CONVENIO TCNICO-PEDAGOGICO QUE ENTRE SI FAZEM, A EFONAPE E O(A) -------------------------------------------------------------------------------------

ESCOLA TCNICA DE CAPACITAO NAVAL E DO PETRLEO

RELATRIO DE PROJETO FINAL DO CURSO TCNICO EM Tcnico em eletrotcnica EM energia eolica

Relatrio de projeto final em Energia Elica como um pr-requisito para o trmino do Curso Tcnico em Eletrotcnica da turma do ano de 2013 da Escola Tcnica de Capacitao Naval e do Petrleo (EFONAPE).

Prof. Orientador: Colocar o nome completo do professor.

Niteri, xx de ms de 20xx.ESCOLA TCNICA DE CAPACITAO NAVAL E DO PETRLEO

RELATRIO DE PROJETO FINAL DO CURSO TCNICO EM NOME DO CURSO TCNICO EM ESCREVER O NOME DO PROJETO POR COMPLETO

AGRADECIMENTOS(por exemplo Somente se voc achar necessrio, caso contrrio, retirar esta opo de agradecimentos) Ao senhor Deus por ter me dado foras para enfrentar durante o ano de XXXX este grande desafio. Aos meus pais, irmos, colegas e enfim, a todas as pessoas que de forma direta ou indireta, participaram desta minha jornada de desafios, em busca do trmino do Curso Tcnico em XXXX do ano de XXXXX.

Aluno (s): Nome completo do (s) alunos Jorge da Silva Antonio Luiz Etc...

Niteri, xx de ms de 20xxRESUMO

A utilizao de fontes renovveis de energia tem estado em pautas em todos os nveis da sociedade, e a cada dia elas esto sendo inventadas e aprimoradas para a utilizao de fontes limpas de energia. Os incentivos de governos e instituies internacionais tm feito com que haja uma corrida s tecnologias limpas, para garantir no s a estabilidade de muitas economias quando do fim do petrleo, mas tambm para tentar reverter ou mesmo parar as complicaes climticas com crescentes desastres naturais em todo o globo. Isto faz com que ns, futuros profissionais de engenharia sejamos a energia necessria para desenvolver estas tecnologias e devemos a cada dia estar habituados a entend-las para melhor contribuir com o seu desenvolvimento. Dentre estas energias, a Energia Elica tem se destacado pela sua alta capacidade de produo de energia eltrica com um custo/benefcio bom no s economicamente, mas tambm quanto aos impactos ambientais com a sua instalao que simples. Desta forma, veremos neste trabalho os prs e contras da utilizao da energia elica, assim como os diversos equipamentos utilizados para transformar a energia do vento em energia mecnica e esta em energia eltrica.

Palavras-chave: Energias Renovveis, Energia Elica, Vento.

INTRODUO

Para entendermos a utilizao da energia elica, temos que antes conhecer os motivos que a tornam uma Energia Limpa a aps isso descobrir se a mesma vivel economicamente ou no, pois mesmo que seja vivel ecologicamente o fator custo pode pesar e muito quando da sua concepo, se o seu rendimento no satisfizer os custos. Com a utilizao da internet, vemos que a energia elica pode ser usada para uma srie de aplicaes, seja para insero da energia fornecida na rede eltrica, seja para ser armazenada em baterias ou menos para a utilizao in natura em moinhos de vento, a energia elica dimensionada conforme a aplicao e a disponibilidade de vento. Estes fatores sero estudados com nfase para termos uma base solida da sua concepo e funcionamento.

