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UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP
Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia – ICET
Engenharia – campus Limeira
Projeto: Gerador Eólico
Limeira- São Paulo
2010
UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP
Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia – ICET
Engenharia – campus Limeira
Energia Eólica
Engenharia Básica 4º semestre
Autores: Anderson F. Chaves Martins RA: 261837-0 Turma: EB4R43
Sheila Ap. Alves dos Santos RA: A3013A-2 Turma: EB3R43
Maicon Roberto Moreira RA: A1480A-8 Turma: EB4R43
Luciano de Godoi RA: A1615H8 Turma: EB4R43
Orientador: Prof. Jorbison Adélio Portella
Limeira- São Paulo
2010
Sumário
1. Capítulo I- Introdução
1.1 Introdução;
1.2 Energia Eólica no mundo e no Brasil;
1.3 Custo x Benefício;
1.4 Conversão em energia elétrica;
1.5 Aplicações dos sistemas eólicos para a geração de energia elétrica;
1.6 Estudos de viabilidade para parques eólicos de grande porte (mais de cinco turbinas)
1.7 Impactos ambientais da utilização de energia eólica.
2. Capítulo II- Revisão Bibliográfica
2.1 Entendendo as leis de Faraday e Lenz;
2.1.1 Campo elétrico;
2.1.2 Campo magnético;
2.1.3 Visualizando o campo magnético usando linhas de campo.
3. Capítulo III- Método e Materiais
3.1 Materiais utilizados;
3.2 Máquinas e ferramentas utilizadas;
3.3 Método.
4. Capítulo IV- Desenvolvimento
5. Capítulo V- Resultados
5.1 Resultados;
5.2 Cálculos relativos ao projeto.
6. Capítulo VI– Discussão e Conclusão
7. Capítulo VII- Referências Bibliográfica
Resumo
O objetivo desse trabalho é aplicar a teoria estudada em sala e em laboratório. Baseia-se na Lei de Faraday, uma lei da física que quantifica a indução eletromagnética, que é o efeito da produção de corrente elétrica em um circuito colocado sob efeito de um campo magnético variável ou por um circuito em movimento em um campo magnético constante; na Lei de Lenz, que afirma que o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que a gera; e em teorias de sistemas de geração de eletricidade no funcionamento de um gerador eólico.
O funcionamento do gerador baseia-se na transformação da energia eólica em energia mecânica que, por sua vez, é transformada em energia elétrica. A eficiência do gerador depende da velocidade do vento, da forma da Lâmina (pá de hélice) e da tolerância da pressão do vento que a hélice consegue agüentar.
O vento movimenta as pás e faz as hélices imantadas girar, passando pelas bobinas e assim gera a corrente necessária para os nossos estudos sobre a força eletromotriz induzida num circuito elétrico e sobre a corrente induzida produzida por ela.
Palavras chave: energia eólica, campo elétrico, indução elétrica.
Abstract
The aim of this paper is to apply the theory studied in the classroom and laboratory. It is based on Faraday's Law, a law of physics that quantifies the electromagnetic induction, which is the effect of producing electric current in a circuit placed under the effect of a varying magnetic field or moving through a circuit in a constant magnetic field; Lenz's Law, which states that the current's direction is the opposite of the variation of the magnetic field that generates it, and theories of electricity generation systems in the operation of a wind generator. The operation of the generator is based on the conversion of wind energy into mechanical energy which, in turn, is transformed into electrical energy. The efficiency of the generator depends on wind speed, the shape of the blade (blade propeller) and tolerance to wind pressure that the propeller can take it. The wind moves the blades and the propeller is spinning magnetized, passing through the coils and thus generates the current necessary for our studies on the induced electromotive force in an electrical circuit and the induced current produced by it. Keywords: wind power; electric field; electric induction.
Capítulo I - Introdução
1.1- Introdução
O termo eólico vem do latim aeolicus, pertencente ou relativo à Éolo, Deus dos Ventos na mitologia grega, e significa: a energia que vem dos ventos.
É uma forma de energia cinética produzida pelo aquecimento diferenciado das camadas de ar, originando uma variação da massa especifica e gradientes de pressão. Além disso, também é influenciada pelo movimento de rotação da Terra sobre o seu eixo e depende significativamente de influências naturais, como: continentalidade, maritimidade, latitude, altitude.
(figura 1)
A energia eólica tem sido aproveitada desde a antiguidade para mover barcos a velas ou para fazer funcionar a engrenagem dos moinhos de vento através de suas pás que transformam a e energia dos ventos em energia mecânica ou elétrica.
Durante muitos anos, os agricultores serviram-se da energia eólica para bombear água dos furos usando moinhos de vento O vento também é usado para girar a mó dos moinhos transformando grãos em farinha. Atualmente o vento é usado para produzir eletricidade.
