Sobre tunel de Ventos.pdf

7/23/2019 Sobre tunel de Ventos.pdf

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

FACULDADE DE ARQUITETURA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM DESIGN

PGDESIGN

ESTUDO DE ROTOR PARA TURBINA ELICA DE EIXO HORIZONTAL DE

PEQUENO PORTE COM APLICAO DE MODELAGEM E SIMULAO VIRTUAL

JULIO CESAR PINHEIRO PIRES

Porto Alegre

2010


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P667e Pires, Jlio Cesar Pinheiro

Estudo de rotor para turbina elica de eixo horizontal de pequeno porte com aplicaode modelagem e simulao virtual / Jlio Cesar Pinheiro Pires. 2011.

Dissertao (mestrado) Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Escola deEngenharia. Faculdade de Arquitetura. Programa de Ps-Graduao em Design.Porto Alegre, BR-RS, 2010.

Orientadora: Prof. Dr. Branca Freitas de Oliveira

1. Energia elica. 2. Elementos finitos. 3. Simulao computacional. 4. Modelagemgeomtrica. 5. Design industrial. I. Oliveira, Branca Freitas de, orient. II. Ttulo.

CDU-744(043)


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ESTUDO DE ROTOR PARA TURBINA ELICA DE EIXO HORIZONTAL DE

PEQUENO PORTE COM APLICAO DE MODELAGEM E SIMULAO VIRTUAL

Dissertao apresentada ao Programa Ps-graduao em Design PgDesign daUniversidade Federal do Rio Grande do Sulcomo requisito parcial obteno do ttulo

de Mestre em Design, modalidadeacadmica, na rea de Design Virtual.

ORIENTADORA: Prof. Dra. Branca Freitas

de Oliveira

Porto alegre

2010


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ESTUDO DE ROTOR PARA TURBINA ELICA DE EIXO HORIZONTAL DEPEQUENO PORTE COM APLICAO DE MODELAGEM E SIMULAO VIRTUAL

Esta dissertao de foi julgada adequada para obteno do ttulo de Mestre em Design namodalidade acadmica e aprovada em sua forma final pela Orientadora e pela banca examinadoradesignada pelo programa de Ps-Graduao em Design - PgDesign da Universidade Federal do

Rio Grande do Sul.

_________________________________Prof. Branca Freitas de Oliveira, Dra.

Orientadora PgDesign/UFRGS

_______________________________Prof. Wilson Kindlein Junior, Dr.

Coordenador PgDesign/UFRGS

Banca examinadora:

________________________________________Professora Adriane Prisco Petry, Dra. em engenharia mecnica / UFRGS. Professora nagraduao e ps-graduao UFRGS (DEMEC/UFRGS).

________________________________________Professor Fabio Gonalves Teixeira, Dr. em engenharia mecnica com nfase emcomputao grfica e modelagem geomtrica / UFRGS. Professora na graduao e ps-graduao UFRGS (PgDesign/UFRGS).

________________________________________Professor Jos Luis Farinatti Aymone, Dr. em engenharia civil / UFRGS. Professor nagraduao e ps-graduao UFRGS (PgDesign/UFRGS).


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Aos meus filhotes Dot e Meg. minha

Esposa Mrcia pelo apoio e pacincia em

Todos os momentos


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AGRADECIMENTOS

Agradeo minha professora orientadora Branca Freitas de Oliveira, no apenas por este

trabalho, mas por orientar minha carreira acadmica na UFRGS com dedicao e

profissionalismo. Quando colocado seu conhecimento a disposio do aluno, torna-se possvel ir

mais longe.

Ao professor Fbio Gonalves Teixeira pelo apoio desde meu ingresso na UFRGS.

Ao professor Jos Luis Farinatti Aymone tambm pelo apoio e por aceitar participar da

banca examinadora.

professora Adriane Prisco Petry pelos assessoramentos que ajudaram a construir este

trabalho.

Aos demais integrantes do VID Virtual Design UFRGS por colaborarem de alguma

forma com esta pesquisa.

Aos demais professores e funcionrios do PgDesign Ps-graduao em Design e

Tecnologia, representados pelo coordenador professor Wilson Kindlein Jnior.Aos Bolsistas em iniciao cientfica Gabriel Birck e Anderson Peccin da Silva por sua

colaborao nas anlises numricas.

Aos meus pais Ricardo e Cleonice e s minhas irms.

Ao CNPq, a CAPES e a PROPESQ/UFRGS pelo suporte financeiro para realizao dessa

pesquisa.


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SUMRIO

1. INTRODUO ................................................................................................................... 17

1.1. CONTEXTUALIZAO ..................................................................................................... 17

1.2. PROBLEMA ......................................................................................................................... 20

1.3. OBJETIVOS GERAL E ESPECFICOS .............................................................................. 20

1.4. JUSTIFICATIVA.................................................................................................................. 22

1.5. ESTRUTURA DA DISSERTAO .................................................................................... 23

2. FUNDAMENTAO TERICA...................................................................................... 24

2.1. HISTRICO SOBRE TRANSFORMAO DE ENERGIA .............................................. 24

2.1.1. Energia da biomassa..................................................................................................................................25

2.1.2. Energia de combustveis fsseis................................................................................................................26

2.1.3. Energia nuclear..........................................................................................................................................27

2.1.4. Energia de fontes alternativas....................................................................................................................27

2.2. ENERGIA ELICA.............................................................................................................. 282.2.1. Incio do uso da energia elica..................................................................................................................28

2.2.2. Tipos de turbinas elicas...........................................................................................................................32

2.2.3. Legislao brasileira para o setor de energia elica ..................................................................................38

2.3. AEROGERADORES ............................................................................................................ 39

2.3.1. Partes do aerogerador ................................................................................................................................40

2.3.1.1. Rotor ................................................................................................................................................40

2.3.1.2. Sistema de transmisso....................................................................................................................41

2.3.1.3. Gerador eltrico ...............................................................................................................................42


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2.3.1.4. Mecanismo de controle e orientao................................................................................................42

2.3.1.5. Torre ................................................................................................................................................43

2.3.2. Modelos comerciais de aerogeradores de pequeno porte .......... ........... ........... ......... ............ ........... .......... 44

2.4. MATERIAIS COMPSITOS ............................................................................................... 46

2.4.1. Matrizes de materiais compsitos .............................................................................................................49

2.4.2. Reforos de materiais compsitos.............................................................................................................50

2.4.3. Processos de fabricao de materiais compsitos .....................................................................................52

3. METODOLOGIA................................................................................................................ 56

4. ANTEPROJETO E SIMULAES.................................................................................. 58

4.1. DETERMINAO DE VARIVEIS DE PROJETO.......................................................... 59

4.1.1. Foras contidas nos ventos........................................................................................................................59

4.1.2. Potncia elica...........................................................................................................................................61

4.2. DIMENSIONAMENTO E MODELAGEM ......................................................................... 66

4.2.1. Perfil aerodinmico ...................................................................................................................................67

4.2.2.

Modelagem geomtrica em trs dimenses...............................................................................................77

4.3. SIMULAES PELO MTODO DOS ELEMENTOS FINITOS ...................................... 80

5. CONSIDERAES FINAIS.............................................................................................. 95

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .............................................................................. 97


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LISTA DE SMBOLOS E ABREVIAES

TEEH Turbina Elica de Eixo Horizontal

CAD Computer Aided Design Projeto/Desenho Assistido por Computador

3D Tridimensional

MH110 Perfil aerodinmico criado por Martin Hepperle

GWEC Global Wind Energy Council (Conselho Global de Energia Elica)MW Megawatt

GW Gigawatt

kW kilowatt

CAE Computer Aided Engineering Engenharia Auxiliada por Computador

CEEE Companhia Estadual de Energia Eltrica

ICMS Imposto sobre Circulao de Mercadorias e Servios

PIS Programa de Integrao SocialCofins Contribuio para o Financiamento da Seguridade Social

ANP Agncia Nacional do Petrleo

a.C. Antes de Cristo

NASA National Aeronautics and Space Administration - Agencia Aeroespacial Norte

Americana

IDER Instituto de Desenvolvimento Sustentvel e Energias Renovveis

TEEV Turbinas Elicas de Eixo Vertical

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

PIE Produo Independente de Energia

SP Servio Pblico

APECOM Autoproduo de Energia / Consumidor

APE Autoproduo de Energia

rpm Rotaes por Minuto

W Watt

EVR Elementos de Volume Representativo


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PRFV Polmero Reforado com Fibra de Vidro

MEKP Metil-etil-cetonaGPa Gigapascal

E Energia Cintica

m Massa

v Velocidade do vento

disP Potncia disponvel

Densidade do ar

A rea varrida pelas ps de rotor elicoretP Potncia retirada do vento

1v Velocidade do vento anterior s ps

3v Velocidade do vento posterior s ps

2v Velocidade do vento no nvel das ps

Velocidade especfica (= D )

uv Velocidade de rotao das ps

Velocidade angular

R Raio

Cp Coeficiente de potncia

ngulo de passo

rv Velocidade resultante

ngulo de ataque

lF Fora de sustentao

lC Coeficiente de sustentao

dC Coeficiente de arrasto

L Sustentao

D Arrasto

NACA National Advisory Committee for Aeronautics - Comit Nacional para

Aconselhamentos sobre Aeronutica

c Corda da p


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PI (3,14159)

n Nmero de psr Raio local

Toro da p (twist)

ngulo entre rv e uv

arctan Arco tangente = 1/tangente

NURBS Non-Uniform Rational Bzier Spline Superficie B-Spline no Uniforme e

Racional

2D BidimensionalMEF Mtodo dos Elementos Finitos

1E Mdulo de elasticidade na direo das fibras

2E Mdulo de elasticidade na direo transversal as fibras

12v Coeficiente de Poisson

12G Mdulo de cisalhamento no plano 1-2



dr Componente que representa a espessura infinitesimal do anel considerado para o

clculo da rea de varredura da p

dT Fora de empuxo

dU Fora rotacional

N Newton

ij Componentes do tensor de tenses

tX Resistncia a trao na direo 1

AS Resistncia ao cisalhamento nos planos 1-2 e 1-3

cX Resistncia a compresso na direo 1

tY Resistncia a trao na direo 2

tS Resistncia ao cisalhamento no plano 2-3

cY Resistncia a compresso na direo 2


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Diagrama Ennio - fontes de energia ............................................................................. 25