A HISTRIA DA ENERGIA ELICA

J h aproximadamente quatro milnios os Egpcios usavam a energia elica em barcos vela no Nilo. As velas capturam a energia no vento para empurrar o barco na gua. Os primeiros moinhos de vento para moer gros, surgiram entre 2000 a.C e 200 a.C., na antiga Babilnia, na Prsia. De acordo com o site http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, estes primeiros dispositivos consistiam em uma ou mais vigas de madeira montadas verticalmente, e em cuja base havia uma pedra de rebolo fixada ao eixo rotativo que girava com o vento. Este mtodo de se usar o vento para moer gros espalhou-se rapidamente no Oriente Mdio e foi largamente utilizado antes de aparecer na Europa, quando no sculo XI d.C., os cruzados levaram o conceito para a Europa, onde surgiu o moinho de vento do tipo holands, com quais estamos familiarizados. Nos Estados Unidos, o desenvolvimento da energia elica e suas aplicaes estavam encaminhados j na dcada de 1930, quando aproximadamente 600 mil moinhos de vento abasteciam com eletricidade reas rurais e servios de bombeamento de gua. Assim que a rede de distribuio de eletricidade se espalhou para o interior, o uso de energia elica comeou a decrescer, somente reaparecendo depois da escassez de petrleo nos anos 70. Aps isto, seu desenvolvimento variou com o interesse e incentivos fiscais dos governos. Se em meados dos anos 80, as turbinas elicas possuam uma capacidade nominal mxima de 150 kW, hoje elas esto disponveis em capacidades maiores de at 4 MW.

PRINCPIOS BSICOS

Como na gerao de energia eltrica atravs de usinas hidreltricas, tambm a gerao de energia atravs do vento se baseia no aproveitamento da energia cintica. Nas usinas, a energia cintica que a gua possui quando armazenada move as turbinas quando escoa por uma sada muito abaixo do nvel do reservatrio. Na energia elica tambm assim, apenas a energia cintica do vento se movimentando atravs das ps que faz as mesmas girarem devido ao arrasto que o perfil das hlices cria. Tanto as turbinas como hlices giram um rotor acoplado a um gerador que por sua vez produz a energia eltrica.

A gerao de energia mais simples possvel tem trs partes fundamentais, de acordo com o site http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm:

1 - Ps do rotor: as ps so, basicamente, as velas do sistema. Em sua forma mais simples, atuam como barreiras para o vento. Quando o vento fora as ps a se mover, transfere parte de sua energia para o rotor; 2 - Eixo: o eixo da turbina elica conectado ao cubo do rotor. Quando o rotor gira, o eixo gira junto. Desse modo, o rotor transfere sua energia mecnica rotacional para o eixo, que est conectado a um gerador eltrico na outra extremidade; 3 - Gerador: um gerador simples consiste em ms e um condutor. O condutor um fio enrolado na forma de bobina. Dentro do gerador, o eixo se conecta a um conjunto de ims permanentes que circunda a bobina e quando o eixo gira, estar induzindo tenso no condutor. Quando o rotor gira o eixo, este gira o conjunto de ims que, por sua vez, gera tenso na bobina que produz tenso eltrica, pois ocorre uma diferena de potencial eltrico devido induo eletromagntica (disponvel em http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009).

Pelos poucos componentes acima apresentados o funcionamento de um aerogerador facilmente entendido, apesar de envolver varias reas da engenharia e da fsica.

A GERAO DE ENERGIA ELICA MODERNA

Atualmente todas as turbinas de gerao pblica em escala produzidas comercialmente so turbinas elicas de eixo horizontal. Como o nome indica, o eixo destas turbinas montado horizontalmente, paralelo ao solo e por isso precisam se alinhar com o vento usandoum mecanismo de ajuste. O sistema de ajuste consiste de motores eltricos com caixas de engrenagens que movem todo o conjunto em torno de seu eixo em pequenos incrementos. O controlador eletrnico da turbina l a direo do vento atravs de um dispositivo cata-vento e ajusta o rotor para capturar o mximo de energia disponvel. As turbinas elicas de eixo horizontal usam uma torre para elevar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento e para que as ps no toquem o solo e por isso ocupam muito pouco espao no solo, j que todos os componentes esto a at 80 metros ou mais de altura.Para entender melhor a gerao da energia elica, o infogrfico disponvel em http://planetasustentavel.abril.com.br/imagem/energia_eolica, nos ajuda muito.

FIGURA 01: Infogrfico representado a gerao der energia elica. DISPONVEL EM: http://planetasustentavel.abril.com.br/imagem/energia_eolica, acessado em 10/10/2009.Abaixo est uma descrio detalhada de cada um dos componentes de uma turbina elica de eixo horizontal, de acordo com o site http://www.ufjf.br/ppee/files/2008/12/211037.pdf.