A energia eólica pode ser considerada uma das mais promissoras fontes naturais de energia, principalmente porque é renovável, não se esgota, é
limpa, amplamente distribuídapelo mundo e, se utilizada para substituir fontes de combustíveis fósseis, auxilia na redução do efeito estufa.
Além da questão ambiental, as turbinas eólicas possuem a vantagem de poderem ser utilizadas tanto em conexão com redes elétricas como em lugares isolados, não sendo necessário a implementação de linhas de transmissão para alimentar certas regiões (que possuam aerogeradores).
Um aerogerador é um dispositivo que aproveita a energia eólica e a converte em energia elétrica.
(Figura 2) (Figura 3)
1.2- Energia Eólica no mundo e no Brasil
Em 2009 a capacidade mundial de geração de energia elétrica através da energia eólica foi de aproximadamente 158 gigawatts (GW), o suficiente para abastecer as necessidades básicas de dois países como o Brasil (o Brasil gastou em média 70 gigawatts em janeiro de 2010) . Para se ter uma idéia da magnitude da expansão desse tipo de energia no mundo, em 2008 a capacidade mundial foi de cerca de 120 GW e, em 2008, 59 GW.
Os EUA lideram o ranking dos países que mais produzem energia através de fonte eólica. O total instalada nesse país ultrapassa os 35 GW. Atrás deles vem a Alemanha, com cerca de 26 GW instaladas, e a China, com 25 GW.
(figura 4)
Cerca de 30% da eletricidade produzida a partir do vento é criada na Califórnia. Em alguns países, a energia elétrica gerada a partir do vento representa significativa parcela da demanda. Na Dinamarca esta representa 23% da produção, 6% na Alemanha e cerca de 8% em Portugal e na Espanha (dados de setembro de 2007). Globalmente, a energia eólica não ultrapassa o 1% do total gerado por todas as fontes.
Em países como o Brasil, que possuem uma grande malha hidrográfica, a energia eólica pode se tornar importante no futuro, porque ela não consome água, que é um bem cada vez mais escasso e que também vai ficar cada vez mais controlado.
O Brasil tem um dos maiores potenciais eólicos do planeta e, embora hoje o vento seja responsável por míseros 29 megawatts (MW) dos cerca de 92 mil MW instalados no país, há planos ambiciosos para exploração dessa fonte de energia. Apoiado no Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia (Proinfa), lançado pelo Ministério de Minas e Energia, o Brasil pretende atingir, em 2008, cerca de 1.500 MW gerados pelo vento. Um terço disso será instalado no Ceará e deve suprir mais da metade da demanda do estado.
A capacidade de geração de energia eólica no Brasil foi de 606 megawatts (MW) em 2009, onde houve um aumento de 77,7% em relação ao ano anterior. A capacidade instalada em 2008 era de 341 MW. O Brasil responde por cerca da metade da capacidade instalada na América Latina, mas representa apenas 0,38% do total mundial.
1.3- Custo x Benefício
O custo da geração de energia eólica tem caído rapidamente nos últimos anos. Em 2005 o custo da energia eólica era cerca de um quinto do que custava no final dos anos 1990, e essa queda de custos deve continuar com a ascensão da tecnologia de produção de grandes aerogeradores. No ano de 2003 a energia eólica foi a forma de energia que mais cresceu nos Estados Unidos.
A maioria das formas de geração de eletricidade requerem altíssimos investimentos de capital e baixos custos de manutenção. Isto é
Capacidade instalada de produção de energia eólica no final de 2009
País EUA Alemanha China Espanha Índia Itália França Reino Unido
Portugal Brasil
MW 35.159 25.777 25.104 19.149 10.926 4.850 4.492 4.051 3.535 744
% 22,3 16,3 15,9 12,1 6,9 3,1 2,8 2,6 2,2 0,7
particularmente verdade para o caso da energia eólica, onde os custos com a construção de cada aerogerador podem alcançar milhões de reais, os custos com manutenção são baixos e o custo com combustível é zero. Na composição do cálculo de investimento e custo nesta forma de energia levam-se em conta diversos fatores, como a produção anual estimada, as taxas de juros, os custos de construção, de manutenção, de localização e os riscos de queda dos geradores. Sendo assim, os cálculos sobre o real custo de produção da energia eólica diferem muito, de acordo com a localização de cada usina.
Apesar da grandiosidade dos modernos moinhos de vento, a tecnologia utilizada continua a mesma de há 1000 anos, tudo indicando que brevemente será suplantada por outras tecnologias de maior eficiência, como é o caso da turbovela, uma voluta vertical apropriada para capturar vento a baixa pressão ao passar nos rotores axiais protegidos internamente. Esse tipo não oferece riscos de colisões das pás com objetos voadores (animais silvestres) e não interfere na áudiovisão. Essa tecnologia já é uma realidade que tanto pode ser introduzida no meio ambiente marinho como no terrestre.