Figura 2 - Moinho de vento persa.................................................................................................. 29

Figura 3 - Moinho de vento ingls ................................................................................................ 30

Figura 4 Pequena turbina elica dinamarquesa .......................................................................... 31

Figura 5 - Modelos de rotor com eixo vertical .............................................................................. 32

Figura 6 - Rotor tipo Savonius ...................................................................................................... 33

Figura 7 - Rotor tipo Darrieus ....................................................................................................... 34

Figura 8 - Aerogerador de eixo horizontal instalados em Osrio/RS............................................ 35

Figura 9 - Evoluo do tamanho e potncia de aerogeradores ...................................................... 36

Figura 10 Maior fazenda elica offshore do mundo, Inglaterra ................................................. 37

Figura 11 - Simulao de uma turbina da empresa Magenn Power .............................................. 37

Figura 12 - Turbina TEEV de levitao da empresa Maglev........................................................ 38

Figura 13 Possveis usos de energia elica................................................................................. 46

Figura 14 Custo em funo do desempenho para componentes compsitos ............................. 47Figura 15 - Tipo de vento em funo da altitude........................................................................... 60

Figura 16 - Relao entre coeficiente de potncia e velocidade especfica................................... 63

Figura 17 - Aproximao matemtica do coeficiente de potncia em funo de e do ngulo de

passo .............................................................................................................................................. 64

Figura 18 - Relao entre ngulos, fora e velocidades em um perfil aerodinmico.................... 65

Figura 19 Projeto gerador elico de pequeno porte.................................................................... 66

Figura 20 - Sustentao (L) e arrasto (D) em funo do coeficiente de potncia e da velocidadeespecfica .................................................................................................................................. 69

Figura 21 Forma do perfil aerodinmico MH 110 ..................................................................... 71

Figura 22 Anlise do perfil MH110 no JavaFoil........................................................................ 72

Figura 23- Dimenses da corda cda p para as sees definidas ................................................. 75

Figura 24 Suavizao da p ........................................................................................................ 75

Figura 25- ngulos de passo calculados para cada seo da p.................................................... 76

Figura 26- Primeiro e ltimo ngulos de passo da p.................................................................... 77


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Figura 27- Modelo 2D da p.......................................................................................................... 78

Figura 28- Modelo com perfil aerodinmico e twist..................................................................... 79Figura 29- P com superfcie......................................................................................................... 79

Figura 30 - Toro do perfil .......................................................................................................... 80

Figura 31 Diagrama para anlise da p ...................................................................................... 82

Figura 32 - Planos principais de uma lmina de material compsito............................................ 84

Figura 33 P modelada e com e condio de engaste na raiz..................................................... 84

Figura 34 P com atribuio das foras aerodinmicas.............................................................. 86

Figura 35: Deslocamento na p em m ........................................................................................... 89

Figura 36: tenses11 (direo do eixo longitudinal da p).......................................................... 89

Figura 37: Resultados do critrio de falha de Hashin para trao na matriz................................. 92


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Capacidade de energia instalada no mundo [MW]...................................................... 18

Tabela 2 Usinas elicas em operao no Brasil ......................................................................... 19

Tabela 3 Modelos comerciais de aerogeradores de pequeno porte ............................................ 45

Tabela 4 Composio de fibras de vidro tipo E, C e S em %..................................................... 51

Tabela 5 Propriedades dos tipos de fibra de vidro...................................................................... 51

Tabela 6 Custo de fibras utilizadas em compsitos.................................................................... 52

Tabela 7 - Composio de uma placa tpica em compsito de fibra de vidro............................... 54

Tabela 8 Altura de rugosidade em funo do tipo de terreno..................................................... 61

Tabela 9 pontos de coordenadas do perfil MH110..................................................................... 70

Tabela 10 Parmetros em funo do ngulo de ataque .............................................................. 73

Tabela 11 especificaes para modelagem da p ....................................................................... 78

Tabela 12 - Propriedades dos compsitos reforados por fibras unidirecionais ........................... 83

Tabela 13 Dados do teste de validao da malha....................................................................... 88Tabela 14 - Dados obtidos nas simulaes com diferentes espessuras para velocidade de vento

10m/s ............................................................................................................................................. 92

Tabela 15 - Dados de deslocamento e foras atuantes na p para diferentes velocidades de vento e

espessura de 0,007m...................................................................................................................... 93

Tabela 16 - Dados de falha de Hashin para espessura total 0,007m e diferentes velocidades de

vento .............................................................................................................................................. 93

Tabela 17 dados de falha de Hashin para velocidade de vento 40m/s ....................................... 94


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RESUMO

PIRES, Julio Cesar Pinheiro. Estudo de Rotor para Turbina Elica de Eixo Horizontal dePequeno Porte com Aplicao de Modelagem e Simulao Virtual. Porto Alegre, 2010.Dissertao (Mestrado em Design), Programa de Ps-Graduao em Design, UFRGS, 2010.

Este trabalho apresenta um estudo para aerogerador de pequeno porte projetado inicialmente parauso residencial. A nfase est na modelagem e simulao virtual da estrutura das ps emcompsito de fibra de vidro. A modelagem geomtrica foi feita com software para desenhoassistido por computador (CAD 3D). Para o projeto, foi escolhido o perfil MH110 que apresenta

boa relao entre coeficiente de sustentao e coeficiente de arrasto e facilidade de fabricao. Osparmetros como o dimetro do rotor, a corda e a toro da p, as relaes entre velocidades e aaplicao de cargas na estrutura do material utilizado foram definidos segundo bibliografiaespecfica, softwarepara anlise de perfil aerodinmico e simulaes pelo mtodo dos elementosfinitos. Procurou-se buscar sempre a maior eficincia, segurana e economia. O materialconsiderado para o projeto das ps foi projetado para resistir s tenses decorrentes de operaoem condies consideradas normais e para rajadas de vento. A simulao pelo mtodo doselementos finitos foi conduzida com ferramenta computacional e levou em conta os limites defalha do material utilizado. A geometria foi simulada sem reforo interno e apresentou baixodeslocamento quando submetida s cargas aerodinmicas de empuxo e rotacional. Ao realizarsimulao com critrio de falha, foi possvel determinar a espessura mais adequada para o

material compsito e verificar seu comportamento de acordo com diferentes velocidades devento.

Palavras-chave: Energia elica, simulao computacional, mtodo dos elementos finitos,modelagem geomtrica.


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ABSTRACT

PIRES, Julio Cesar Pinheiro. Study for Small Horizontal Axis Wind Turbine Rotor withapplication of modeling and virtual simulation. Porto Alegre, 2010. Dissertao (Mestradoem Design), Programa de Ps-Graduao em Design, UFRGS, 2010.

This work presents a study for small wind generator designed for residential usage. The emphasisis modeling and virtual simulation of the blade structure made in composite material (fiberglass).Geometric modeling was performed by computer aided design (CAD 3D) software. The MH110profile was chosen for design because it presents good ratio of lift coefficient and drag

coefficient, and manufacturing facility. Parameters such as rotor diameter, chord and blade twist,the relationship between the blade speeds, and the application of loads on the material used weredefined according to specific bibliography, software for airfoil analysis and simulations by finiteelement method. It tried to always seek most efficiency, safety and economy. The material wasdesigned to withstand the stresses arising from operation under conditions considered normal andwind gusts. The simulation by finite element method was conducted by computational tool andtook into account the material failure criterion. The geometry was simulated without internalreinforcement and presented low displacement when subjected to aerodynamic loads of thrustand rotational forces. When performing simulation with the failure criterion, it was possible todetermine the most appropriate thickness for the composite material and verify its behavior underdifferent wind speeds.

Keywords: Wind energy, computational simulation, finite elements method, geometric modeling.


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1. INTRODUO

1.1.CONTEXTUALIZAO

A energia eltrica est presente em diversos setores da atividade humana. Os setores

residencial, comercial, industrial, entre outros, so abastecidos com eletricidade provinda de

usinas de gerao de energia eltrica. A extrao dessa energia feita atravs de mtodos

conhecidos por renovveis e no renovveis. O petrleo e seus derivados, por exemplo, podem

ser considerados fontes de energia no renovvel. J a energia solar e a elica so consideradas

renovveis, limpas e ecolgicas.

O aproveitamento do sol, bem como a utilizao do vento para converso em energia, so

prticas que tendem a minimizar a emisso de poluentes na atmosfera visto que no requerem

processos de combusto.

O vento uma massa de ar que adquire energia cintica atravs da diferena de presso de

uma regio para outra. Pode-se dizer que o vento proveniente da energia solar, pois essa

diferena de presso se d pela diferena de temperatura da superfcie terrestre ou aqutica.

Para Acioli (1994), energia elica o aproveitamento da energia do vento, a maneira de se

extrair energia do vento atravs de cata-ventos.

A produo de energia eltrica atravs da fora elica inicia-se somente por volta do sculo

XX (Tolmasquim, 2003). Com o crescimento da economia mundial, veio o aumento

significativo do consumo de eletricidade. A alta no preo do petrleo, juntamente com novas

idias de produo de energia limpa, ecolgica e renovvel, impulsionaram a proliferao de

empresas especialistas em energia elica. Os dinamarqueses foram pioneiros nessa prtica.

Atualmente, a produo de energia elica muito visada por tratar-se de uma fonte nopoluente e, teoricamente, inesgotvel e tambm pelo apelo ecolgico que se faz necessrio diante

de presses impostas por tratados ou acordos internacionais para reduo de emisso de gases

poluentes na atmosfera.

