦𝑧 =𝑉𝑧
𝐴
(56)
Onde 𝐼𝑧 = 61.955,98 𝑚𝑚4 e 𝐼𝑥 = 2.648.959,95 𝑚𝑚4 são os momentos de
inércia do perfil da pá calculados a partir do programa SolidWorks. 𝐴 = 2.220,64 𝑚𝑚²
também foi calculado pelo programa.
Assim, temos:
𝑁:
46
𝜎𝑦 =
225,5 . 103 . 11,025
61.955,98+
91,0 . 103. 85,18
2.648.959,95+
0
2.220,64= 43,0 𝑀𝑃𝑎 (57)
𝜏𝑦𝑥 =
247,9
2.220,64= 111,6 𝑘𝑃𝑎 (58)
𝜏𝑦𝑧 =
81,5
2.220,64= 36,7 𝑘𝑃𝑎 (59)
Através do Critério de Máxima Energia de Distorção ou Critério de Falha de Von
Mises calcularemos a tensão equivalente:
𝜎 = √1
2[(𝜎𝑥 − 𝜎𝑦)
2+ (𝜎𝑦 − 𝜎𝑧)
2+ (𝜎𝑧 − 𝜎𝑥)2 + 6(𝜏𝑥𝑦
2 + 𝜏𝑦𝑧2 + 𝜏𝑧𝑥
2)] (60)
𝜎 = √43,02 + 3 . (0,11162 + 0,03672) = 43,0 𝑀𝑃𝑎 (61)
Dessa forma, o cálculo para o fator de segurança estático 𝐹𝑆𝑒𝑠𝑡 para uma tensão
de limite de escoamento do alumínio igual a 𝑆𝑦 = 110 𝑀𝑃𝑎 será:
𝐹𝑆𝑒𝑠𝑡 =
𝑆𝑦
𝜎=
110
43= 2,6 (62)
Apesar dos esforços sobre as pás serem dinâmicos e variarem de acordo com a
posição delas em relação ao eixo, vale lembrar que para ligas de alumínio não há limite
de resistência à fadiga [11]. Por essa razão, não haverá cálculo para o fator de segurança
dinâmico 𝐹𝑆𝑑𝑖𝑛.
Na figura 30, pode-se observar o desenho da pá feito em SolidWorks levando em
consideração todos os resultados teóricos encontrados no estudo de resistência:
47
Figura 30 – Projeto da Pá em SolidWorks
5.3.4. Braço ou Suporte
O braço ou suporte é a estrutura responsável pela transmissão dos esforços gerados
nas pás e a sua fixação ao eixo do rotor. Nesse projeto serão utilizados dois braços feitos
em alumínio para cada pá, resultando num total de quatro suportes.
O modelo de suporte é baseado na turbina vertical Windspire [12]. Sua fixação às
pás se dá através de garras ou braçadeiras que as envolvem e, por sua vez, fixadas por
parafusos do tipo M8 – 12 mm escareados de aço inoxidável. Seus detalhes e sua
montagem à pá podem ser conferidos na figura 31:
48
Sua posição de fixação às pás é com cerca de 19,2% [12] de seu comprimento a
partir das pontas. Isso é o equivalente a fixar dois braços a uma distância de 384 mm para
cada uma das pontas das pás.
Sua fixação ao eixo do rotor é através de parafusos do tipo M10 e porcas
autotravantes que são ajustados em um flange no eixo. A figura 32 ilustra bem a sua
fixação:
Figura 31 – Detalhe do Suporte da Pá [12]
49
5.3.5. Gerador Elétrico
Para este projeto, deseja-se atender uma casa que tenha um consumo máximo de
energia elétrica de 3.012,52 kWh no mês de Janeiro, conforme visto na seção 4.3. Como
um dos objetivos deste projeto e devido às características de uma turbina eólica, deseja-
se apenas auxiliar na demanda de energia da casa de forma parcial e não suprir de forma
total o seu consumo.
Dessa forma, é necessário se escolher um gerador que produza uma potência
inferior a 4 kW no mês de maior consumo – Janeiro. Por ser muito comum a aplicação de
motores elétricos como sendo geradores, devido a sua versatilidade e facilidade de
adaptação a diversos meios, foi selecionado o motor WEG Steel Motor - Trifásico que
produz 2,2 kW a uma rotação nominal de 1.740 rpm – figura 34.