(Figura 5)-Turbinas eólicas em alto mar, próximo a Copenhague, Dinamarca
O que impede a instalação de mais centrais eólicas ainda é o preço. A energia gerada por uma central eólica custa entre 60% e 70% a mais que a mesma quantidade gerada por uma usina hidrelétrica. Por outro lado, a energia do vento tem a grande vantagem de ser inesgotável e causar pouquíssimo impacto ao ambiente.
1.4- Conversão em energia elétrica
Na atualidade utiliza-se a energia eólica para mover aerogeradores, grandes turbinas colocadas em lugares de muito vento. Essas turbinas têm a forma de um catavento ou um moinho.
A energia eólica é medida utilizando sensores de velocidade e direção do vento. Os dados são armazenados num sistema de aquisição de dados (datalogger). Em geral, a velocidade do vento é medida em m/s (metros/segundo), podendo ainda ser medida em outras unidades, tais como nós e km/h. O principal resultado a ser obtido é a velocidade média do vento, mas é importante conhecer também a velocidade máxima, intensidade de turbulência, além da distribuição estatística das velocidades. Junto com o sensor de velocidade são utilizados os sensores de direção, registrando a predominância dos ventos.
Esse movimento, através de um gerador, produz energia elétrica. Precisam agrupar-se em parques eólicos, concentrações de aerogeradores, necessários para que a produção de energia se torne rentável, mas podem ser usados isoladamente, para alimentar localidades remotas e distantes da rede de transmissão. É possível ainda a utilização de aerogeradores de baixa tensão quando se trata de requisitos limitados de energia elétrica.
(Figura 6)
O vento forte pode rodar as lâminas de uma turbina adaptada para o vento (em vez do vapor ou da água é o vento que faz girar a turbina). A ventoinha da turbina está ligada a um eixo central que contém em cima um fuso rotativo. Este eixo chega até uma caixa de transmissão onde a velocidade de rotação é aumentada. O gerador ligado ao transmissor produz energia elétrica.
A turbina tem um sistema de abrandamento para o caso do vento se tornar muito forte, impedindo assim a rotação demasiado rápida da ventoinha.
Um dos problemas deste sistema de produção elétrica é que o vento não sopra com intensidade todo o ano, ele é mais intenso no verão quando o ar se movimenta do interior quente para o litoral mais fresco. Outro entrave é o fato do vento ter que atingir uma velocidade superior a 20 km/hora para girar a turbina suficientemente rápida.
Cada turbina produz entre 50 a 300 kilowatts de energia elétrica. Com 1000 watts podemos acender 10 lâmpadas de 100 watts; assim, 300 kilowatts acendem 3000 lâmpadas de 100 watts cada.
Geralmente para aplicações em larga escala com máquinas de grande porte, se requer uma velocidade média de, no mínimo, 6,5m/s a 7,5. Já para a utilização em sistemas isolados pequenos, incluindo os sistemas mecânicos para bombeamento d’água, assume-se uma média de 3,5m/s a 4,5m/s, sendo o mínimo admissível. Estes valores consideram tanto a viabilidade técnica quanto econômica.
1.5- Aplicações dos sistemas eólicos para geração de energia elétrica
Os sistemas eólicos para geração de energia elétrica podem ser classificados em:
Sistemas interligados à rede elétrica – constituem sistemas de grande porte, interligados à rede de distribuição de duas formas: (diretamente), através de geradores de indução ou síncrono; ou (indiretamente), por meio de inversores acoplados a geradores de corrente contínua. Os sistemas interligados à rede elétrica podem ser dotados de várias dezenas de máquinas eólicas, e injetam toda a energia gerada na rede elétrica convencional, funcionando como uma usina geradora; são também denominadas usinas eólicas;
Sistemas isolados ou independentes – são sistemas autônomos de pequeno porte, com potência instalada na faixa de até 80 kW, normalmente, destinados à eletrificação rural. Tais sistemas podem destinar-se a alimentar uma residência rural, uma fazenda, uma aldeia ou outro tipo de instalação. Normalmente, utilizam alguma forma de armazenamento, podendo ser baterias para utilização de aparelhos elétricos ou armazenamento de água para posterior utilização;
Sistemas de apoio (híbridos) – são aqueles em que uma turbina eólica opera em paralelo com uma fonte de energia firme (na maioria grupos-
geradores diesel), tendo como objetivo principal economizar combustível. Também são utilizados em conjunto com módulos fotovoltaicos. Os sistemas híbridos normalmente são empregados em sistemas de pequeno e médio porte destinado a atender um maior número de usuários.
