gerador eólico didático

GERADOR EÓLICO DIDÁTICO
Camila Rodrigues de Carvalho e Carvalho1, Débora de Souza Martins1, Sofia Alves de Almeida Silva 1,
Carmen Ribeiro Faria Santos 2
1
Universidade Federal do Espírito Santo / Carmen Ribeiro Faria Santos
Av. Fernando Ferrari
29075-910 – Vitória – ES
2
Universidade Federal do Espírito Santo
Av. Fernando Ferrari
29075-910 – Vitória – ES
Resumo A proposta apresentada pelo grupo consiste na
construção de um Aerogerador de baixa tensão. Um
Aerogerador é um gerador elétrico integrado ao eixo de um
cata-vento e que converte energia eólica em energia elétrica.
Será utilizado um rotor de eixo horizontal do tipo Frontal
(“upwind”), ou seja, o vento soprará pela parte frontal e o rotor
orientado segundo a direção do vento através de um dispositivo
mecânico acoplado.
Palavras Chaves: Aerogerador,
eletromagnetismo, engenharia elétrica.
energia
renovável,
Abstract: The proposal presented by the group consist in a low
voltage aerogenerator construction. An aerogenerator is an
electric generator integrated into the shaft of a wind vane tha
converts wind energy into electrical energy. It will be used a
upwind rotator, wich means that the wind will blow into the
frontal part and the rotator will be guided by the wind direction
through a coupled mechanical device.
Keywords:
Aerogenerator,
renewable
electromagnetism, electrical engineering.
1
energy,
INTRODUÇÃO
Dominar o vento é um dos métodos mais antigos de
produção de energia. A humanidade utiliza, desde a
antiguidade, os moinhos de vento para moer os cereais e para
bombear água. Com o surgimento da eletricidade no final do
século XIX, os primeiros protótipos de turbinas eólicas
modernas foram concebidos, utilizando tecnologia baseada no
tradicional moinho de vento. Desde então, decorreu um
processo moroso até que a energia eólica fosse aceite como um
método de produção de energia economicamente viável.
bem como da criação de institutos de investigação, nos anos
80, continuaram a ser investigados, desenvolvidos e
implementados novos métodos de produção de energias
renováveis.
Com o desenvolvimento da estação de energia eólica de
55 kW, em 1981, os custos outrora elevados da energia eólica
foram drasticamente reduzidos. A energia eólica é, atualmente,
uma das fontes energéticas menos dispendiosas, se forem tidos
em conta todos os custos externos (por exemplo, os danos
ambientais).
As estações modernas de energia eólica produzem uma
parte cada vez maior da energia global. A Alemanha é um dos
mais importantes mercados de energia eólica, com a segunda
maior quantidade de capacidade de energia eólica (23.903 MW
em 2008), sendo que os EUA ocupam o primeiro lugar.
Juntamente com a Alemanha e os EUA, a Espanha, a França, a
Dinamarca, a China e a Índia são os maiores utilizadores de
energia eólica para produção de eletricidade.
A indústria da energia eólica, com o crescente volume de
exportações, tornou-se um importante mercado global e um
fator económico.
2
O TRABALHO PROPOSTO
A máquina construída pelo nosso grupo foi feita de ímã
permanente, já que o enrolamento de campo é substituído pelo
ímã. A principal vantagem é que os imãs não necessitam de
excitação externa e nem dissipam a potência correspondente
para criar campos magnéticos em torno do rotor. O esquema de
montagem pode ser visto na Figura 1.
A crise petrolífera dos anos 70 e, sobretudo, o movimento
anti-energia nuclear nos anos 80 aumentaram o interesse pelas
energias alternativas e intensificaram a investigação no sentido
de encontrar novas formas ecológica e economicamente viáveis
de produção de energia. As turbinas eólicas construídas nessa
época eram utilizadas essencialmente para investigação e eram
extremamente dispendiosas. Com a ajuda de programas de
gestão e investigação internacional financiados pelo governo,
Mostra Nacional de Robótica (MNR)
1
𝐸 = 𝐸𝑚𝑎𝑥 × 𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑡)
Sendo:
𝐸𝑚𝑎𝑥 = 𝐵𝑚𝑎𝑥 × 𝑁 × 𝑙 × 𝑣
Nos pontos de máxima indução obtém-se a máxima
tensão induzida. Cada giro das espiras corresponde a um ciclo
completo da tensão gerada. Para que a tensão gerada seja de 60
Hz, é necessário que a espira gire 60 vezes em 1 segundo, ou
ainda, 3.600 rotações por minuto (rpm). Para dois polos, a cada
volta completa a espira excursiona sob o polo norte e o polo
sul, gerando um ciclo. Portanto para a geração de 60 Hz é
necessário que a espira gire 60 vezes em 1 segundo.
Figura 1 – Esquema do gerador
Para promover uma variação relativa entre o campo
magnético gerado pelo ímã e a bobina do rotor, deve ser feita a
movimentação mecânica desta. Em nosso projeto, essa rotação
é feita através do fluxo de ar que circula pelas pás do captador
de vento, ou seja, há a transformação de energia cinética dos
ventos na energia cinética de rotação das pás, são essas que
giram o rotor do gerador e, suas bobinas induzem uma corrente
elétrica, ou seja, há a transformação da energia cinética de
rotação da bobina em energia elétrica.