A tecnologia permitiu o desenvolvimento dos equipamentos e, juntamente com novas

demandas, surgem cada vez mais projetos inovadores.


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Segundo o GWEC Global Wind Energy Council (Conselho Global de Energia Elica),

existe atualmente mais de 30.000 turbinas elicas em operao no mundo, totalizando mais de157 mil MW de capacidade instalada cumulativamente de 1996 a 2009.

A distribuio das chamadas fazendas elicas pelo mundo est intimamente ligada

presena de vento nas respectivas regies. flagrante a taxa de crescimento do uso da energia

elica nos ltimos anos. Em 2005, mais de 59 GW de potncia elica estavam instalados em mais

de 50 pases (Dalmaz, 2007). A Tabela 1 mostra a evoluo da capacidade instalada de 2008 a

2009.

Tabela 1 Capacidade de energia instalada no mundo [MW]

Pas MW em 2008 MW em 2009

EUA 25.237 35.159Alemanha 23.903 27.777

China 12.104 25.104Espanha 16.689 19.149

ndia 9.655 10.926Itlia 3.736 4.850

Frana 3.404 4.492Reino Unido 2.974 4.051

Portugal 2.862 3.535Brasil 341 606

Demais pases 19.645 22.250

Fonte: GWEC Global Wind Energy Council

Nesse contexto, os Estados Unidos esto em vantagem em relao a todos os outros pases.

No Brasil, segundo a ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica, existem diversas

centrais elicas em operao e mais algumas outorgadas para incio da fase de construo. Dentreelas, as com maior capacidade so as instaladas em Osrio, no Rio Grande do Sul, com potncia

outorgada de 150.000 kW (somando-se os 50.000 kW do Parque Elico de Osrio, os 50.000 kW

do Parque Elico Sangradouro e os 50.000 kW do Parque Elico dos ndios; todos no municpio

de Osrio) e a RN-15 de Rio do Fogo, no Rio Grande do Norte. A Tabela 2 apresenta 17 usinas

instaladas e em operao no Brasil em 2008, totalizando uma potncia de 272.650 kW.

A gerao em grande escala, ou na escala do Megawatt, tem evidenciado seus benefcios.

Porm, para a chamada gerao de energia domstica, alguns entraves como a falta de interesse


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em executar projetos especficos so suficientes para no haver uma produo em srie, assim

como uma grande distribuio de modelos residenciais de geradores elicos. Existem empresascapacitadas para esta produo, mas a massificao do uso de energia elica est longe de ser

realidade.

Tabela 2 Usinas elicas em operao no Brasil

UsinaPotencia

outorgada(kW)

Potenciafiscalizada

(kW)

Destino daenergia

Proprietrio Municpio

Elica de Prainha 10.000 10.000PIE (produoindependentede energia)

Wobben Aquiraz CE

Elica de Taba 6.200 5.000 PIE Wobben So Gonalo doAmarante CE

Elica-EltricaExperimental do

Morro do Camelinho1.000 1.000

SP (serviopblico)

CEMIG Gouveia MG

Elica-Eltrica dePalmas

2.500 2.500 PIECentrais Elicas do

Paran Ltda.Palmas PR

Elica de Fernandode Noronha

225 225 PIECentro Brasileiro de

Energia ElicaFernando de

Noronha PEParque elico de

Beberibe25.600 25.600 PIE

Usina Elica EconergyBeberibe S.A.

Beberibe CE

Mucuripe 2.400 2.400 PIE Wobben Fortaleza CE

RN 15 Rio doFogo 49.300 49.300 PIE Energias Renovveis doBrasil S.A. Rio do Fogo RNElica de Bom

Jardim600 600 PIE

Parque Elico de SantaCatarina Ltda.

Bom Jardim daSerra SC

Elica de Olinda 225 225 PIECentro Brasileiro de

Energia ElicaOlinda PE

Parque Elico doHorizonte

4.800 4.800

APECOM(autoproduoenergia/consu

midor)

Central Nacional deEnergia Elica Ltda.

gua Doce SC

Macau 1.800 1.800APE

(autoproduode energia)

Petrleo Brasileiro S/A Macau RN

Elica gua doce 9.000 9.000 PIE Central Nacional deEnergia Elica Ltda. gua Doce SCParque Elico de

Osrio50.000 50.000 PIE

Ventos do Sul EnergiaS/A

Osrio - RS

Parque ElicoSangradouro

50.000 50.000 PIEVentos do Sul Energia

S/AOsrio - RS

Parque Elico dosndios

50.000 50.000 PIEVentos do Sul Energia

S/AOsrio - RS

Millennium 10.200 10.200 PIESPE Millennium Central

Geradora Elica S/AMataraca - PB

Total: 17 Usinas Potncia Total: 272.650 kW

Fonte: ANEEL (2008)


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1.2.PROBLEMA

A gerao de energia elica uma realidade vivel e em expanso em todo o mundo.

Diante de ferramentas computacionais com expressivo apelo visual, assim como uma ampla

gama de possibilidades projetuais como modelagem tridimensional, apresentao de modelos em

realidade virtual e possibilidade de se fazer simulaes estruturais complexas com preciso, o

problema de pesquisa aqui apresentado pode ser entendido da seguinte forma: Como desenvolver

o projeto de um rotor de aerogerador de pequeno porte para uso domstico com viabilidade

tcnica e econmica empregando conhecimentos em design virtual?

1.3.HIPTESE

Com o auxlio de ferramentas computacionais de apoio ao design possvel projetar um

rotor de aerogerador de pequeno porte para ser fabricado com economia e operar com segurana.

1.4.OBJETIVOS GERAL E ESPECFICOS

O objetivo geral do trabalho realizar o anteprojeto de um pequeno aerogerador atravs de

ferramentas computacionais, utilizando modelagem geomtrica e simulaes numricas para os

modelos das ps e evidenciando a importncia da converso de energia eltrica atravs de meios

que minimizam a emisso de poluentes no meio ambiente (no caso, a energia elica).

Os objetivos especficos desta pesquisa referem-se a:

a. Realizar experimentos em desenho de rotores. Analisar quanto aerodinmicaaplicada a hlices e estruturas de aeroflio. Desenhar as ps para ficar prximo ao

coeficiente de potncia1mximo;

b. Analisar a viabilidade de uso de alguns materiais, para fabricao do rotor, quanto aos

aspectos de custo, facilidade de execuo, resistncia, peso especfico, deformaes

mximas, etc;

1 Segundo Fink, coeficiente de potncia definido como a frao da potncia do vento convertida em

potncia mecnica no eixo do rotor.


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c. Fazer simulaes para determinar os limites estruturais do material escolhido para as

ps, escolher um critrio de falha e dimensionar o modelo otimizado utilizandosoftwares CAD para modelagem geomtrica e CAE para simulaes estruturais.

Como objetivo especfico destaca-se tambm o fornecimento de materiais para consulta em

bibliografia nacional e internacional atravs de publicaes em peridicos e participao em

congressos sobre o tema abordado, tais como:

Apresentao oral de artigo no ENSUS - Encontro de Sustentabilidade em Projetos

da Universidade do Vale do Itaja, Santa Catarina, com o ttulo: Gerador elico de

baixo custo para uso residencial, em abril de 2009. Na ocasio esse mesmo artigo foi

selecionado para ser publicado na Revista Cientfica do Design, publicada em SantaCatarina.

Apresentao de pster no 20th COBEM International Congress of Mechanical

Engineering, que um evento internacional e ocorreu em Gramado/RS, em

novembro de 2009. Titulo do trabalho: Study of a Small Eolic Generator for

Residential Usage.

Apresentao oral de artigo no 1st TMS-ABM - International Materials Congress,

que aconteceu no Rio de Janeiro em julho de 2010. Titulo do trabalho: Study of

application of composite materials for horizontal axis wind turbine blades. Artigo publicado nos anais do ENMEC2010 Encontro Nacional de Materiais e

Estruturas Compsitas, ocorrido na Faculdade de Engenharia da Universidade do

Porto, cidade do Porto, Portugal, em setembro de 2010. Titulo do trabalho: Estudo

de p em fibra de vidro para turbina elica de pequeno porte com aplicao de

modelagem 3D e simulao virtual.

Apresentao oral de artigo no XXXI Iberian-Latin-American Congress on

Computational Methods in Engineering, que ocorreu em Buenos Aires, Argentina,

em novembro de 2010. Titulo do trabalho: Modelagem em Trs Dimenses (3D) e

Simulao Computacional com Anlise de Falhas para Turbina Elica de Pequeno

Porte Feita em Material Compsito.

Artigo aceito para participao no ICCS 16 16th International Conference on

Composites Structures, que ocorrer em junho de 2011 na Faculdade de Engenharia

da Universidade do Porto, cidade do Porto, Portugal. Titulo do trabalho: Failure

Analysis of a Horizontal Axis Wind Turbine Blade Made of Composite Material.


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1.5.JUSTIFICATIVA

Ao analisar a diversidade de atividades realizadas pelo homem, nota-se que o uso da

energia se faz presente em quase sua totalidade. Mtodos para extrao e converso de energia

foram criados ao longo da histria. Alguns fatores, como a produo em srie e a necessidade de

alimentar (com eletricidade) novas mquinas, por exemplo, contriburam para um considervel

crescimento no consumo da energia eltrica.

Com as fontes tradicionais de energia tendendo ao esgotamento e com a crescente agresso

ao meio ambiente por parte da queima de combustveis fsseis, ganharam maior expresso as

fontes alternativas de gerao de energia. Entre elas, a energia elica.

A gerao de eletricidade para diversos usos pela captao e converso da energiamecnica do vento requer conhecimento de uma srie de princpios cientficos.

Um entendimento mais aprofundado sobre energia elica e a qualificao de projetos

desenvolvidos com tecnologia computacional apresentam-se como fatores essenciais para

otimizao de estruturas e partes das mquinas aerogeradoras. O desenho das ps de um rotor,

por exemplo, pode ser potencializado medida que forem exploradas ferramentas adequadas para

modelagem 3D e simulaes feitas por computador.