(Figura 7)
1.6- Estudos de viabilidade para parques eólicos de grande porte (mais de cinco turbinas)
Investigação local – trata-se de uma visita ao local escolhido com objetivo de determinar as características gerais e específicas do local e da região, identificar os dados essenciais necessários e a disponibilidade dos mesmos e estabelecer com a maior precisão possível a localização mais provável para as turbinas eólicas;
Avaliação do recurso eólico – consiste na instalação de uma ou mais torres no local. Para coleta e análise dos dados eólicos, recomenda-se no mínimo um ano de medições. O custo de um ano de avaliações do recurso eólico depende da altura da torre, do número e do tipo de instrumentos montados na mesma e se o equipamento é comprado ou alugado;
Avaliação ambiental – tem como objetivo determinar a existência de impacto ambiental que possa impedir a realização do projeto;
Dimensionamento preliminar – tem como objetivo determinar a capacidade do parque, dimensionamento dos equipamentos e quantidade de material para a construção. Itens necessários para uma posterior estimativa detalhada de custos;
Estimativa detalhada de custos – tem como base o dimensionamento
preliminar e outras investigações levadas durante o estudo de viabilidade;
Preparação de relatório – descreve o estudo de viabilidade, descobertas e recomendações;
Gestão do projeto – abrange os custos estimados para a gestão de todas as fases do estudo de viabilidade, incluindo o tempo necessário para consultas aos investidores;
Viagem e acomodação – abrange todos os custos relacionados a viagens necessários para o estudo de viabilidade por parte da equipe responsável;
Outros – custos necessários para complementação do estudo de viabilidade.
1.7- Impactos ambientais da utilização de energia eólica
Os equipamentos de pequeno porte têm impacto ambiental geralmente desprezível. Já os impactos ambientais de parques eólicos podem ser classificados em:
Uso da terra – em parques eólicos as turbinas devem estar suficientemente distanciadas entre si para evitar a perturbação causada no escoamento do vento entre uma unidade a outra. Estes espaçamentos devem ser no mínimo de 5 a 10 vezes a altura da torre. Contudo a área do parque pode ser aproveitada para produção agrícola ou atividades de lazer;
Ruído – as turbinas de grande porte geram ruído audível significativo, de forma que existe regulamentação relativa à sua instalação na vizinhança de áreas residenciais. Entretanto, nas turbinas mais modernas o nível de barulho tem sido reduzido. O ruído é proveniente de duas fontes: o próprio fluxo de ar nas pás e os mecanismos (gerador, caixa de redução);
Impactos visuais – as pás das turbinas produzem sombras e/ou reflexos móveis que são indesejáveis nas áreas residenciais; este problema é mais evidente em pontos de latitudes elevadas, onde o sol tem posição mais baixa no céu. Dentre outros parâmetros que se podem relacionar são: o tamanho da turbina, seu design, números de pás, cor e números de turbinas em uma fazenda eólica. As máquinas de grande porte são objetos de muita visibilidade e interferem significativamente nas paisagens naturais; por isso podem existir restrições à sua instalação em algumas áreas (por exemplo, em áreas turísticas ou áreas de grande beleza natural);
Aves – em fazendas eólicas ocorre mortalidade de aves por impacto com as pás das turbinas (acredita-se que os animais não conseguem enxergá-las, quando estão em movimento), por isso não é recomendável a sua instalação em áreas de migração de aves, áreas de reprodução e áreas de proteção ambiental.
Interferência eletromagnética – esta acontece quando a turbina eólica é instalada entre os receptores e transmissores de ondas de rádio, televisão e microondas. As pás das turbinas podem refletir parte da radiação eletromagnética em uma direção, tal que a onda refletida interfere no sinal obtido.
Capítulo II- Revisão Bibliográfica
2.1- Entendendo as leis de Faraday e Lenz
No início da década de 1830, Michael Faraday, na Inglaterra, e Joseph Henry, nos Estados Undidos, descobriram independentemente que o campo magnético variável pode induzir uma corrente em um condutor.
As tensões e correntes causadas por campos magnéticos variáveis são denominados tensões induzidas e correntes induzidas e o fenômeno é conhecido como indução magnética.
A lei da indução de Faraday, afirma que a corrente elétrica induzida em um circuito fechado por um campo magnético, é proporcional ao número de linhas do fluxo que atravessa a área envolvida do circuito, na unidade de tempo.
(Definição de fluxo magnético)
Sendo E o campo elétrico induzido, ds é um elemento infinitesimal do circuito e dΦB/dt é a variação do fluxo magnético. Uma maneira alternativa de se representar é na forma da derivada da função do campo magnético B:
,
portanto:
A lei de Faraday-Lenz enuncia que a força eletromotriz induzida num circuito elétrico é igual a variação do fluxo magnético conectado ao circuito. É importante notar que um campo magnético constante não dá origem ao fenômeno da indução.
A lei é de natureza relativística, portanto o seu efeito é resultado do movimento do circuito em relação ao campo magnético.