Nacele: Contm os componentes do aerogerador incluindo entre outros a caixa de engrenagens e o gerador eltrico;Ps do rotor: Capturam a energia existente no vento e a transfere para o cone do rotor;Cone do rotor: Liga as ps ao eixo de baixa velocidade da turbina elica;Eixo de baixa velocidade: Conecta o cone do rotor a caixa de engrenagens. Em uma turbina moderna o eixo gira entre 9 e 30 RPM. Nesse eixo esto instaladas as tubulaes hidrulicas utilizadas para habilitar a operao do freio aerodinmico;Caixa de engrenagens: utilizado para converter a baixa rotao e o alto torque da turbina elica em alta velocidade e baixo torque que podem ser usados pelo gerador. Em mquinas de 600 a 750 kW, por exemplo, a relao de engrenagens de aproximadamente 1: 50;Eixo de alta velocidade: Aciona o gerador eltrico. Ele pode ser equipado com um freio a disco, usado em caso de falha do freio aerodinmico ou na partida da turbina elica. No caso da Figura 2 o freio a disco est instalado no eixo de baixa velocidade;Gerador eltrico: So geralmente utilizados os geradores de induo ou os geradores sncronos. Em aerogeradores modernos a potncia dessas mquinas est entre 500 kW a 2000 kW podendo atingir 4500 kW;Controle de giro: conhecido tambm como mecanismo de orientao e utiliza motores eltricos para girar a nacele juntamente com o rotor contra o vento. Este mecanismo operado por um controlador eletrnico o qual monitora a direo do vento usando uma veleta. Normalmente o aerogerador vai girar alguns graus quando o vento mudar sua direo;Sistema de controle: Contm um microprocessador que monitora, continuamente, as condies do aerogerador. Em caso de um mau funcionamento (sobrecarga, excesso de calor na caixa de engrenagens, etc.) ele automaticamente dispara o processo de parada da turbina elica;Torre: Sustenta a nacele e o rotor. Geralmente vantajoso ter uma torre alta por que a velocidade do vento cresce medida que se afasta do solo. Em aerogeradores modernos as torres podem atingir a altura de 40m a 60m. Em termos construtivos elas podem ser tubulares ou reticuladas, mas sempre so construdas em concreto estrutural como se fosse uma caixa de gua.Sensores de vento: So basicamente o anemmetro e a veleta. O anemmetro mede a velocidade do vento enquanto que a veleta monitora a direo do vento. Os sinais do anemmetro so usados pelo sistema de controle para partir o aerogerador quando a velocidade do vento est em torno de 3,5m/s a 5m/s. Quando esta velocidade superior a 25m/s o sistema de controle dispara o processo de parada do aerogerador de forma a preserv-lo mecanicamente. J o sinal da veleta usado para girar o aerogerador contra o vento usando o mecanismo de orientao (disponvel em. http://www.ufjf.br/ppee/files/2008/12/211037.pdf, acessado em 10/10/2009.

Apesar do principio de funcionamento de um aerogerador ser fcil de entender, essa mquina um sistema complexo no quais reas de conhecimento tais como aerodinmica, mecnica, eltrica e controle esto intimamente interligados.

FIGURA 02: Desenho esquemtico de um aerogerador. DISPONVEL EM: http://www.ufjf.br/ppee/files/2008/12/211037.pdf, acessado em 10/10/2009.

5.1 AS PS E A AERODINMICA

As ps das modernas turbinas de gerao de energia elica so fabricadas em fibra de carbono, que so matrias primas que provm da pirlise de materiais carbonceos que produzem filamentos de alta resistncia mecnica usados para os mais diversos fins. A pirlise a uma ruptura da estrutura molecular original de um determinado composto pela ao do calor em um ambiente com pouco ou nenhum oxignio que ocorre pela ao de altas temperaturas. A fibra de carbono possui propriedades que a torna perfeita para a aplicao em ps de gerao de energia elica, pois no enferruja e tem excepcional resistncia ao ambiente altamente agressivo, alm da alta inrcia qumica e resistncia s intempries. Outro fator extremamente importante que a fibra de carbono no condutora de corrente eltrica e por esse motivo no est sujeira a descargas eltricas quando em operao.