Os ensaios feitos com tecnologia computacional (simulao virtual) permitem uma

aproximao das situaes reais, principalmente do estado de tenses das estruturas que

compem o objeto estudado, possibilitando seleo de materiais adequados e dimensionamento

com economia e segurana.

Ao passo que se desenvolvem pesquisas para aerogeradores de uso residencial, aumenta a

probabilidade de estes aparelhos constiturem alternativas viveis financeiramente ao

fornecimento de energia feito por concessionrias tradicionais, pois um fato que justifica o no

investimento em desenvolvimento de aerogeradores de pequeno porte o preo final que se paga

pela eletricidade.Segundo a Companhia Estadual de Energia Eltrica CEEE, que uma concessionria de

servios de distribuio de energia eltrica na regio sul-sudeste do Rio Grande do Sul, em seu

Simulador de Consumo, possvel calcular e verificar que atualmente 1 kWh custa para

consumidor final residencial, na ordem de R$ 0,37 (j includo ICMS de 25% e alquota

PIS/Cofins mdia de 5%). A mdia mensal de uma residncia considerada comum fica na ordem

de 280 kWh, portanto com uma conta mensal de aproximadamente R$ 103,60. Esse valor ainda


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pode ser considerado baixo se comparado ao custo de investimento em um equipamento de

converso elica.O anteprojeto descrito neste trabalho leva em conta o baixo custo de fabricao, o alto

desempenho e a simplicidade. Segundo Jureczko et al (2005), o custo de fabricao das ps de

uma turbina elica est na ordem de 15 a 20% do custo total de produo da turbina.

1.6.ESTRUTURA DA DISSERTAO

Este um trabalho de pesquisa acadmica em Design e Tecnologia cujo tema abordadoaproxima-se da rea de engenharia.

Apesar de contar com algumas atividades desenvolvidas normalmente por engenheiros, esta

pesquisa est inserida na rea das cincias sociais aplicadas, abordando principalmente a

caracterizao e o desenvolvimento de produto. Por esse motivo, busca-se tratar o tema com

amplitude, sem um maior aprofundamento em uma nica rea. Sendo assim, esta dissertao foi

estruturada da seguinte maneira:

No captulo 1 destaca-se a introduo ao tema com uma contextualizao e posterior

apresentao do problema de pesquisa, a hiptese, objetivos geral e especficos e as justificativas

e do trabalho.

No captulo 2 encontra-se a fundamentao terica feita atravs de uma pesquisa

exploratria, onde apresentado um histrico sobre transformao de energia, as fontes de

energia, o incio do uso da energia elica, desenvolvimento de aerogeradores e materiais

utilizados na fabricao de ps para aerogeradores.

No captulo 3 apresentada a metodologia utilizada para atingir-se os objetivos da pesquisa.

No captulo 4 destaca-se o anteprojeto e as simulaes computacionais realizadas a partir deuma pea modelada virtualmente. So apresentados resultados das simulaes em tabelas e

figuras.

No captulo 5 esto as consideraes finais e indicao para futuros trabalhos.

No captulo 6 encontram-se as referncias bibliogrficas.


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2. FUNDAMENTAO TERICA

2.1.HISTRICO SOBRE TRANSFORMAO DE ENERGIA

Desde o incio das civilizaes o homem vem extraindo da natureza formas de energia para

seu benefcio. No mbito da biologia, pode-se dizer que a necessidade mais bsica dos seres

vivos a busca de energia para manter seus corpos em funcionamento. Segundo Rosim (2008), a

energia fundamental para o desenvolvimento de uma nao bem como para a manuteno da

vida.

O desenvolvimento humano propiciou a troca do simples atendimento de suas necessidades

fisiolgicas de subsistncia, para utilizao de fontes primrias de energia. Primeiramente com a

descoberta e o domnio do fogo, que representou um marco do domnio do homem sobre as

foras naturais. Logo aps, com a domesticao de animais foi possvel desenvolver meios de

transporte e novas formas de conduzir lavouras.

O aumento da populao mundial, juntamente com o desenvolvimento do sistema

capitalista do sculo XVIII culminou na Revoluo Industrial. Nesse contexto, a energia, como a

conhecemos, assumiu um papel fundamental na substituio do trabalho humano e animal pelo

das mquinas.O processo de crescimento expandiu-se. A descoberta da eletricidade e a inveno de novas

mquinas eltricas acabaram trazendo em suas esteiras o incio da produo em massa de

automveis, outros meios de transporte e uma infinidade de outros aparelhos. Esses fatores

contriburam para uma sociedade de consumo caracterizada por intensidade energtica extrema.

Os combustveis fsseis (derivados do petrleo e do carvo mineral), bem como os

extrados da biomassa ou ainda os nucleares, so utilizados tanto para mover sistemas e

equipamentos como na gerao de energia eltrica. A produo de eletricidade tambm feita

por usinas hidreltricas, termeltricas, usinas elicas, usinas geotrmicas entre outras.

O diagrama Ennio, representado na Figura 1, separa as fontes de energia em renovveis e

no renovveis. Para Igncio (2007) existem trs fontes primrias de energia: a solar, a

geotrmica e a gravitacional. Todas essas so consideradas fontes renovveis. H ainda as

chamadas fontes secundrias de energia renovvel: energia dos oceanos, energia elica, energia

hidrulica e energia da biomassa. Igncio (2007) ainda citando o diagrama Ennio, aponta as

fontes no renovveis de energia primrias como energia nuclear; e fontes secundrias de energia


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no renovvel como os compostos de petrleo, o gs natural, o carvo mineral, a turfa e o xisto,

todos os subprodutos da biomassa. desse tipo de energia que o homem est dependente. As diversas maneiras de produzir

energia foram sucedendo-se no decorrer da histria recente, algumas mais eficientes, outras

contendo mais riscos de acidente. Dentre as formas que se destacam, est a combusto de

biomassa.

Figura 1 - Diagrama Ennio - fontes de energiaFonte: http://www.eca.usp.br/njr/voxscientiae/ercio_ignacio_38.htm, acessado em 27/03/2009

2.1.1. Energia da biomassa

Biomassa um material de origem orgnica considerada uma fonte de energia. Os

processos pelos quais se extrai essa energia so: combusto, gaseificao, produo de

substncias lquidas e fermentao.

Na combusto, a converso de biomassa em eletricidade se d pela queima de carvo

vegetal e outros materiais vegetais. Nesse processo h gerao de calor, na qual algumas usinas j


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fazem aproveitamento. Alguns problemas provenientes dessa prtica so bastante discutidos

atualmente, pois o processo de combusto provoca a liberao de dixido de carbono naatmosfera.

Chama-se de gaseificao de biomassa a converso de matria orgnica em combustvel

gasoso por um processo de degradao biolgica de resduos, como o prprio lixo urbano ou da

agroindstria. Entre os produtos extrados desse processo, esto o hidrognio, o monxido de

carbono, o dixido de carbono (biogs) e o metano. Esses gases tambm so extrados para

utilizao na indstria qumica.

A produo de bio-leos pelo processo de pirlise2, a converso de acares da cana e da

beterraba em etanol pela ao de bactrias, a extrao de leos da mamona e principalmente da

soja so exemplos da utilizao da biomassa como substncias lquidas e subprodutos da

fermentao. O lcool combustvel e o biodiesel so fontes de energia provenientes da biomassa

largamente utilizadas no Brasil. Segundo dados da ANP (Agncia Nacional do Petrleo), a

produo brasileira de biodiesel esteve na ordem de 176 milhes de litros em 2008.

2.1.2. Energia de combustveis fsseis

Os combustveis fsseis so o resultado do longo processo de decomposio de plantas e

animais atravs da presso e altas temperaturas por milhes de anos.

O petrleo destaca-se na lista dos combustveis fsseis mais utilizados pelo homem.

Entretanto existem outros dois compostos de carbono que so utilizados para produo de

energia: o gs natural e o carvo mineral.

Combustveis fsseis esto entre os chamados no renovveis, pois apesar de

geologicamente estarem sempre em formao pela natureza, sua extrao maior do que a

capacidade que nosso planeta tem de gerar compostos para sua formao.A produo de energia eltrica atravs de combustveis fsseis feita principalmente por

usinas termeltricas.Essas usinas so altamente poluentes, enviando toneladas de gases poluentes

para atmosfera, provocando o efeito estufa e muitas vezes at chuva cida, contribuindo assim

para o aquecimento global.

2 Pirlise um processo de queima de biomassa, geralmente madeira, at a ruptura da estrutura molecular do

material, geralmente na ausncia de ar. Com isso obtm-se os subprodutos gases e cidos prprios para produo de

metanol, acetona e outros cidos.


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2.1.3. Energia nuclear

A energia nuclear convertida pelo processo de fisso nuclear. Segundo Burattini (2008),

nesse processo, feita a diviso do ncleo do urnio (elemento qumico da natureza) dois ncleos

menores. Essa diviso gera grande quantidade de calor. A energia trmica resultante do processo

conduzida para uma turbina que gera eletricidade.

A fisso nuclear tem algumas virtudes, entre elas a no emisso de gases na atmosfera como

ocorre na queima de biomassa ou combustveis fsseis. No entanto, a fisso nuclear pode dar

origem a uma reao em cadeia de quebra de ncleos atmicos, originando uma quantidade

extremamente grande de energia. Esse o principio da bomba atmica (Burattini, 2008).

2.1.4. Energia de fontes alternativas

As fontes alternativas de energia podem ser consideradas como solues para possveis

crises de escassez de combustveis convencionais.

Entre as consideradas alternativas esto: a energia solar, a energia elica, a mar-motriz, a

geotrmica e as clulas de hidrognio como combustvel.