Pouco depois de Faraday ter proposto sua lei de indução, Heinrich Lenz elaborou uma regra, conhecida como lei de Lenz, para determinar o sentido de uma corrente induzida em uma espira: uma corrente induzida possui um sentido tal que o campo magnético devido à corrente se opõe à variação no fluxo magnético que induz a corrente.
(Figura 8)
Se o campo magnético concatenado ao circuito está diminuindo, o campo magnético gerado pela corrente induzida irá na mesma direção do campo original (se opõem a diminuição), se, pelo contrário, o campo magnético concatenado está aumentando, o campo magnético gerado irá em direção oposta ao original (se opõem ao aumento).
Esta última análise é compatível com o princípio da conservação de energia. Se o circuito é aberto e não há fluxo de corrente, não há dissipação de energia pelo efeito Joule. Por este motivo não há uma força de reação à variação do campo magnético e o movimento do magneto ou do circuito não realiza trabalho (força nula x movimento = zero). Se ao
contrário, existir corrente circulando no circuito (com dissipação de energia), a variação do campo magnético resultará numa resistência que demandará a realização de trabalho. Com base neste princípio um gerador consome tanto mais energia mecânica quanto mais energia elétrica ele produz (sem considerar a energia perdida por atrito e pelo efeito Joule).
2.1.1- Campo Elétrico
Os estudos a respeito da eletricidade estática, criadora dos campos eléctricos, remontam a Tales de Mileto. O filósofo e estudioso da natureza descreveu o fenômeno que consiste em uma barra de âmbar (seiva petrificada) que atrai pequenos objetos depois de esfregada com uma pele de coelho. No cotidiano, é o mesmo que esfregar uma caneta de plástico (material isolante) contra um pano ou o próprio cabelo. Em ambas as situações, o objeto fica eletricamente carregado.
Um campo elétrico é o campo de força provocado por cargas elétricas, (elétrons, prótons ou íons) ou por um sistema de cargas. Cargas elétricas num campo elétrico estão sujeitas a uma força elétrica.
A fórmula do campo elétrico é dada pela relação entre a força elétrica F e a carga de prova q:
Unidade no SI,
O campo elétrico é uma grandeza vetorial, portanto é representado por um vetor. Para determinarmos a sua presença, colocamos uma carga de prova no meio. Se esta ficar sujeita a uma força, dizemos que a região em que a carga se encontra está sujeita a um campo elétrico. O vetor campo elétrico tem sempre a mesma direção da força a que a carga está sujeita, e o sentido é o mesmo da força — se a carga de prova estiver carregada positivamente (Q > 0) — ou contrária à força — se a carga for negativa (Q < 0). O módulo é calculado da seguinte forma:
onde (lei de Coulomb)
Substituindo
K é a constante dielétrica do meio
Nota-se, por essa expressão, que o campo elétrico gerado por uma carga é diretamente proporcional ao seu valor e inversamente proporcional ao quadrado da distância.
2.1.2- Campo Magnético
Campos magnéticos cercam materiais e correntes elétricas e são detectados pela força que exercem sobre outros materiais magnéticos e cargas elétricas em movimento. O campo magnético em qualquer lugar possui tanto uma direção quanto uma magnitude (ou força), por tanto é um campo vetorial.
Para a física dos materiais magnéticos ou para campos magnéticos constantes, como os gerados por materiais magnéticos e correntes contínuas, um campo magnético variável gera um campo elétrico e um campo elétrico variável resulta em um campo magnético .
A expressão campo magnético é usada para dois campos vetoriais diferentes, simbolizados por B e H.
Existem muitos nomes alternativos para os dois campos, nós usaremos o símbolo B . O campo B pode ser definido de muitas formas equivalentes baseado nos seus efeitos sobre o ambiente. Por exemplo, uma partícula com carga elétrica, q, movendo-se em um campo B com uma velocidade v, experimenta uma força F, chamada de força de Lorentz (veja abaixo). Nas unidades do SI, a equação da força de Lorentz é:
,
Onde × é o produto vetorial. O campo B é medido em tesla no SI, e em gauss em unidades cgs.
Tecnicamente, B é um pseudovetor (também chamado de vetor axial - esta é uma afirmação sobre como o campo magnético se comporta quando você reflete o mundo em um espelho, conhecido como paridade). Este fato fica aparente da definição acima de B.
Apesar da maneira de ver B ter mudado com o passar dos anos, este é agora entendido como sendo a quantidade fundamental, enquanto H é um campo derivado. Este é definido como uma modificação de B devido a campos magnéticos produzidos pelo meio material, tal que (em unidades do SI):
onde M é a magnetização do material e µ0 é a permeabilidade do vácuo (ou a constante magnética). O campo H é medido em amperes por metro (A/m) em unidades do SI, e em oersteds (Oe) em unidades cgs.