Pode-se então ver, que a obtenção de eletricidade através
da utilização da energia-eólica nada mais é que um conjunto de
transformações.
Para melhor entendimento de como esse processo ocorre,
deve-se entender melhor como é o funcionamento do gerador
em si.
A bobina presente no rotor do gerador, com uma
quantidade “N” de espiras está imersa em um campo
magnético induzido pelos imãs permanentes. No momento em
que o vento gira as pás e estas rotacionam o rotor, as espiras da
bobina cortam as linhas do campo e pela Lei Fundamental da
Indução Eletromagnética, uma força eletromotriz (f.e.m.) é
induzida nos condutores da bobina. A força eletromotriz é
diretamente proporcional ao número de espiras “N” da bobina,
à indução do campo magnético “B”, à velocidade periférica “v”
e ao comprimento de cada condutor “l”.
Isso pode ser matematicamente escrito como:
𝑓𝑒𝑚 = 𝐵 × 𝑙 × 𝑣 × 𝑛
A indução magnética produzida pelos imãs
permanentes possui uma distribuição espacial dependente da
forma de superfície polar, ou sapata polar que é a forma física
do imã permanente. De acordo com a configuração da sapata,
consegue-se maior concentração de indução no centro do pólo
e menor concentração nas extremidades, e, portanto, maior
eficiência.
A movimentação da bobina é feita em relação ao
estator de modo que o resultado da força eletromotriz induzida
seja senoidal. Matematicamente podemos escrever que:
𝐸 = 𝐵 × 𝑁 × 𝑙 × 𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑡)
Mostra Nacional de Robótica (MNR)
Generalizando o raciocínio, pode-se concluir que para
um gerador com "P" pares de pólos girando a n rotações por
minuto a frequência de f.e.m. induzida em hertz (Hz) é
determinada por:
𝑓=
𝑛×𝑝
60
Onde n é o número de rotações por minuto e p é o número
de pares de polos.
3
MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia de pesquisa e execução do projeto foi decidida,
em reunião, por todos os integrantes do grupo. De forma que,
após a realização dos cálculos e aplicação da teoria, as ideias
para a montagem foram estudadas e ponderadas antes da
construção.
A divisão
A lista de materiais necessários
aeorogerador é a seguinte:
para
montagem
do
 Madeira, para confecção da base e demais acabamentos;
 Pás plásticas, para impulsionar o rotor;
 Eixo metálico, para formar o eixo principal do rotor;
 Dois ímãs, para utilização na montagem do estator do
gerador;
 Fios de cobre, para construção das bobinas;
 Parafusos, para firmar e prender as peças;
 Um LED, para demonstrar a aplicação.
Resistor de 100ohms.
Protoboard.
Multímetro.
Uma base de madeira foi construída para suporte dos ímas.
Segue esquema sem o suporte na Figura 2.
Como o nosso objetivo inicial era construir um
gerador de baixa tensão, uma vez que nossa parte
mecânica é mais limitada devido a presença de apena uma
bobina constituida de cem espiras, conseguimos provas as
Leis do Eletromagnetismo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Kuhn, Thomas Samuel. A estrutura das revoluções científicas.
Tradução de Beatriz Vianna Boeira e Nelson Boeira. 3.ed.
SãoPaulo: Perspectiva, 1992. 257 p. (série Debates – Ciência).
Evolução da Energia Eólica:
http://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com
Figura 2 – Esquema de montagem vista de cima.
4
Ammonit: http://www.ammonit.com/pt/energia-eolica/energiaeolica
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Geradores Síncronos:
http://excitatrizestatica.com.br/principio.html
Com o auxílio de um compressor de ar, alcançamos,
como esperado por nosso cálculos, a geração de 1V de
tensão alternada.
.
Vimos a tensão gerada com um equipamento chamado
osciloscópio, comprovando a onda esperada teoricamente.
Com o auxílio de um equipamento chamado de
teslômetro, responsável pela medição da intensidade de campo
magnético, dado em Tesla, daí seu nome, conseguimos medir o
campo esperado entre os ímã fixos em nossos cálculos prévios
Conseguimos, então, comprovar as
eletromagnetismos envolvidas em nosso projeto.
leis
do
Segue abaixo uma tabela com a relação média de
custo em nosso projeto. Como é um protótipo, seu custo não se
compara aos gastos reais de um gerador eólico, e não pode ser
utilizado como base para tal.
Tabela 1 – Estimativa de Custo.
Material
Preço Médio (R$)
Uma ventoinha de cooler
25,00
Eixo metálico com rolamento
15,00
Uma base de madeira
10,00
Dois ímãs
5,00
5
CONCLUSÕES
Nosso projeto conseguiu alcançar o êxito, com a ajuda
de um compressor de ar, foi gerado pouco mais de 1V,
energia mais que suficiente para acender um LED (“light
emissor diode”).
Mostra Nacional de Robótica (MNR)
3