As ps da turbina so parecidas com asas de avio, pois usam um desenho de aeroflio, onde uma das superfcies da p um pouco arredondada, enquanto a outra relativamente plana. O vento se desloca sobre a face arredondada e a favor da p precisa se mover mais rpido para atingir a outra extremidade da p a tempo de encontrar o vento que se desloca ao longo da face plana e contraap, provocando um efeito conhecido como "empuxo. Como no desenho de uma asa de avio, uma alta relao de empuxo/arrasto essencial no projeto de uma p de turbina eficiente. As ps da turbina so torcidas, de modo que elas possam sempre apresentar um ngulo que tire vantagem da relao ideal da fora de empuxo/arrasto.

A aerodinmica no a nica considerao de projeto em jogo na criao de uma turbina elica eficaz. O tamanho importa: quanto maiores as ps da turbina e, portanto, quanto maior o dimetro do rotor, mais energia uma turbina pode capturar do vento e maior a capacidade de gerao de energia eltrica. De modo geral, dobrar o dimetro do rotor quadruplica a produo de energia. A altura da torre tambm um fator importante na capacidade de produo. Quanto mais alta a turbina, mais energia ela pode capturar, pois a velocidade do vento aumenta com a altura. Para calcular a real quantidade de potncia que uma turbina pode gerar, a velocidade do vento no local da turbina e a capacidade nominal da turbina so os fatores levados em considerao. A maioria das turbinas grandes produz sua potncia mxima com velocidades do vento ao redor de 15 m/s (54 km/h). Considerando velocidades do vento estveis, o dimetro do rotor que determinaa quantidade deenergia que uma turbina pode gerar.

Dimetro do rotor (metros)Gerao de potncia (kW)

1025

17100

27225

33300

40500

44600

48750

541000

641500

722000

802500

TABELA 01: Tamanho do rotor e gerao mxima de potncia. DISPONVEL EM: http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009.

Existem diversos sistemas de segurana que podem desligar a turbina se a velocidade do vento ameaar a estrutura, incluindo umsimples sensor de vibrao usado em algumas turbinas, que consiste basicamentede uma esfera metlica presa a uma corrente e equilibrada sobre um minsculo pedestal. Se a turbina comear a vibrar acima de certo limite, a esfera cai do pedestal e puxa a corrente, ativando o mecanismo de desligamento. Provavelmente, o sistema de segurana mais comumente ativado em uma turbina o sistema de "frenagem", que ativado por velocidades do vento acima do limite. Esse arranjo usa um sistema de controle de potncia que, essencialmente, aciona os freios quando a velocidade do vento se eleva em demasia e depois "libera os freios"quando o vento diminui abaixo de 72 km/h. Os modernos projetos de grandes turbinas usam diversos tipos diferentes de sistemas de frenagem.

Controle de passo:o controlador eletrnico da turbina monitora a gerao de potncia. Com velocidades do vento acima de 72 km/h, a gerao de potncia ser excessiva, a ponto de o controlador ordenar que as ps alterem seu passo de modo que fiquem desalinhadas com o vento. Isto diminui a rotao das ps. Os sistemas de controle de passo requerem que o ngulo de montagem das ps (no rotor) seja ajustvel. Controle passivo de perda de eficincia aerodinmica: as ps so montadas no rotor em um ngulo fixo, mas so projetadas de modo que a toro das prprias ps aplique a frenagem quando o vento for excessivo. As ps esto dispostas em ngulo, assim os ventos acima de certa velocidade causaro turbulncia no lado contrrioda p, induzindo perda da eficincia aerodinmica. Em termos simples, a perda da eficincia aerodinmica ocorre quando o ngulo da p voltado para a chegada do vento se torna to acentuado que comea a eliminar a fora de empuxo, diminuindo a velocidade das ps. Controle ativo de perda de eficincia aerodinmica: as ps neste tipo de sistema de controle de potncia possuem passo varivel, como as ps do sistema de controle de passo. Um sistema ativo de perda de eficincia aerodinmica l a gerao de potncia do mesmo modo que um sistema de passo controlado, mas em vez de mudar o passo das ps para desalinh-las com o vento, eleas altera para gerar perda de eficincia aerodinmica (disponvel em http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009).