A energia solar pode ser dividida em fotovoltaica e termo solar. A energia fotovoltaica

extrada pela converso direta da luz solar em energia eltrica. Em 1839 o fsico francs Edmond

Becquerel descobriu que a absoro da luz solar produz uma diferena potencial nos extremos de

uma estrutura de material semicondutor. Essa estrutura chamada clula fotovoltaica.

A energia termo solar funciona com a coleta do sol atravs de painis solares. Apesar dessa

forma de captar energia ser largamente utilizada para aquecimento de gua para utilizao direta

em residncias, existem usinas solares que utilizam conjuntos de espelhos para refletir a luz solar,

convergindo-a a um reservatrio de gua que ser aquecida dessa forma. Esse aquecimento gera

vapor e move uma turbina de converso eltrica.

Energia elica aquela captada por aparelhos chamados aerogeradores, que transformam a

energia cintica dos ventos em eletricidade. Esse tipo de gerao de energia ser tratado com

mais profundidade no decorrer desta pesquisa.

A mar motriz consiste na gerao de energia atravs de duas maneiras: o movimento do

fluxo das mars, utilizado para mover comportas no sentido vertical, gerando uma energia


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potencial pela diferena de altura; e a energia cintica gerada pelas correntes devida tambm s

mars. Em ambos os casos, a energia direcionada para turbinas que geram eletricidade. A marmotriz constitui uma excelente fonte inesgotvel de energia, contudo seu custo de implantao

bastante elevado, o que ainda inviabiliza sua utilizao em larga escala.

A energia geotrmica tambm constitui uma fonte abundante a ser explorada. Nosso planeta

constitudo por camadas. Nas camadas abaixo da superfcie terrestre existe um manto formado

por rocha em estado lquido, chamado de magma. Prximo a essas zonas existem depsitos de

vapor dgua com temperaturas bastante elevadas. Para gerao de eletricidade so constitudas

usinas onde haja jazidas geotrmicas. Essas usinas geralmente extraem o vapor proveniente das

camadas inferiores crosta terrestre e fazem a converso em eletricidade atravs de turbinas

especficas (Burattini, 2008).

As clulas de hidrognio so utilizadas para armazenamento e transporte de energia. Para

que o hidrognio torne-se fonte de energia, ele precisa ser isolado. Para isso necessrio mais

energia do que ele capaz de proporcionar, portanto este se constitui em uma fonte no

sustentvel.

2.2. ENERGIA ELICA

2.2.1. Incio do uso da energia elica

Existem controvrsias no que tange a data de incio da utilizao da fora do vento pelo

homem. Segundo Marschoff (1992), em torno de 3000 a.C. os egpcios iniciaram o uso do vento

como forma de energia para ajudar os escravos na propulso de seus barcos. J para Tolmasquim

(2003), pelo menos h 5000 anos eram feitas navegaes pelo Rio Nilo, no Egito, utilizando

velas.

Na idade antiga, os persas construam moinhos de vento de eixo verticais utilizados para

moagem de gros. Outros moinhos foram desenvolvidos na Holanda e Inglaterra. Na Idade Mdia

as lminas e engrenagens tiveram projetos mais avanados, melhorando muito sua tecnologia

(Marschoff, 1992).

O moinho de vento persa, mostrado na Figura 2, era bastante rudimentar pela pouca

experincia daquela civilizao na prtica do uso do vento. Por certo, foi um dos primeiros povos


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a construir cata-ventos acoplados em edificaes. Essas estruturas serviam principalmente para

mover mecanismos com funo de moagem de gros ou elevao de gua.

Figura 2 - Moinho de vento persaFonte: http://www.ullesthorpewindmill.org.uk/images/uploads/gulfVillage.jpg

Na Europa, segundo Steadman (1978), at o sculo XII no se conheciam moinhos de

vento. Entretanto, com a introduo desses dispositivos atravs das pessoas que combatiam nas

cruzadas, primeiramente na Inglaterra, os europeus se distinguiram por fazer adaptaes e

alteraes variando de regio para regio, de acordo com caractersticas geogrficas e culturais.

Dessa forma, certa evoluo pode ter culminado no projeto de moinhos de eixo horizontal, como

apresentado na Figura 3.

A revoluo industrial acelerou o processo de substituio das formas de energia do sculo

XIX. O crescimento das cidades levou ao despovoamento das zonas rurais. A criao de grandes

fbricas que se utilizavam da energia a vapor e da novssima energia eltrica, bem como o

advento do motor a combusto interna foram alguns dos fatores que contriburam para o declnio

da atividade dos moinhos de vento.


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Figura 3 - Moinho de vento ingls

Fonte: http://farm3.static.flickr.com/2315/2251355154_ae91d7da53.jpg?v=0

Atualmente as edificaes onde antes funcionavam antigos moinhos passam por processos

de restaurao para fins de preservao de patrimnio. A principal atividade explorao

turstica.

Alguns fatores contriburam para o desenvolvimento da turbina de gerao de eletricidade.

Para Carvalho (2003), o professor e cientista Poul La Cour (1846 1908) foi um dos pioneiros

para construo de modernas turbinas elicas. Em sua poca, Poul La Cour construiu um tnel de

vento para realizao de experimentos e j considerava um dos problemas envolvendo energia

elica: o armazenamento de energia.

Em 1956 o engenheiro Johannes Juul construiu, para a empresa Seas, na Dinamarca, uma

turbina com trs ps, gerador assncrono e freios aerodinmicos nas pontas das ps. Esta turbina

foi por diversos anos a maior do mundo, tendo posteriormente aos onze anos de vida til sem

manuteno, seu recondicionamento em 1975 a pedido da NASA (Agencia Aeroespacial Norte

Americana), para estudos de medies objetivando o novo programa de energia elica dos

Estados Unidos. (Appio, 2001).


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Aps a fase de declnio dos antigos moinhos, a dcada de 1970 trouxe consigo uma grande

crise mundial de petrleo. Este fato despertou novamente interesse por parte de pases europeus edos Estados Unidos na busca de novas fontes de energia independentes do petrleo e do carvo.

dessa forma que nasce, ou renasce a indstria de equipamentos especficos para converso de

energia elica em energia eltrica.

Por volta da dcada de 1970, os dinamarqueses investiram em projetos de aerogeradores de

pequeno porte para gerao de energia eltrica. Algumas pequenas e medias empresas que

fabricavam maquinrio agrcola naquele pas, comearam a desenvolver pequenos rotores

elicos. Estes equipamentos tinham venda assegurada para fazendeiros ou proprietrios

particulares (Hau, 2006).

Segundo Hau (2006), os aerogeradores de pequeno porte dinamarqueses (figura 4)

representavam uma pequena parcela no que tange converso de energia, entretanto alguns

fazendeiros iniciaram um movimento com objetivo de formar cooperativas. Dessa forma foi

possvel, entre outros benefcios, adquirir equipamentos com preo menor, construir plantas

maiores, operadas em instalaes comunitrias e, ainda, obtiveram regulamentao legal por

parte do governo.

Figura 4 Pequena turbina elica dinamarquesaFonte: Hau (2006)


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Segundo o IDER, Instituto de Desenvolvimento Sustentvel e Energias Renovveis, a

primeira turbina elica comercial ligada rede eltrica pblica foi instalada na Dinamarca, em1976.

O pioneirismo dos dinamarqueses pode representar um bom exemplo de como iniciar um

movimento para ampliar a atividade de converso energtica em pequena escala.

2.2.2. Tipos de turbinas elicas

Os modelos mais comuns encontrados na literatura so as TEEV (Turbinas Elicas de Eixo

Vertical) Darrieus, Savonius e Molinete (Figura 5) e os aerogeradores de eixo horizontal TEEH(Turbina Elica de Eixo Horizontal) com grande diversidade de desenhos.

Figura 5 - Modelos de rotor com eixo verticalFonte: adaptado de painel de apresentao de Mafalda Antunes, Departamento de Eletrnica Industrial

Universidade do Minho, Portugal

Segundo Acioli (1994), os rotores de eixo vertical possuem grande torque e baixa rotao,

sendo ideais para trabalhos pesados como puxar gua ou moer gros. Para Al et al.(2006), as

vantagens dos modelos TEEV esto associadas a no necessidade de sistemas de controle para o

direcionamento da turbina em relao ao escoamento principal, bem como os aspectos de

construo e manuteno, j que os geradores esto ao nvel do solo.

O modelo Savonius, inventado pelo engenheiro finlands Sigurd J. Savonius em 1922

uma TEEV constituda por duas ps em formato de conchas dispostas lado a lado, em posies


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contrrias e ligadas a um eixo vertical (Figura 6). Essas turbinas so movidas predominantemente

por foras de arrasto.

Figura 6 - Rotor tipo SavoniusFonte: http://www.energia0co2.com/Portals/0/images/HPIM3343.jpg

A turbina Darrieus, desenvolvida em 1931 pelo Francs G. J. M. Darrieus um modelo que

apresenta duas ou trs ps em formato de Catenria3mostrado na Figura 7. Segundo Al et al

(2006), essas mquinas apresentam deficincias de arranque, sendo necessrios motores para dar

partida.

Uma vez que a eletricidade em geradores elicos obtida por um alternador que transforma

movimento de rotao em energia eltrica, os equipamentos com maior velocidade de rotao so

os mais indicados para converso de energia, pois convertero mais energia em menos tempo em

relao a equipamentos com baixa rotao.

3Em matemtica a catenria descreve uma curva plana semelhante s que seriam geradas por uma corda suspensa

pelas suas extremidades e sujeita a ao da gravidade.


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Figura 7 - Rotor tipo DarrieusFonte: http://www.molenvanbuursink.nl/fotos/tonmolen/darrieus+savonius.jpg

As turbinas de eixo horizontal de mdio e grande porte apresentam vantagens em relao s

TEEV. Uma dessas vantagens a velocidade de rotao mais elevada. Estes modelos so,

atualmente, os mais usados na gerao de energia eltrica conectada a redes de transmisso.

