Indução eletromagnética - gerador de enegia eólica

Indução eletromagnética - gerador de enegia eólica

Sumário

  1. Objetivo 4

  1. Introdução 4

  1. Revisão teórica 5

  1. Geradores mecânicos 5

  1. Principio da energia fornecida 5

  1. Características das turbinas eólicas 6

  1. Uso da energia eólica 7

  1. Relação entre velocidade do vento e altura 8

  1. Geradores 9

  1. Energia disponível para o catavento 12

  1. Cálculo de eficiência 13

  1. Considerações finais 14

  1. Referências 15

Objetivo

Este trabalho tem por objetivo o projeto e simulação de um gerador elétrico, caracterizado por um catavento. Este dispositivo cuja finalidade é a produção de energia elétrica através de energia mecânica. Seu funcionamento é baseado no fenômeno eletrostático.

Para tal finalidade foi definido uma série de variáveis iniciais para iteração, adequando as variáveis a fim de se obter os melhores resultados na simulação do projeto.

INTRODUÇÃO

A energia eólica provém de uma estimativa da energia total disponível dos ventos ao redor do planeta. A energia mecânica proveniente desse ar constitui uma imensa fonte de energia natural que pode facilmente ser transformada em energia elétrica através dos geradores eólicos.

O presente trabalho mostra o funcionamento, em regime gerador, de um catavento. Sendo possível a geração de energia pelo uso de um gerador é um material de indução constituída por um estator e rotor.

Através de uma tensão adequadamente imposta ao circuito, mostra-se que é possível calcular a potência da máquina, funcionando como gerador. Ainda são mostradas as características das turbinas eólicas e sua utilização.

2 Revisão teórica

Equipamentos baseiam-se na utilização de turbinas eólicas para gerar e fornecer energia ininterrupta. A presente invenção se relaciona a um sistema de geração e armazenamento de energia eólica compreendendo métodos e aparelhos para o provimento do mesmo. Em uma aplicação de grande porte, prevê um número predeterminado de moinhos de vento. [1]

3 Geradores Mecânicos de Energia Elétrica

No mundo moderno em que vivemos, aparelhos eletrônicos utilizam circuitos elétricos para seu funcionamento, exemplo disso são televisores e computadores. Sendo necessária a aplicação de uma força eletromotriz (f.e.m.), produzindo assim, uma corrente elétrica nestes circuitos, tomando como fonte uma bateria. No entanto, na maioria destes equipamentos a fonte de f.e.m. não é uma bateria, mas sim uma usina geradora de energia elétrica. Tal usina produz energia elétrica mediante a conversão de outras fontes de energia em energia elétrica. Sendo possível graças a um campo magnético variável, podendo induzir uma corrente elétrica em um condutor. As correntes e tensões causadas por campos magnéticos variáveis são denominadas correntes induzidas e tensões induzidas. [2]

Estes dispositivos cuja finalidade é a produção de energia elétrica através de energia mecânica são constituídos de uma maquina geradora de eletricidade. Seu funcionamento se baseia no fenômeno eletrostático. Os geradores mecânicos de corrente alternante são também denominados alternadores, e os geradores de corrente continua são chamados de dínamos.

Numa máquina elétrica (seja gerador ou motor), distinguem-se essencialmente duas partes: o estator, conjunto de instrumentos ligados rigidamente à carcaça e o rotor, sistema rígido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais fixos na carcaça. Sob ponto dê vista funcional distinguem-se o indutor, que produz o campo magnético, e o induzido que engendra a corrente induzida. No dínamo o rotor é o induzido e o estator é o indutor; nos alternador dá-se geralmente o contrario. A corrente induzida produz campo magnético que exerce forças contrárias à rotação do rotor; por isso em dínamos e alternadores, o rotor precisa ser acionado mecanicamente. O mesmo concluímos do Princípio de Conservação da Energia: a energia elétrica extraída da máquina, acrescida de eventuais perdas, é compensada por suprimento de energia mecânica.[3]

4 Principio da energia fornecida

O dínamo e o alternador são dispositivos que convertem a energia mecânica do catavento em energia elétrica. Em ambos, o princípio básico de funcionamento é uma bobina girando em um campo magnético, ou um imã (campo magnético) girando no interior de uma bobina. No alternador o coletor é constituído de dois anéis completos, de modo que ele fornece uma corrente elétrica alternada, como mostrado na Figura 1-a). No dínamo o coletor é constituído de dois semi anéis, de modo que inverte os contados da bobina quando esta passaria a fornecer uma tensão negativa, assim o dínamo fornece uma corrente elétrica pulsante, como mostra a Figura 1-b).