Em materiais cujo M é proporcional a B a relação entre B e H pode ser colocada na forma mais simples: H = B ⁄ µ. onde µ é um parâmetro dependente do material, chamado de permeabilidade. No vácuo não há magnetização, M, de forma que H = B / µ0 (vácuo). Para muitos materiais, entretanto, não há uma relação simples entre B e M.
2.1.3- Visualizando o campo magnético usando linhas de campo
(figura 9)-Linhas de campo magnético demonstradas por limalha de ferro
As linhas de campo não são precisamente as mesmas de um magneto isolado; a magnetização da limalha altera o campo.
As linhas de campo são uma maneira útil de representar qualquer campo vetorial e geralmente revelam propriedades sofisticadas dos campos de forma bastante simples. Uma propriedade importante do campo 'B' que pode ser verificada com as linhas de campo é que as linhas de campo magnético sempre fazem voltas completas. Elas não começam nem terminam (embora possam se estender de e para o infinito). Até hoje nenhuma exceção a esta regra foi encontrada.
O campo magnético sai do magneto em seu pólo norte e entra em seu pólo sul, mas dentro do magneto as linhas de campo B retornam do pólo sul de volta ao pólo norte. Se uma linha de campo B entra em um magneto em algum ponto ela deve sair em outro ponto, não é permitido ter um ponto dinal. Por esta razão, pólos magnéticos sempre vem em pares N e S. Cortar um magneto ao meio resulta em dois magnetos separados cada um deles com um pólo norte e outro sul.
(Figura 10)
Campos magnéticos são produzidos por correntes elétricas, que podem ser correntes macroscópicas em fios, ou correntes microscópicas associadas com os elétrons em suas órbitas atômicas. O campo magnético B é definido em termos da força que move uma carga na lei da força de Lorenz. A interação de campos magnéticos com cargas leva a muitas aplicações práticas.
A unidade SI para o campo magnético é o tesla, que pode ser visto da parte magnética da equação de força de Lorenz Fmagnética = qvB como sendo composta de (newton × segundo)/(coulomb × metro). Uma unidade menor do campo magnético é o gauss (1 tesla = 10.000 gauss).
O mapeamento da força e direção do campo magnético é simples, em princípio. Primeiro, meça a força e direção do campo magnético em um grande número de posições. Então marque cada localização com uma seta (chamada de vetor) apontando na direção do campo magnético local com um com um comprimento proporcional à intensidade do campo magnético.
As linhas de campo fornecem uma forma simples de apresentar ou desenhar o campo magnético (ou qualquer outro campo vetorial). As linhas magnéticas pode ser estimadas a qualquer ponto (seja em uma linha de campo ou não) usando a direção e densidade das linhas de campo próximas. Uma densidade maior de linhas de campo próximas indicam um campo magnético mais forte.
As linhas de campo também são uma boa ferramenta qualitativa para visualizar as forças magnéticas.
Capítulo III – Método e Materiais
3.1- Materiais utilizados:
Base: 61 mm x 40 mm x 500 mm (duas peças);
15 mm x 50 mm x 500 mm (duas peças);
45 mm x 25 mmx 550 mm (duas peças).
Ripa: 49 mm x 14 mm x 550 mm (duas peças)
Lateral: 24 mm x 47 mm x 400 mm (duas peças)
Base de fuso: 300 mm x 300 mm
PVC: 295 mm x 02 mm
Eixo (cima): ø 10 mm x 120 mm
Eixo (baixo): ø 10 mm x 70 mm
Flange: 60 mm x 10 mm em alumínio (duas peças)
Disco superior: manivela de 124 mm (uma peça)
Parafusos: 06 parafusos de 06 mm x 75 mm + 12 arruelas e 06 porcas;
04 parafusos de 06 mm x 90 mm + 08 arruelas e 04 porcas;
01 parafuso de 06 mm x 30 mm + 01 arruela e 01 porca;
08 parafusos de 4,5 mm x 20 mm + 08 arruelas;
01 parafuso de 4,5 mm x 30 mm + 02 arruelas e 01 porca;
01 parafuso de 04 mm x 20 mm;
16 parafusos de 04 mm x 10 mm + 36 arruelas e 16 porcas;
04 fusos de rosca de 06 mm x 400 mm + 16 arruelas e 16 porcas;
04 parafusos de 06 mm x 15 mm + 04 arruelas e 04 porcas;
01 porca de 17 mm;
01 arruela plástica de 65 mm.
Tubos: 01 tubo de PVC de 75 mm x 40 mm com tampa em PVC;
01 tubo de PVC de 55 mm x 40 mm com tampa em PVC;
01 tubo de papelão de 150 mm x 40 mm.
Bobinas: 01 bobina de 40 mm (externo) e 37 mm (interno) com 500 espiras de fio de cobre AWG 26;
01 bobina de 40 mm (externo) e 37 mm (interno) com 300 espiras de fio de cobre AWG 26.