Segundo Appio (2001) um gerador elico TEEH formado por trs partes principais: rotor,

gerador e torre. Cada um desses itens tem inmeras peas de montagem e a isso aplicada

tecnologia suficiente para juno dos componentes e funcionamento adequado do sistema, como

em qualquer mquina.

O rotor composto pelas ps, eixo e engrenagens para transmisso do movimento de

rotao para o gerador. As ps de um rotor de eixo horizontal so objetos de estudos de

aerodinmica para a otimizao de seu emprego em aerogeradores. Em nmeros de uma, duas,

trs, quatro ou diversas, as ps so elementos aerodinmicos projetados para produzir foras de

sustentao elevadas e pequenas foras de arrasto (Appio, 2001).


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Os modelos mais utilizados na atualidade so os TEEH de trs ps (Figura 8), geralmente

fabricadas em fibra de vidro. Contam ainda com sistemas de freios aerodinmico, mecnico oueletrnico, acionado quando o vento torna-se demasiadamente forte.

Figura 8 - Aerogerador de eixo horizontal instalados em Osrio/RS

Fonte: fotografia de arquivo do autor

A rea abrangida pelo movimento circular das ps um dos parmetros que define o quanto

de energia o gerador ir proporcionar, conforme apresenta a Figura 9. Portanto a energia est

ligada diretamente ao comprimento (seo longitudinal) da p.

Um sistema de engrenagens de tamanhos distintos pode ser empregado para aumentar o

giro e transferir movimento rotatrio ao gerador, que funciona como um dnamo ou alternador

(Appio, 2001). Alguns aerogeradores contam com tecnologia suficiente para descartar o uso de

engrenagens, reduzindo o nmero de peas nos componentes.Os geradores, ou equipamentos de converso eletro-mecnica, entram no sistema com duas

possveis finalidades definidas: fornecer energia para uma rede de eletrificao, geralmente como

uma alternativa secundria rede existente, ou carregar baterias para diversos usos.


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Figura 9 - Evoluo do tamanho e potncia de aerogeradoresFonte: Kuik apud Tolmasquim (2003)

A altura do rotor est diretamente relacionada com as condies de vento do local.

Normalmente quanto mais alto estiver, mais vento ser possvel alcanar. Esse fato eleva a

preocupao com a estruturao do equipamento. A torre de sustentao dever ser calculada no

somente em funo da carga exercida pelas peas suspensas, mas principalmente pela fora dovento que ter de suportar (carga horizontal), e pela vibrao causada pelo movimento das ps.

Atualmente, existem aerogeradores offshore, ou seja, fora da costa, mais precisamente

localizados no mar, que representam grande evoluo tecnolgica. A busca por stios adequados

para instalao de centrais elicas culminou por encontrar esse tipo de local. Centrais offshore

encontram-se em um meio agressivo, pois o ar sobre a superfcie marinha concentra diferentes

elementos qumicos em relao ao ambiente terrestre. Os materiais metlicos apresentam a maior

preocupao para esse tipo de mquina. A corroso de peas pode representar grande dificuldade

na utilizao, principalmente de materiais ferrosos de partes do gerador eltrico, entre outras

peas do aerogerador. As partes constitudas de materiais polimricos, que o caso dos

compsitos, podem ser projetadas para resistir a um meio qumico agressivo. O avano em

pesquisas no campo dos materiais foi essencial para possibilitar a instalao de aerogeradores no

mar. A figura 10 mostra instalao de um sistema elico na costa sudeste da Inglaterra. Segundo

a empresa Vattenfall, proprietria dos equipamentos, essa fazenda elica conta com 100 turbinas


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com capacidade total de produo de 300MW de energia (suficiente para abastecer 200 mil

casas).

Figura 10 Maior fazenda elica offshore do mundo, InglaterraFonte: www.vattenfall.co.uk

Quanto ao desenho ou design de aerogeradores, existem ainda experimentos e prottipos

que esto em fase de projeto ou desenvolvimento para a mesma funo de gerar eletricidade. A

seguir, a Figura 11 mostra um projeto de aerogerador desenvolvido pela empresa canadense

Magenn Power. Segundo a empresa, a turbina constituda de um balo preenchido com gs

hlio (menos denso que o ar), possui eixo horizontal, est elevada e suspensa por cabos a uma

altitude de cerca de 300 metros e tem capacidade de gerar at 10 KW para velocidades de vento

entre 6 km/h e 100 km/h.

Figura 11 - Simulao de uma turbina da empresa Magenn Power

Fonte:http://blog.uncovering.org/archives/2007/12/uma_turbina_eol.html


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Outro modelo de turbina TEEV, desenvolvido pela empresa Maglev (a mesma dos trens de

levitao magntica), apresentado na figura 12. Segundo a Maglev a turbina utilizaria mspermanentes de neodmio4, no havendo contato atravs de rolamentos, reduzindo assim

possibilidades de manutenes peridicas. A turbina pode gerar entre 400 e 5000 watts e pode

funcionar com uma simples brisa de 1,5 metros por segundo at ventos fortes de cerca de 40

metros por segundo, o equivalente a 144 km/h.

Figura 12 - Turbina TEEV de levitao da empresa MaglevFonte:http://www.ecolosfera.com/2007/11/28/una-nueva-generacion-eolica-la-super-turbina-maglev/

2.2.3. Legislao brasileira para o setor de energia elica

Apesar da pouca disseminao de produo de energia para consumo prprio no Brasil, a

ANEEL Agencia Nacional de Energia Eltrica dispe de legislao para estabelecimento dos

requisitos necessrios para obteno de registro ou autorizao para a implantao, ampliao ou

repotenciao de centrais geradoras termeltricas, elicas e de outras fontes alternativas de

energia.

A resoluo ANEEL n 112 de 18 de maio de 1999, em seu artigo 2 dispe sobre a

aplicao da referida lei, listando os seguintes casos em que tero sua aplicao obrigatria:

4Metal do grupo terras raras, reativo, encontrado na natureza em minrios. Usado em poderosos ms permanentes,geram ms mais baratos que os de samrio-cobalto. So largamente utilizados em discos rgidos de computador,

acionadores de partida de motores entre outros produtos.


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I pessoa jurdica ou empresas reunidas em consrcio interessadas em produzir energia

eltrica destinada comercializao sob forma de produo independente;II pessoa fsica, pessoa jurdica ou empresas reunidas em consrcio interessadas em

produzir energia eltrica destinada ao seu uso exclusivo;

III registro de centrais geradoras termeltricas, elicas e de outras fontes alternativas de

energia, de potncia at 5.000kW, destinadas execuo de servio pblico; e

IV ampliao e repotenciao de centrais geradoras termeltricas, elicas e de outras

fontes alternativas de energia destinadas execuo de servio pblico.

O pargrafo 3 da resoluo descrita acima aponta que centrais geradoras elicas,

termeltricas, entre outras, com capacidade igual ou inferior a 5.000kW, devem obter registro de

implantao junto a ANEEL.

Esta resoluo entrou em vigor em maio de 1999. A partir da qualquer empreendimento

construdo para gerao de energia atravs de sistema elico, abaixo de 5.000kW deve passar por

uma aprovao para obter autorizao ou registro da ANEEL antes de entrar em operao.

O item II descreve que, inclusive pessoa fsica, que utilizar energia elica exclusivamente

para si, dever atender essa resoluo. Entretanto no fica devidamente claro se pessoa fsica oujurdica, ao adquirir e instalar na prpria edificao um aerogerador de pequeno porte,

necessrio proceder todos esses trmites.

2.3. AEROGERADORES

Aerogeradores so as mquinas utilizadas para capturar e converter aenergia cintica dos ventos e so constitudos, basicamente, de uma turbina ou rotorelico, de um gerador eltrico e de sistemas integrados ou auxiliares, como a caixa demultiplicao e sistemas de orientao. Tais mquinas tiveram sua origem nos antigosmoinhos de vento, que convertiam a energia cintica dos ventos em energia mecnica.Em pocas mais recentes, essas mquinas passaram a ser utilizadas para produo deenergia eltrica.

(DALMAZ, 2007).


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2.3.1. Partes do aerogerador

Segundo Tolmasquim (2003) um sistema elico deve propiciar um maior rendimento final

trabalhando em harmonia. Para tal funcionamento, a maioria dos geradores de mdio e grande

porte conta com um rotor, uma caixa multiplicadora, um gerador eltrico, mecanismos de

controle e orientao e uma torre de sustentao. O rotor responsvel pela transformao da

energia cintica do vento em energia mecnica de rotao de um eixo (Tolmasquim, 2003). J a

caixa multiplicadora ou transmisso responsvel por elevar a rotao e transmitir essa energia

de rotao a um gerador. Geralmente essa transmisso tende a aumentar o giro, aumentando

assim a potncia do gerador, que converte a rotao em eletricidade. Os mecanismos de controle

e orientao direcionam o rotor e fazem o controle da velocidade das ps. A sustentao de todos

esses componentes feita pela torre, que tem altura conveniente para cada regio em funo das

condies de vento.

2.3.1.1.Rotor

Os rotores dos aerogeradores tipo TEEH atuais so compostos, geralmente, por trs ps.

Para Dalmaz (2007) j se utilizou, ao longo da histria, materiais como madeira, ao, alumnio e

materiais compsitos na fabricao das ps de turbinas de eixo horizontal.

- Madeira: As ps fabricadas em madeira, geralmente com aplicao de alguma resina, possuem

baixa densidade, tm facilidade de manuseio e baixo custo, entretanto h uma excessiva

exposio ao tempo, logo esse material tende a apresentar fissuras e irregularidades, aumentando

o atrito com o vento e reduzindo sua eficincia. A madeira revestida com epxi pode ser indicada

para rotores at de 10m de dimetro.

- Ao: as principais virtudes do emprego do ao em ps encontram-se em duas propriedades

mecnicas: tenacidade e resistncia. Apesar de o ao ser suscetvel corroso quando exposto s

intempries, existem tratamentos superficiais para materiais metlicos com resultados positivos.