Como visto a velocidade da p no pode ser muito grande para no gerar falhas estruturais na torre e na prpria p, podendo estas falhas resultar na queda da torre em ultimo caso.0. Fator Econmico

De acordo com o site http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, o custo da energia elica em escala pblicafoi reduzido drasticamente nas ltimas duas dcadas devido aos avanos tecnolgicos e de projeto na produo e instalao da turbina. No incio dos anos 80, a energia elica custava cerca de US$ 0,30 por kWh. Em 2006, a energia elica custava de US$ 0,03 a 0,05 por kWh nas reas de vento abundante. Quantomaior a regularidadedos ventosem uma determinada rea de turbinas, menor o custo da eletricidade gerada pelas mesmas. Em mdia, o custo da energia elica por kWh de cerca de US$ 0,04 a 0,10 nos Estados Unidos.Tipo de recursoCusto mdio (centavos de US$ por kWh)

Hidreltrica2-5

Nuclear3-4

Carvo4-5

Gs natural4-5

Vento4-10

Geotrmica5-8

Biomassa8-12

Clula combustvel a hidrognio10-15

Solar15-32

TABELA 02: Comparao de custos da energia. DISPONVEL EM: http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009A instalao um sistema de turbina elica para necessidades prprias uma maneira de garantir que a energia limpa e renovvel. Uma configurao de turbina residencial ou empresarial pode custar algo entre US$ 5 mil a US$ 80 mil. Uma turbina de gerao pblica de 1,8 MW pode custar at US$ 1,5 milho instalada, e isso no inclui o terreno, linhas de transmisso e outros custos de infra-estrutura associados com o sistema de gerao elica. No total, o custo de uma fazenda elica est ao redor de US$ 1 mil por kW de capacidade, de modo que uma fazenda elica com sete turbinas de 1,8 MW custa aproximadamente US$ 12,6 milhes. O tempo de retorno do investimento para uma grande turbina elica, ou seja, o tempo necessrio para gerar eletricidade suficiente para compensar a energia consumida na construo e instalao da turbina, de cerca de trs a oito meses, de acordo com a Associao Americana de Energia Elica.

CONSIDERAES FINAIS

Hoje a energia elica tem um forte incentivo governamental, mas pode caminhar com as suas prprias pernas podendo ser competitiva com as demais fontes de gerao. Alguns pases da Unio Europia como a Alemanha e o Reino Unido j estabeleceram metas para a utilizao da energia elica para algo em torno de 10% do seu consumo. Isto um potencial que ns ainda estamos muito longe de atingir, pois hoje a potncia instalada no Brasil de 250 MW, representado nfimos 0,25% da energia consumida no pas. O potencial econmico por trs dessa energia tem despertado interesse de muitas empresas e pases, a exemplo da Dinamarca, que j produz 20% da energia consumido no pas atravs da fora dos ventos. De acordo com clculos do Ministrio de Minas e Energia feito em 2005, o potencial da energia elica no Brasil de 150 GW. Para efeitos de comparao, a Usina de Itaipu produz 14 GW de energia. Todo este potencial est ai de graa somente esperando para ser explorado.

Referncias

Sites consultados para a realizao deste estudo:Site p. 2, 3, 7 e 8 (disponvel em: http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009.Site p.3 e 4 (disponvel em: http://planetasustentavel.abril.com.br/imagem/energia_eolica, acessado em 10/10/2009.Site p.2 (disponvel em: http://www.ufjf.br/ppee/files/2008/12/211037.pdf, acessado em 10/10/2009, acessado em 10/10/2009.

Escola Tcnica e de Capacitao para a Indstria Petroleira e Naval LTDA - Endereo: Rua Cel. Gomes Machado, 99 5 andar Centro Niteri RJ - CEP: 24.020-107- Tel: (21) 2621-1817 / 3071-1177 www.efonapeescola.com.br