Figura 1-a) Funcionamento do Alternador; Figura 1-b) Funcionamento do dínamo

A energia elétrica é calculada pela equação: Eq. 1

Portanto, para calcular a quantidade de energia elétrica fornecida pelo dínamo o grupo deve medir a tensão (voltagem) UDe a intensidade de corrente IDnos condutores que saem do dínamo. Valores mais confiáveis serão obtidos instalando os multímetros e medindo estas grandezas de minuto em minuto. [4]

5 Características das Turbinas Eólicas

Como a água e outras substancias o ar é um fluído com uma diferença que suas partículas estão em forma gasosa em vez de liquida. Quando o ar se move rapidamente na forma de vendo essas partículas também se movem rapidamente, esse movimento significa energia cinética. E para gerar energia através do ar existe a turbina eólica, onde as pás da turbina são projetadas para capturar a energia cinética contida no vento. Quando as pás da turbina capturam a energia do vento e começam a se mover elas giram no eixo que une o cubo do rotor a um gerador. A turbina de energia eólica mais simples possível consiste em três partes fundamentais: as pás do rotor, o eixo e o gerador. As pás são basicamente as velas do sistema. Em sua forma mais simples atuam como barreiras para o vento. Quando o vento força as pás a se mover transfere parte de sua energia para ao rotor. O eixo da turbina eólica é conectado ao cubo do rotor, quando o rotor gira o eixo gira junto, desse modo o rotor transfere sua energia mecânica rotacional para o eixo que esta conectado a um gerado elétrico na outra extremidade, a última parte o gerado, transforma essa energia rotacional em eletricidade.

Quando se trata de turbinas eólicas modernas há dois tipos de turbinas principais, as de eixo horizontal e de eixo vertical. Todas as turbinas de escala de geração pública produzidas comercialmente são turbinas eólicas de eixo horizontal. Essas turbinas usam uma torre para elevar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento e ocupa muito pouco espaça no solo, já que todos componentes estão até 80 metros de altura. Dois fatores contribuem para um melhor rendimento da turbina, à aerodinâmica e tamanho. As duas forças aerodinâmicas principais que atuam sobre os rotores da turbina eólica são o empuxo, que atua perpendicularmente ao fluxo do vento e o arrasto, que atua paralelamente ao fluxo do vento. Quanto maiores às pás da turbina mais energia ela pode capturar do vento e maior capacidade de geração de energia elétrica.

Em uma escala global, as turbinas eólicas geram atualmente tanto eletricidade quanto 8 grandes usinas nucleares. Uma grande turbina eólica típica pode gerar 1,8 MW de eletricidade ou 5,2 milhões kWh/ano sobe condições ideais, o suficiente para energizar 600 residenciais. Há duas grandes vantagens de usar o vento para gerar eletricidade, são mais obvias a energia do vento é limpa e renovável e não a risco de escassez de ventos. Mas há inconvenientes também, as turbinas eólicas nem sempre funcionam com 100% da potencia como outras fontes energéticas, já que a velocidade do vento é variável. Outro ponto importante, é que quando se trata de turbinas eólicas a localização é tudo, saber quanto vendo existe numa área qual sua velocidade e duração são fatores decisivos para a fabricação das chamadas fazendas eólicas eficientes. O uso de energia eólica cresce cada vez mais, principalmente nos países desenvolvidos. [5]

6 Uso da energia eólica

A energia eólica pode ser direcionada para prover algumas ou muitas tarefas úteis tais como: bombeamento de água, geração de eletricidade, aquecimento, etc.

Bombear água é um uso primário de energia eólica, onde há a fabricação de cataventos multi-lâminas com este propósito. Brevemente a combinação de máquina de vento e bombas de água fez possível bombear poços profundos e prover água para locomotivas a vapor, por exemplo.

O vento também tem sido direcionado para prover energia mecânica para moagem de grãos, operações de serrarias, etc.

A eletricidade pode energizar quase tudo e desta forma sua produção através da força do vento será substancialmente maior que as outras formas de conversão. Pode-se bombear água, aquecer ambientes, ligar máquinas diversas, moer grãos, e realizar muitas outras tarefas, apenas usando a energia na forma de eletricidade, o que mostra ser a eletricidade, uma forma muito cômoda de distribuição de energia. [6]

Planejamento e desenvolvimento de um sistema de energia eólica [8]

7 Relação entre velocidade do vento e altura

A velocidade do vento em um determinado local aumenta drasticamente com a altura. A extensão pela qual a velocidade do vento aumenta com a altura é governada por um fenômeno chamado "wind shear". Fricção entre ar mais lentos e mais rápidos conduz ao aquecimento, velocidade do vento mais baixa e muito menos energia de vento disponível perto do solo.