A principal desvantagem no uso desse material sua densidade. O peso do ao aumenta

consideravelmente sua carga de inrcia, aumentando assim a carga de vento necessria para o

arranque do sistema.


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- Alumnio: esse material mais leve do que o ao e tem boa resistncia natural a corroso,

entretanto tem baixa resistncia a fadiga. O uso contnuo do alumnio requer manutenesconstantes para avaliao sobre os ciclos de uso. Sua vida til pode ser reduzida em relao aos

rotores de ao.

- Fibra de carbono: conforme Krauter (2005) esse um material composto, com alta tecnologia

aplicada, melhoram a rigidez da estrutura das ps, porm utilizado mais experimentalmente.

Seu alto custo pode inviabilizar projetos de equipamentos de pequeno porte.

- Fibra de vidro: so os materiais mais aplicados para as turbinas na atualidade. Tem vantagens

em relao a preo, que so competitivos se relacionados com os da fibra de carbono, apresenta

boa resistncia mecnica, resistncia a ataques qumicos (corroso), coeficiente de dilatao

baixo, resistncia a fadiga, facilidade no processo de fabricao, gerando uma boa liberdade

formal para os diversos projetos, entre outras virtudes. Outro aspecto positivo que essa fibra

pode ser disposta de acordo com o sentido das tenses solicitadas nas ps, ou seja, as ps em

materiais compostos possibilitam uma geometria aerodinmica lisa, contnua e precisa (Krauter

2005).

2.3.1.2.Sistema de transmisso

O sistema de transmisso composto pelo sistema de engrenagens, eixos e demais partes

que transferem torque ao gerador. A rotao de geradores sncronos comuns est entre 1200 e

1800 rpm. A rotao dos rotores de mdio e grande porte est na faixa entre 15 a 220 rpm. Essa

baixa rotao se explica pelo fato de a velocidade na ponta da p sofrer restries. Essa

velocidade fica entre 50 e 110 m/s, Krauter (2005).

A baixa velocidade de rotao das TEEH justifica o uso de sistemas que multipliquem essa

rotao para abastecer melhor o gerador. Entretanto existem equipamentos com dimenses de

rotor reduzidas. Segundo Krauter (2005) rotores com 1,00m de dimetro podem atingir rotao

de at 2000 rpm. Esses aerogeradores tm caractersticas que demonstram vantagem para

utilizao do eixo do rotor diretamente como eixo do gerador, dispensando assim o uso de

engrenagens de multiplicao.

Para turbinas grandes, existe tambm uma soluo que passa pelo projeto dos geradores

eltricos. Para Dalmaz (2007), os geradores com muitos plos se tornam bastante grandes e


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pesados. Porm j existe uma tecnologia para equilibrar o sistema. Os geradores multiplos

ligados diretamente na rede, sem caixa multiplicadora j contam com um regulador defreqncia, que permite uma reduo no nmero de plos, gerando assim diminuio em seu

peso, dimenses e preo.

2.3.1.3.Gerador eltrico

Existem dois tipos de geradores utilizados em aerogeradores: os sncronos e os assncronos.

Geradores sncronos so usados geralmente com um conversor de freqncia, permitindo que se

trabalhe com velocidade varivel, fazendo o controle da potncia. Esses geradores so instalados

tanto em pequenas turbinas como nas de mdio e grande porte. Geradores sncronos geralmente

no so conectados diretamente na rede eltrica, pois esta tende a ter freqncia constante.

Mquinas sncronas tendem a ser utilizadas para carregar baterias.

De acordo com Dalmaz (2007), os rotores assncronos no tm necessidade de conversores

de freqncia e aceitam rotores com velocidades variveis. Assim as variaes da velocidade do

vento tambm podem ser convertidas em energia eltrica.Os geradores assncronos fazem parte dos equipamentos conectados rede eltrica.

Aerogeradores de grande porte, quando fazem parte de fazendas elicas com intuito de gerar

energia na faixa de MW, se utilizam de mquinas assncronas.

Equipamentos elicos de pequeno porte, com pretenses de uso residencial podem utilizar-

se de alternadores pequenos, sncronos, que geram corrente alternada para carregar conjuntos de

baterias e abastecer parcialmente residncias onde estejam instalados. Essa corrente eltrica

gerada tende a aumentar conforme a potncia de rotao do eixo do gerador.

2.3.1.4.Mecanismo de controle e orientao

Os sistemas de controle dos rotores funcionam como freios aerodinmicos ou facilitadores

para rotao com ventos fracos. Em turbinas de pequeno porte no so aconselhveis

mecanismos de controle ativo por sua complexidade e custo de instalao. Para esse tipo de

equipamento, aconselhvel o controle passivo, ou controle estol, que trabalha com ps fixas. O


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sistema de controle passivo, ou estol, requer desenho minucioso das ps, perfil aerodinmico

especfico e toro longitudinal da p, pois depende desses fatores a potncia a ser atingida.Normalmente as ps so executadas com ngulo de passo que provoca perdas aerodinmicas e

reduz velocidade quando em ventos fortes (freio aerodinmico). Dessa forma torna-se mais difcil

o arranque do sistema assim como boa rotao com ventos mais fracos.

O mecanismo de controle ativo, tambm conhecido como controle de passo, permite alterar

a potncia e as cargas de vento incidentes nas ps. Tais mecanismos consistem no domnio do

ngulo de rotao das ps em relao ao seu eixo longitudinal. Controles eletrnicos mandam

sinais para o sistema, que aciona pequenos motores hidrulicos para fazer a rotao. Dessa forma

possvel ajustar o ngulo de passo da p e, conseqentemente, o ngulo de ataque para ventos

leves (velocidade de partida ou de arranque), ventos com velocidade calculada para o melhor

rendimento (potncia nominal) e ventos elevados que podero prejudicar o equipamento. O

controle ativo pode funcionar tambm como freio aerodinmico quando em posio que tende a

aumentar o arrasto e diminuir a sustentao, que a responsvel pela rotao das ps. Esse tipo

de controle permite grande eficincia na captao de energia elica na faixa de velocidade entre a

de partida e a nominal, onde as cargas de operao do aerogerador so parciais. Dalmaz (2007).

A orientao do rotor perpendicularmente ao fluxo de vento uma necessidade constantepara captao do mesmo. Existem em turbinas de grande porte anemmetros, medidores de

direo do vento e mecanismos de orientao direcional. Todos esses dispositivos trabalham em

conjunto e em tempo real, executando ajustes para o resultado mais eficiente.

Em pequenas turbinas, o sistema passivo de orientao o mais utilizado pelo baixo custo

em relao ao controle de passo.

2.3.1.5.Torre

A torre de um aerogerador sustenta todo o equipamento, suscetvel a diversas solicitaes

estruturais e pode ser um determinante da potncia de energia extrada.

Segundo Dalmaz (2007) um aerogerador com rotor de mais de 120 metros de dimetro

pode pesar at 100 toneladas. J a nacele, que a caixa contendo gerador, sistema multiplicador,

equipamentos de orientao entre outros, pode ter massa de quase 300 toneladas. Somando esses


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pesos, a torre precisa suportar cargas de compresso da ordem de 400 toneladas, fora seu peso

prprio.Outro esforo para o qual as torres devem ser dimensionadas so as cargas horizontais de

vento, pois aerogeradores por natureza estaro expostos a ventos durante toda sua vida til.

Entretanto o maior problema de projeto em relao s torres a determinao do modulo de

freqncia desse componente, pois vibraes causadas pela rotao das ps, ou carga cclica,

podem gerar efeito de ressonncia aumentando a amplitude de carregamento. Essa amplitude

pode ocasionar fadiga no material da torre, reduzindo sua vida til e, em casos extremos,

ocasionando colapso da estrutura.

Os materiais mais comuns encontrados em torres de turbinas elicas so: trelias de ao,

ao tubular ou concreto. As primeiras turbinas instaladas para gerar eletricidade no Brasil foram

instaladas na ilha de Fernando de Noronha e utilizaram torres metlicas treliadas; que eram

baratas, porm ocupavam maior espao na base e dificultavam o acesso turbina. As torres

tubulares de ao ou concreto so as que prevalecem nos equipamentos modernos. Geralmente so

pintadas de branco em sua extenso prevalecendo, prximo a base, os tons de verde.

A altura da turbina elica um dos fatores determinantes para captao do vento desejado

no projeto. Como o dimetro dos rotores cada vez maior para turbinas de grande porte, as torrestendem a ser cada vez mais elevadas. Existem condicionantes na montagem das torres que podem

influenciar na viabilidade de sua construo. Um exemplo so os guindastes capazes de erguer

tamanha estrutura e peso a mais de cem metros do cho.

2.3.2. Modelos comerciais de aerogeradores de pequeno porte

Atualmente existem inmeras empresas que fabricam e comercializam aerogeradores de

pequeno porte. A tabela 3 apresenta 7 modelos de aerogeradores de pequeno porte com potncia

entre 1000 e 1100W, comercializados em diversos pases.

Aerogeradores de pequeno porte podem ser utilizados para prover diversos segmentos da

atividade humana. No inicio essa utilizao era principalmente em locais para moagem de gros

ou bombeamento de gua. Com o desenvolvimento dessas mquinas, cresceu sua utilizao.

A gama de usos de aerogeradores de pequeno porte passa por carregamento de baterias para

diversos usos, eletrificao rural em conjunto com geradores a diesel e/ou outras fontes,


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dessanilizao de gua marinha para potabilidade, ligao na rede eltrica de residncias,

abastecimento de veculos eltricos, entre outras possibilidades. A figura 13 ilustra algumas daspossibilidades de utilizao listadas acima.