Imãs: 09 imãs de neodímio de 28 mm x 02 mm de espessura
3.2- Máquinas e ferramentas utilizadas:
Torno; Fresa; Esmeril; Furadeira; Serra; Multímetro; Alicate; Chave de fenda; Fita isolante; Abraçadeira.
3.3- Método
A energia produzida pelo vento é um recurso energético natural que pode ser aproveitado com um investimento reduzido, é especialmente rentável em locais com muito vento. Um gerador eólica caseiro é algo possível de fazer sem custos muito elevados.
As diferenças de pressão atmosférica causadas pelo aquecimento diferencial terrestre provocam deslocação de massas de ar (vento), a deslocação destas massas de ar são influenciadas pelas condições atmosféricas (intensidade e direcção) por obstáculos e condições do solo. O aproveitamento da energia cinética do vento é efetuada através de turbinas eólicas acopladas a geradores. A este conjunto turbina-gerador é habitualmente chamado Aerogerador. Existem vários tipos de turbinas Aeólicas cujas as diferenças incidem essencialmente na direcção do eixo de rotação (vertical e horizontal), forma e número de pás que constituem o rotor. Quando exposto a vento suficiente, um aerogerador produz corrente alternada (CA). Depois de rectificada (CC) esta corrente é usada para carregar de baterias e posteriormente convertida em corrente
O projeto Gepeto foi desenvolvido com a finalidade de por em prática, tudo o que foi estudado na teoria.
Para a construção do Gepeto utilizamos a seguinte seqüência:
1- Montagem da base de sustentação; 2- Montagem dos eixos de rotação; 3- Encaixe da placa inferior e das pás; 4- Encaixe da placa superior; 5- Encaixe do pistão; 6- Encaixe das bobinas.
A primeira montagem ficou assim:
(Figura 11)- Gepeto I
Capítulo IV- Desenvolvimento
O projeto baseia-se na Lei de Faraday, na Lei de Lenz e em teorias de sistemas de geração de eletricidade no funcionamento de um gerador eólico.
Nos primeiros experimentos verificou-se que a forma como foram colocadas as bobinas no eixo giratório, onde as pás superiores passariam por cima das bobinas que continham 300 espiras cada e onde cada pá continha um imã de neodímio, não gerou a corrente esperada.
Logo fizemos outro teste, aumentando o número de espiras da bobina e trocando o formato das pás superiores para um disco de madeira que
também continham os mesmos imãs de neodímio distribuído pelo disco, e, outra vez o resultado esperado não foi alcançado.
Chegamos então ao projeto final, onde trocamos as pás superiores por um pistão e onde fizemos um sistema em que os imãs passam por dentro das bobinas, dessa vez usamos 02 bobinas, uma de 300 espiras e uma de 500 espiras.
E com este projeto abaixo ilustrado conseguimos concluir o experimento.
(figura 12) -Gepeto II
Capítulo V - Resultados
5.1- Resultados:
Para obtenção dos valores abaixo foi utilizado um ventilador da marca Arno, com medidas: 39 cm altura./ 30 cm diâmetro.
• Valores de tensão obtidos com as bobinas:
Bobina menor: aproximadamente 300 espiras, valor médio obtido
1,1 V (Volts)
Bobina maior: aproximadamente 500 espiras, valor médio obtido
2,2 V (Volts)
• Valores médios de corrente obtidos:
1,3 mA (Ampére) mínimo
17 mA (Ampére) máximo
Valor médio 9,15 mA
5.2- Cálculos relativos ao projeto
• Comprimento da circunferência (disco superior): Diâmetro de Ø 124 mm
c = 2 π. r
c =2π. 0, 062
c =0, 389 metros
• Cálculo do período
Nº de voltas Tempo
10 4,71s
1 x
10 x = 4,71
x=4,71÷10
x= 0, 471s correspondente a uma volta.
• Calculando a velocidade média (vm)
vm=∆s ÷ ∆t
vm=0, 389 ÷ 0, 471
vm=0, 826 m/s ou vm = 0, 826x3, 6 = 3 km/h
• Calculando a freqüência (f)
f=1÷T
f=1÷0, 471
f= 2,12 Hz
• Cálculo da velocidade angular (w)
ω= 2 π. f
ω=2 π. 2, 12
ω=13,34 rad/s
Vetor velocidade angular- Regra da Mao direita
(figura 13)
Capítulo VI– Discussão e Conclusão
O trabalho realizado por nosso grupo teve como principal objetivo a transformação de energia através de uma fonte natural que gerasse menor poluição, fosse renovável, e que sua construção fosse prática e que também utilizasse materiais de baixo custo.
A parte mecânica transcorreu com certa facilidade sendo que a parte de maior dificuldade foi durante a confecção das bobinas. Mas através de inúmeros testes, discussões, e diálogos com professores, conseguimos um aperfeiçoamento em nosso sistema, ocorrendo uma melhora substancial e por conseqüência maior aproveitamento da energia transformada.