Suas especificações são descritas na folha de dados conforme figura 33:
Figura 32 – Fixação do Suporte das Pás ao Eixo do Rotor [12]
50
Figura 33 - Folha de Dados do Motor WEG Steel Motor
Figura 34 – Motor Elétrico WEG Steel Motor
51
5.3.6. Caixa de Engrenagens
A rotação alcançada pelo eixo do rotor é de 122 rpm conforme visto na seção
4.4.2., equação (24). Para se atingir uma rotação de 1.740 rpm exigida pelo gerador, é
necessária uma caixa de engrenagens capaz de multiplicar a rotação vinda do rotor para
atender a rotação nominal do motor elétrico.
Portanto, a relação de transmissão necessária é de aproximadamente 1:15. Para
isso, foi escolhido o multiplicador de velocidades Kilowatt Class da empresa Moventas:
Geared For New Energy, que tem tradição na produção de caixas de engrenagens para
uso em turbinas eólicas.
5.4. Desenho Técnico da Turbina
Após o fim dos cálculos do projeto da turbina Darrieus H, será apresentado em
anexo ao final deste documento o desenho técnico mecânico da mesma. Atendendo às
normas vigentes relativas ao desenho técnico, foi realizado através do programa
SolidWorks todo o desenho de projeto mecânico da turbina eólica de eixo vertical, com
seus principais componentes e especificações, levando em conta todas as dimensões
calculadas neste trabalho.
6. Conclusão
De acordo com o que foi visto na introdução, há um determinado investimento e
crescimento expressivo no desenvolvimento da tecnologia eólica no mundo. Porém no
Brasil, esse crescimento não se torna tão expressivo se comparado a outros países. Foi
visto que há sim no país um grande potencial energético com relação à velocidade dos
ventos, principalmente em seu litoral nas regiões Sul e Nordeste.
Apesar de termos em operação alguns parques eólicos no Brasil, não é tão comum
a utilização de turbinas eólicas em meios rurais e, mais ainda, em meios urbanos quanto
em outros países. A utilização dessa tecnologia em fazendas, em meios rurais, e em
prédios de grande porte, em meios urbanos, já tem sido difundida no mundo inteiro e tem
52
se mostrado altamente eficiente no que diz respeito aos custos de investimento e o retorno
financeiro que ela gera.
O trabalho apresentado teve como um dos objetivos mostrar que essa tecnologia
pode ser sim aplicada em meios urbanos e se tornar cada vez mais comum entre os
brasileiros. O desenvolvimento de uma turbina eólica vertical em residências urbanas
consegue atender as necessidades energéticas de uma casa, servindo como uma fonte de
energia complementar à energia consumida pela rede elétrica.
Como toda turbina eólica, se instalada em regiões com um bom regime de ventos
há grandes chances desse empreendimento apresentar viabilidade técnica e econômica,
inclusive. Se aplicada em regiões com condições similares ao estudo de caso apresentado
nesse trabalho, acredita-se que os resultados serão satisfatórios. Dessa forma, espera-se
que o projeto tenha contribuído para a difusão da utilização desse meio energético que é
acessível a todos, além de ser uma fonte limpa, renovável e alternativa às fontes
tradicionais como, por exemplo, a hidrelétrica.
Para a execução teórica desse projeto foram necessários conhecimentos do mapa
energético do Brasil, cálculo de esforços mecânicos, aerodinâmica e escoamento de
fluidos sobre perfis de aerofólios e desenho mecânico. Em particular, voltado aos cursos
oferecidos pela universidade, as disciplinas empregadas foram Mecânica dos Sólidos,
Elementos de Máquinas, Mecânica dos Fluidos e Desenho Técnico. Na parte prática foi
necessário a obtenção de informações de fornecedores de equipamentos mecânicos e
motores elétricos.
A fim de garantir uma maior viabilidade econômica, todos os materiais
empregados nesse projeto, bem como o desenho de cada peça, foram selecionados de
modo a obter um custo reduzido com boa confiabilidade operacional.
Pode-se dizer que o resultado final alcançado foi satisfatório, uma vez que o
projeto consegue atender os parâmetros necessários para instalação do aerogerador em
habitações urbanas, podendo também ser aplicado em áreas rurais.
53
6.1. Sugestões para Trabalhos Futuros
Este projeto apresenta um estudo apenas da parte mecânica envolvida por trás do
projeto de uma turbina eólica vertical de duas pás. Uma alternativa seria propor um futuro
trabalho voltado a adequação da parte elétrica da turbina a rede elétrica de uma casa, bem
como o projeto de um gerador específico para a turbina, sem depender da escolha de
fabricantes.