Tabela 3 Modelos comerciais de aerogeradores de pequeno porte

Nome -fabricante

Potncia Dimetro NotasMaterial das

psSite Preo (R$)

Enersud (Brasil) Linha Gerar

246

1000W -12m/s

=2,46m650 rpm a 12m/s (3

ps)Fibra de

vidrowww.enersud.

com.br5.990,00

SouthestWindpower(Australia)

linha Whisper200

1000W 11,6m/s

=2,70mPeso: 40kg Vento

limite: 55m/sFibra de

vidrowww.windpowerenergy. com.au

11.990,00

Aeolos WindTurbine

(Dinamarca) linha Aeolos

H1kW

1000W 12m/s

=3,20m

Pode ser conectadoa rede em algunspases. Vida til:

30 anos

Fibra devidro

www.windturbinestar.com

Sobconsulta

por e-mail

Aero Craft(Alemanha)

linha AC 1002 H1000W 9m/s =2,40m

600 rpm Peso45kg

Fibra devidro

www.aerocraft.de

Noinformado

Exmork NewEnergy Company(China) linha

FD-1kW

1000W 8m/s =2,80m 380 rpm Tempode vida til: 15anos

Fibra devidro

www.exmork.com

Noinformado

Kestrel WindTurbines (SouthAfrica) linha

e 300i

1000W 11m/s

=3,00m 600 rpmFibra de

vidrowww.kestrelwin

d.com.zaNo

informado

ZephyrCorporation

(Japo) linhaAirdolphin GTO

1100W 12,5m/s

=1,80mPode ser conectada

a rede.Fibra decarbono

www.zephyreco.co.jp

10.523,70


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Figura 13 Possveis usos de energia elica

No Brasil, em residncias localizadas em centros urbanos, a utilizao de aerogeradores de

pequeno porte quase inexistente. So escassos os pontos de venda desse tipo de equipamento.

Salvo alguns sites da internet, onde possvel encontrar aerogeradores como produtos para

venda, praticamente no se encontra esse produto em lojas ou outros tipos de comrcio.

Grande quantidade de aerogeradores de pequeno porte comercializados no Brasil

fabricada fora do pas. Atualmente h pouca demanda no mercado interno para esse tipo de

aparelhos. Porm esse cenrio de pouca demanda pode mudar, propiciando oportunidade e

aumentando a participao de indstrias nacionais de aerogeradores.

2.4. MATERIAIS COMPSITOS

Os materiais que compem o produto, seu dimensionamento, as interaes entre esses

materiais, constituem um item importante a ser estudado.

A seleo de materiais faz parte de uma das fase de desenvolvimento de projeto de produto.

Alguns materiais tm caractersticas especficas como boa resistncia mecnica ou a fadiga, ao

passo que outros contam com preo mais baixo em funo do baixo desempenho. A seleo dos

materiais constituintes das ps do rotor poder ser feita utilizando-se softwareadequado para essa

atividade.


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A eficincia do aerogerador diretamente proporcional eficincia do rotor, sendo as ps

responsveis diretas na interao com o vento. Por esses motivos, o material com que so feitasas ps tm influncia na otimizao de todo o sistema.

Materiais compsitos apresentam uma faixa de aplicao bastante elevada. Pode-se dizer

que esse tipo de material empregado, principalmente em funo de seu custo, desempenho

estrutural e cadncia de produo (Neto e Pardini, 2006). Nas indstrias biomdica, aeroespacial

e aeronutica, por exemplo, o desempenho de componentes estruturais feitos em material

compsito deve ser mximo, independente de custo. J no caso da construo civil, no existe

extrema necessidade de preciso em comparao com os segmentos citados acima, e muitas

vezes o custo do material torna-se mais relevante que seu desempenho estrutural. A figura 14

apresenta uma escala de utilizao de compsitos estruturais em funo de custo e desempenho.

Figura 14 Custo em funo do desempenho para componentes compsitosFonte: Neto e Pardini (2006)

Os materiais compsitos so materiais projetados para obter propriedades que no esto

presentes nos materiais monofsicos. Segundo Oliveira (2003), os materiais podem ser definidos

por suas propriedades mecnicas como:

Materiais homogneos: uniformes, apresentam propriedades constantes de um

ponto a outro do material. Propriedades no so funo da posio no corpo;


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Materiais heterogneos: possuem fases distintas, apresentam propriedades que

variam de um ponto a outro do material. Propriedades so funo da posio nocorpo;

Materiais isotrpicos:propriedades em um ponto no so funo da orientao. As

propriedades so constantes para qualquer plano que passe por um ponto do

material. Qualquer plano um plano de simetria;

Materiais anisotrpicos:as propriedades do material em um ponto so em funo

da orientao e no so constantes para qualquer plano que passe por um ponto do

material. No h planos de simetria;

Materiais ortotrpicos: apresentam trs planos perpendiculares de simetria.

Os materiais compsitos so anisotrpicos e apresentam propriedades que podem ser

abordadas pela micromecnica e pela macromecnica. No estudo da macromecnica, o material

considerado homogneo e o efeito de seus constituintes visto como propriedade mdia em cada

direo. J para micromecnica so levadas em conta as propriedades dos materiais constituintes

do compsito (fibra e matriz). Entretanto o estudo micromecnico dos compsitos se utiliza de

uma reduo para poder representar este material. Este o conceito de EVR - Elementos de

Volume Representativo, onde se destaca a menor regio do material que contm todas as

peculiaridades do material, representando assim todo o material compsito.

Os compsitos estruturais geralmente so utilizados como camadas para formar placas,

cascas ou outros elementos onde prevaleam sempre duas dimenses. Dessa forma possvel

fabricar peas em compsitos, por exemplo, empregando diferentes camadas com diferentes

direes para as fibras. Essas direes so definidas de acordo com alguns requisitos de projeto

tais como: dimenses das peas (espessura principalmente), direo da solicitao de trao nomaterial, direo da fora cisalhante predominante no uso da pea.

O material mais utilizado para fabricao de ps para aerogeradores atualmente o

polmero reforado com fibra de vidro, ou simplesmente fibra de vidro, onde sua produo

procura aliar alto desempenho com reduzido custo no material e no processo de fabricao.

Os polmeros reforados com fibras de vidro, ou simplesmente PRFV so materiais

compsitos produzidos basicamente a partir da aglomerao de finssimos filamentos flexveis de

vidro com resina polister, epxi, ou outras. Posteriormente a essa mistura aplicada uma


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substncia catalisadora de polimerizao. Os PRFV tm alta resistncia trao, flexo e

impacto, sendo muito empregados em peas estruturais. So leves e permitem ampla flexibilidadede projeto, possibilitando a moldagem de peas complexas, grandes ou pequenas, sem emendas e

com grande valor funcional e esttico.

As diferentes fraes volumtricas conferem diferentes desempenhos nos produtos

fabricados em PRFV (volume dos componentes: Vfibras Vmatriz Vvazios). Segundo Neto e

Pardini (2006), o volume de vazio - Vvazios deve ser menor do que 1% para no prejudicar o

desempenho mecnico do compsito.

2.4.1. Matrizes de materiais compsitos

Matrizes formam a fase contnua do compsito e tm como funo aglutinar reforos e

distribuir ou transferir carregamentos ou tenses.

A seleo da matriz leva em conta as necessidades de projeto do compsito, tais como

reciclabilidade, tenacidade a fratura entre outros.

As matrizes, ou resinas, podem ser polmeros base de epxi, polister, fenis e etc.

Existem dois grandes grupos de matrizes para PRFV: as termorrgidas e as termoplsticas.

As matrizes termorrgidas so as mais utilizadas. Essas resinas formam um lquido viscoso

que se solidifica por reao qumica exotrmica de polimerizao ou cura. A cura natural lenta

por conta da pouca mobilidade das molculas de polister insaturado. Esse problema pode ser

resolvido pela adio de catalisadores, onde radicais livres atacam as insaturaes do polister,

iniciando a polimerizao em cadeia, formando uma rede termorrgida. O catalisador mais

comumente utilizado o metil-etil-cetona, ou simplesmente MEKP.

Existem quatro grupos de matrizes tipo termorrgidas:

Hortoftlicas: uso em artesanatos, materiais simples;

Tereftlicas: laminao em reforo de fibras;

Isoftlicas: gel coat para exteriores, acabamentos;

Bisfenlicas: peas em meio agressivo e elevada temperatura.


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As resinas termoplsticas tambm servem como matrizes, porm so menos utilizados na

fabricao de produtos de baixo custo. Esse tipo de material apresenta maior tenacidade fratura,maior resistncia ao impacto, e tem possibilidade de ser reciclado. Esse fator pode ser um forte

indicativo para seleo desse material em relao ao que no apresenta como caracterstica a

reciclabilidade.

As matrizes para produtos em PRFV podem ser compostas ainda por materiais cermicos,

materiais carbonosos ou materiais metlicos. Todos esses com utilizao em produtos com

requisitos especficos.

2.4.2. Reforos de materiais compsitos

Os materiais compsitos normalmente tm fibras como reforo. As fibras de vidro para

materiais compsitos podem variar, determinando alguns aspectos importantes para seleo desse

material.

Fibras de vidro tipo E (eletrical), para reforo de compsitos, so largamente utilizadas por

apresentarem baixo custo. Segundo Matthews e Rawlings (1999), o vidro tipo C (chemical)apresenta grande resistncia a cidos. O vidro tipo T (thermal) serve para isolamento trmico. O

vidro tipo S (strength) confere alta rigidez aos reforos. O vidro tipo AR (alkali resistant) se

caracteriza por possuir resistncia em ambientes com alta alcalinidade.

O vidro tipo S, por exemplo, apresenta uma quantidade de xido de alumnio que pode

chegar quase ao dobro da encontrada no vidro tipo E; apresenta tambm cerca de trs vezes mais

xido de magnsio do que esse mesmo vidro tipo E (tabela 4). Entretanto o custo do quilo do

vidro tipo S chega a ser quase oito vezes maior em relao ao tipo E. (tabela 5).

O projeto de objetos fabricados com PRFV requer no s ateno para os custos dos

componentes fibra e matri

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