A cada dia os olhos de todo o mundo se viram para aumento de produção, aumento da rentabilidade, e por fim maiores lucros, mas questões como fontes de energias limpas que pudessem substituir fontes como: o petróleo, as hidrelétricas as termonucleares eram tratadas com pouca atenção, com certo desprezo visto que tinham em mente que havia no planeta uma fonte inesgotável de recursos e por mais que fossem usados e também desperdiçados seriam quase que infinitos, mas a realidade nos mostra outro cenário onde o petróleo já não e tão fácil a sua extração, os rios que giram as turbinas nas hidrelétricas, estão diminuindo seus volumes de água devido às secas constantes e as termonucleares com a preocupação de vazamentos ou o acondicionamento e descarte de resíduos gerados e contaminados pela radiação.
É claro que isso gera um custo e quem nem sempre as empresas estão interessadas nos investimentos em pesquisas como se isso não fosse tão importante. Mas dentro em breve e em um caminho sem volta todas as negociações, vendas, produtos, terão que apresentar através de laudos que provem que sua empresa esta comprometida com a preservação e uso racional de recursos naturais ou estarão seriamente fadadas ao fracasso, pois haverá dificuldades para venderem seus produtos ou serviços.
E nos como futuros profissionais de engenharia teremos que por obrigação o desenvolvimento de processos cada vez mais limpos, visando não somente a redução de custos, mas também a preservação da natureza como fonte finita de energia.
Com isso concluímos que são possíveis sim fontes de energias alternativas, como o projeto apresentado por nosso grupo, e que se bem
trabalhadas podem desonerar a natureza com a utilização de fontes menos agressivas.
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Capítulo VII - Referências Bibliográficas
Campo Magnético – disponível em : http://pt.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico, acesso em 10/11/2010 Como funciona a energia eólica – disponível em: http://planetasustentavel.abril.com.br/noticia/educacao/conteudo_224740.shtml, acesso em 01/11/2010 Energia eólica – diponível em : http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_e%C3%B3lica, acesso em 01/11/2010
Energia eólica - Capítulo 10 – disponível em : http://www.abcdaenergia.com/enervivas/cap10.htm, acesso em 01/11/2010
Fotos e imagens – disponível em : http://www.google.com.br/images?hl=ptBR&q=campos+magn%C3%A9ticos+fotos&um=1&ie=UTF-8&source=univ&ei=L43qTKXtHYP-8Ab7rqiuCw&sa=X&oi=image_result_group&ct=title&resnum=1&ved=0CCgQsAQwAA&biw=1003&bih=558 , acesso em 01/11/2010
Geradores eólicos caseiros- construção – disponíveis em: http://www.g-sat.net/eolica-2414/geradores-eolicos-caseiros-construcao-121065.html, aceeso em 22/11/2010
Lei de Faraday - Lenz – disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Faraday-Neumann-Lenz, acesso em 01/11/2010
Rossi, Pedro H. J.; Oliveira, Cássia P.; - Perguntas frequentes sobre energia eólica – disponível em : http://www.pucrs.br/ce-eolica/faq.php?q=26#26, acesso em 01/11/2010
Tipler, Paul A. – Física - volume 2 – Eletricidade e Magnetismo, Ótica ( cap. 30 – páginas 246 a 253) – 4º edição; Editora LTC
Walker, Halliday R.- Fundamentos da Física – volume 3 – Eletromagnetismo (cap. 31- páginas 184 a 190) – 6º edição; Editora LTC
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Agradecimentos
Este trabalho não seria possível sem a colaboração de algumas pessoas que somadas ao empenho de nosso grupo e com a graça de DEUS foram fundamentais para o sucesso de nosso projeto, dentre eles professores: Salmazo, Jorbison, Wadley; técnicos do laboratório de mecânica: Willian, Luis, Hernandes; ao’’Seu’’ Chico da Madeireira Carlos Gomes; Usitec Usinagens e a todos que de alguma forma foram solidários nos momentos de dificuldades e parceiros nos momentos de superação, a todos nosso muito obrigado.
Lista das ilustrações
Figura 1- Corrente de ventos
Figura 2- Aerogerador
Figura 3- Especificações de um Aerogerador
Figura 4- Capacidade instalada de geradores eólicos em 2009
Figura 5- Turbinas em alto mar- Dinamarca
Figura 6- Datalogger
Figura 7- Regulação e conversão
Figura 8- Sentido da corrente induzida
Figura 9- Linhas de campo induzida por limalha de ferro
Figura 10- Linhas de campo nos Pólos Norte e Sul
Figura 11- Gepeto I
Figura 12- Gepeto II
Figura 13- Regra da Mao direita