Figura 2 - Diferentes áreas (urbana, subúrbios, ou ao nível do mar

Com este esquema, pode-se perceber que regiões que possuem construções elevadas como prédios, só atingem velocidades razoáveis de vento após uma elevada altura. Já nas áreas em que só existem casas e pequenas construções, esta taxa diminui e assim, em alturas um pouco menores já temos ventos satisfatórios. No último caso mostrado, ao nível do mar, se vê que os ventos já são muito mais rápidos em altitudes menos elevadas que nos exemplos anteriores.

Como já dito acima, a potência teórica gerada pelas "máquinas de vento" varia com o cubo da velocidade do vento local. Isto, mais uma vez evidencia o quanto é necessário uma análise prévia do lugar onde se pretende estalar os equipamentos, para que se tenha um aproveitamento melhor da potencialidade da energia eólica.

Assim, a conversão de energia eólica em regiões com muitos obstáculos fica prejudicada. Porém, mesmo nestas regiões é possível o aproveitamento, mesmo que já em escalas menores. O que é preciso saber é se nestas regiões onde há um aproveitamento mais restrito é ainda viável economicamente se construir tais equipamentos para se converter a energia eólica para eletricidade, por exemplo.

Existe uma regra prática que permite a utilização de cataventos em regiões que possuem construções e/ou obstáculos naturais, tais como árvores muito grandes ou elevações (morros) no solo. Esta regra diz que o cata-vento nestas regiões tem que ficar a uma distância mínima de 7 vezes a altura que o obstáculo tem, ou seja, se numa casa de 5 metros de altura, por exemplo, se desejar implantar um sistema de captação e conversão da energia eólica, este sistema deverá estar a uma distância de 35 metros para que haja um aproveitamento melhor dos geradores e que as turbulências causada pela uniformidade do chão, das construções e dos obstáculos naturais sejam minimizadas, não interferindo muito no aproveitamento do sistema. [6]

8 Geradores

A eletricidade é uma forma muito cômoda de se transmitir energia, sabendo disso foram desenvolvidos instrumentos que fazem esta conversão, da energia mecânica - fornecida pelos ventos - para a eletricidade, uma forma prática e limpa de se transmitir e usar a energia.

Esta conversão é feita pelos geradores elétricos, que nada mais são do que motores elétricos que ao girarem em torno de seus eixos induzem uma corrente elétrica em seus pólos.

Existe uma gama muito grande de tipos e tamanhos de geradores usados hoje em dia. Para dar um exemplo o alterador dos automóveis, que é um pequeno gerador que converte a energia mecânica rotativa do motor de combustão interna para eletricidade e carrega-a na bateria do automóvel, para ser utilizada em momentos posteriores.

Os geradores podem ser basicamente dos tipos "AC" ou "DC", se converterem a energia para a forma de corrente alternada ou contínua (direta), respectivamente.

Nos tipos de geradores de corrente contínua (DC), a energia é convertida, como o nome já indica para a forma direta ou contínua de corrente elétrica e carrega uma bateria que acumula esta energia para uso posterior. Esta forma de conversão é um pouco incômoda, pois requer um banco relativamente grande de baterias para que se possa ter uma quantidade de energia razoável num determinado lugar, além disto, utensílios domésticos e a grande parte dos aparelhos elétrico-eletrônicos são projetados para funcionar ligados a corrente alternada devido às facilidades de transporte que esta maneira proporciona. Assim, nos sistemas em que se usa geradores de corrente contínua, é necessário que se tenha ligado juntamente ao sistema um inversor para que se possa utilizar diretamente aparelhos elétricos. Em compensação, esta forma permite que mesmo sem vento por algum tempo se tenha energia disponível.

Já os geradores de corrente alternada (AC), geram a eletricidade, como o nome diz, na forma de corrente alternada e pode ser usado diretamente nos nossos aparelhos elétricos e eletrônicos do dia a dia.

Existe, porém dois inconvenientes deste tipo de produção de eletricidade: o primeiro é que não se é possível estocar energia na forma de corrente alternada, tendo que retificá-la por meio de diodos, por exemplo, para a forma contínua e armazená-la em bancos de baterias. O segundo inconveniente é que os geradores de corrente alternada geram correntes em freqüências que variam com a velocidade de giro do rotor, e como os ventos variam muito, as freqüências geradas pelo gerador também variam muito. Para controlar este problema, visto que nosso sistema de energia tem que estar em torno de 60 Hz (Hertz), é preciso ligar ao sistema um dispositivo que mantenha a freqüência em torno dos desejados 60 Hz; este dispositivo é chamado de inversor síncrono.