Foi optado, também, se fazer esse projeto com apenas duas pás por se tratar de
uma aplicação em pequenas moradias. Outra alternativa seria a aplicação de
aerogeradores verticais de maior porte voltados para grandes prédios em centros urbanos,
solução essa que já vem sendo empregada em países desenvolvidos. Ou até mesmo em
meio rural em grandes fazendas, por exemplo.
Dentro da engenharia mecânica, outras propostas seriam o desenvolvimento de
uma caixa de engrenagens – multiplicador - próprio para essa turbina, também sem
depender da oferta de modelos oferecidos no mercado. Apesar de algumas dimensões já
terem sido aplicadas nesse projeto a fim de evitar a vibração excessiva, vale, também, se
fazer um estudo mais detalhado dos modos de vibração para turbinas mais complexas.
A possibilidade de fabricação de um protótipo para a realização de testes a partir
das especificações apresentadas neste projeto, também é uma das propostas para aferição
dos resultados teóricos com os resultados experimentais.
Por último, um estudo de avaliação da viabilidade econômica paralela ao consumo
energético e ao retorno investido seria importante para aplicações de turbinas em outras
localidades.
54
7. Referências
[1] AMARANTE, O. A. C., Zack, J., Brower, M. e Sá, A. L., Atlas do
Potencial Eólico Brasileiro, Brasília, 2001.
[2] MME - Ministério de Minas e Energia, Energia Eólica 2014 – Brasil e o
Mundo, Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético,
Dezembro, 2015. Acesso em agosto de 2016.
[3] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Informações Gerenciais
Dezembro 2015, Dezembro, 2015. Acesso em agosto de 2016.
[4] CARMO, D. M. F. G. M., Projeto de uma turbina eólica de eixo vertical
para aplicação em meio urbano, dissertação de mestrado, Universidade
Técnica de Lisboa, 2012.
[5] BRITO, S. S., Energia Eólica Princípios e Tecnologias, Centro de
Referência para Energia Solar e Eólica, Equipe CEPEL/CRESESB, 2008.
[6] COTIA, F. C. G., Uso de Tecnologias Fotovoltaicas e Aerogeradores
para Geração de Energia no Meio Urbano, dissertação de mestrado,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2015.
[7] MERTENS, S., Wind Energy in the Built Environment - Concentrator
Effects of Buildings, Multi-Science, 5 Wates Way, Brentwood, United
Kingdom, 2006.
[8] Airfoil Tools. Disponível em: <http://airfoiltools.com/airfoil/details?air
foil=naca0015-il>. Acesso em agosto de 2016.
55
[9] Wind & Net – Online airfoil plotter. Disponível em: <http://w ww.winda
ndwet.com/windturbine/airfoil_plotter/index.php?airfoil=naca0015.dat>.
Acesso em Agosto de 2016.
[10] REIS, G. L. R., Análise Numérica e Experimental de Perfis
Aerodinâmicos para Aprimoramento do Projeto de Turbinas H-Darrieus,
monografia de graduação, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto
Alegre, RS, Brasil, 2013.
[11] BUDYNAS, R. G. and NISBETT, J. K., Shigley’s Mechanical
Engineering Design, Ninth Edition, McGrawHill.
[12] Windspire Energy, 𝑾𝒊𝒏𝒅𝒔𝒑𝒊𝒓𝒆® Owner’s Manual 30 ft. Standard,
Version 1.18, October 2010.
1
2
5
8
10
9
7
6
4
3
11
3000
300
0
100
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Conjunto Aerogerador A2
Projeto Final de Graduação
Prof. Armando Carlos de Pina Filho
Data: 07/09/2016
José Benjamin Moraes Ferreira Júnior
Unidades: mm
Primeiro Diedro
Escala: 1:20
Núm Qnt. Especificação Observação
Lista de Peças
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Pá
Suporte da Pá
Flange
Eixo do Rotor
Parafuso de Fixação do Suporte a Pá
Parafudo de Fixação do Suporte
Gerador
Parafuso de Fixação do Gerador
Base
Parafuso de Fixação da Caixa de Engrenagem
Caixa de Engrenagem
2
4
2
1
8
8
1
4
1
4
1
Aerofólio NACA 0015 - Liga de Alumínio
Liga de Alumínio
Liga de Alumínio
Aço Inoxidável 1.4310
Parafuso Comercial
Parafuso Comercial
Parafuso Comercial
Parafuso Comercial
WEG Steel Motor
Concreto
Moventa Kilowatt Class