No sistema de estocagem utilizando baterias, a energia mecânica é convertida para eletricidade na forma de corrente contínua e carrega um banco de baterias. Deste banco, a energia passa por um inversor que a deixa na forma de corrente alternada pronta para ser usada em suas aplicações.

No sistema conectado de energia, a conversão é feita diretamente para corrente alternada, passando por um inversor síncrono para que sua freqüência seja ideal. Após isto, a corrente vai para a caixa de fusíveis e passa aí por um dispositivo seletor, que verifica se a corrente gerada pelo catavento é suficiente para suprir as necessidades da casa. Se for suficiente o dispositivo não faz nada, porém se a energia gerada pelo catavento não for suficiente, este dispositivo seletor começa a "aceitar" também a energia fornecida pelo sistema de eletrificação das ruas. Desta maneira, o usuário deste sistema só usa a energia vinda da rua em situações em que o vento não é ideal ou quando sua demanda supera a energia gerada por seu equipamento. [6]

Figura 3 – Diferentes tipos de sistemas de energia [6]

9 Energia disponível para o catavento

A energia disponível no vento é a energia cinética do ar, que depende da massa, m, e da velocidade, v, desse ar. Esta energia pode ser calculada pela equação:

  A massa é dada pelo produto entre a densidade, r, e o volume de ar, V, que passa pelo catavento, assim temos que:

O volume de ar que passa pelo catavento depende da área, A, varrida pelo catvento, da velocidade, v, do vento e do tempo, t, que o vento atua no catavento (V = A.v.t). Para cataventos de eixo horizontal (hélices) esta área é um circulo (A = 2.π2) como mostra a Figura 4a. Para cataventos de eixo vertical, esta área é um retângulo (A=2.r.h) como mostra a Figura 4b. Teoricamente um cata-vento pode extrair 16 / 27 da energia cinética contida no ar.

Substituindo estas informações na equação 3 temos que a energia eólica disponível:

Para aerogeradores de eixo horizontal, ou para aerogeradores de eixo vertical. [4]

Figura 4 – Medidas para calcular a energia disponível para

cataventos: a) de eixo horizontal e b) de eixo vertical [4]

10 Cálculos de Eficiência

Eficiência ou rendimento de uma máquina que converte uma forma de energia em outra é a porcentagem de energia que ela efetivamente consegue converter na forma de energia desejada. Para calcular a eficiência do catavento devemos calcular a porcentagem da energia eólica que ele recebe, que o dínamo consegue converter em energia elétrica. Para calcular a eficiência do circuito devemos calcular a porcentagem da energia fornecida pelo dínamo que o circuito consegue fornecer para a pilha.Para calcular a eficiência do gerador eólico devemos calcular a porcentagem da energia disponível que o circuito consegue fornecer para a pilha. [4]

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A energia proveniente dos ventos representa uma energia inesgotável, sendo possível produzir a partir daí uma grande quantidade de energia elétrica. Além de ser uma fonte de energia inesgotável, a energia eólica está longe de ser causadora de problemas ambientais.

Tornando-se necessário o agrupamento destes equipamentos em parques eólicos, para que a produção de energia se torne rentável, mas podem ser usados isoladamente, para alimentar localidades remotas e distantes da rede de transmissão. É possível ainda a utilização de aerogeradores de baixa tensão quando se trata de requisitos limitados de energia elétrica.

REFERÊNCIAS

[1] Disponível em: <http://www.patentesonline.com.br/metodo-e-aparelho-baseado-no-uso-de-turbinas-eolicas-para-gerar-e-fornecer-energia-29616.html>

Acesso em: 19 de Abr. de 2010

[2] Disponível em:

<http://www.ebah.com.br/inducao-eletromagnetica-pdf-a21965.html>

Acesso em: 19 de Abr. de 2010

[3] Disponível em: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_T02.asp>

Acesso em: 19 de Abr. de 2010

[4] Disponível em: <http://ead.liberato.com.br/~mitza/L3x_Testes_do%20Gerador_E%C3%B3lico.pdf>

Acesso em: 20 de Abr. de 2010

[5] Disponível em:<http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm>

Acesso em: 20 de Abr. de 2010

[6] Disponível em:< http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/eolica/eolica.htm>

Acesso em: 20 de Abr. de 2010

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