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Análise da Geração de Energia Elétrica através dos Ventos
Darlei José Battistella Giareta, Diogo Cardozo de Souza, Lucas Raniere Gonçalves,
Thiago da Silva , Wellington João Gonçalves
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo ilustrar como ocorre o processo de geração de energia
através de aerogeradores, seus componentes e como interagem no conjunto, apresentando as
vantagens e desvantagens deste meio de geração. Demonstrará também quais os tratamentos
necessários pelos quais a energia passa até ser disponibilizada nas indústrias e residências.
Referente ao trabalho prático serão descritas as condições para gerar energia através de um
motor elétrico também serão explanados os recursos utilizados para manipular a energia
gerada. Com o auxílio o LabVIEW (software de linguagem de programação gráfica originária
da National Instruments), foram obtidos dados do wattímetro e mensura da velocidade do
vento através do anemômetro apenas para leitura e posterior aplicação dos recursos
estatísticos.
Palavras-Chave: aerogeradores, energia eólica, geradores, motores síncronos, energia
limpa, sustentabilidade.
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INTRODUÇÃO
Nos atuais dias, em que a tecnologia avança a largos passos, o desenvolvimento
econômico encontra-se acima de qualquer coisa e consequentemente, a demanda por energia
elétrica é cada vez maior. Por muito tempo, essa demanda foi atendida pela queima de
combustíveis fósseis, o que trouxe problemas graves ao meio ambiente, tais como: chuva
ácida, efeito estufa, aquecimento global, etc. Portanto, torna-se necessário que o ser humano
busque novas fontes de energia renováveis e não poluentes, para que haja uma combinação
rentável entre proteção do meio ambiente e desenvolvimento econômico. Infelizmente não
existe conversão de energia sem algum impacto ambiental. Tendo isso em mente, a energia
eólica foi a escolhida para esse projeto pois representa uma excelente fonte renovável para
produção de energia elétrica e apresenta um baixo impacto ambiental, além de seus custos de
instalação e manutenção diminuírem a cada ano, o que a torna rentável ao longo do tempo.
Dessa forma, e fazendo uso dos conhecimentos de Cálculo (Operações matemáticas de
derivações), Engenharia e Sustentabilidade (Energias Renováveis), Física I (Conversões de
Energia – Mecânica em Eletrica, etc), Eletricidade (Corrente Alternada – Formas de Onda,
Funções de Onda e Transformadores – Relação de Transformação) e Estatística (Tratamento
de Dados – Tensão Média, Relação de Tensão e Velocidade do Ar), o objetivo do trabalho foi
utilizar do mesmo princípio de Faraday para gerar energia elétrica, através de uma força
eletromotriz (FEM). Através de fórmulas matemáticas é possível estimar a potência
disponível em uma determinada seção transversal de ar e assim relacioná-las com os dados
obtidos nos experimentos práticos, através de ferramentas estatísticas e também apresentar
tabelas e gráficos das potências disponíveis e das potências geradas, gerando um comparativo
de eficiência (BOYLESTAD, 2004). Com o auxílio de um osciloscópio, é possível ver a
forma de onda gerada na saída do gerador, utilizando de alguns princípios de eletricidade e
com as informações obtidas, pode ser descrita a fórmula da forma de onda da tensão. Para
exemplificar o processo de elevação de tensão para transmissão, o uso do transformador
mostra que seu comportamento obedece algumas expressões características que podem ser
escritas através de cálculos teóricos e testes práticos.
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2 METODOLOGIA
2.1 Geração de energia eólica
A geração de energias renováveis através de aerogeradores, ocorrem com a utilização
dos ventos que consistem em diferenciais de pressão. Esse modo de conversão de energias,
utiliza de princípios físicos para a obtenção de eletricidade. A captação do vento através das
pás, possibilita a rotação de um rotor que está acoplado em um gerador. A tensão gerada é
enviada até uma central de energia e é utilizada como complemento dos outros meios de
geração, visto que depender somente dessa fonte de energia ainda é arriscado por ser
necessária a presença contínua de ventos (CUSTÓDIO, 2009).
O potencial eólico disponível pode ser definido como a energia cinética que passa
através das pás do gerador em um determinado tempo (IVONI, JORGE, 2006). Então a
energia cinética da massa de ar pode ser expressa pela equação (1):
𝐸𝑐 =𝑚∗𝑣²
2 (1)
m é a massa de ar que flui através das pás do gerador e v é a velocidade do vento em m/s. A
vazão do vento pode ser definida através do fluxo de massa expresso pela equação (2) em
kg/s:
�̇� = 𝜌𝐴𝑉 (2)
ρ é a massa específica do ar, A é a área de varredura das pás e V a velocidade do vento que
flui pela seção transversal das pás.
O potencial eólico pode ser expresso pela diferenciação da energia pela unidade de
tempo:
𝑃 =𝜌∗�̇�∗𝑉²
2 (3)
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Reescrevendo e unindo as equações (2) e (3) temos a equação (4) que expressa a
potência relacionando a massa específica, área da seção das pás do gerador e a velocidade do
vento que escoa pelo gerador (CUSTÓDIO, 2009):
𝑃 =𝜌∗𝐴∗𝑉³̇
2 (4)
Com a equação (4) é possível estimar a potência disponível em Watts, em determinada
seção transversal na qual o vento irá fluir.
A energia gerada pode ser manipulada com o intuito de atender determinadas
necessidades, um exemplo é a utilização de transformadores para provocar uma elevação ou
diminuição no valor da tensão gerada. Este tipo de transformação é utilizado para transmissão
de eletricidade a longas distâncias, elevando-se a tensão, tem-se uma menor corrente e de
acordo com a lei de Ohm, a corrente é inversamente proporcional a tensão, o que implicaria
em uma menor secção transversal do condutor, reduzindo os gastos com material. (ARTIGO
DISPONÍVEL NO PORTAL ENERGIA - ENERGIA EÓLICA-2016).
2.2 Gerador síncrono
Segundo Wirth (2013), os motores síncronos em sua essência são idênticos aos
geradores, eles utilizam imãs como estatores para fazer girar o rotor, no gerador a variação do
campo magnético gera a corrente elétrica. O processo de geração ocorre através do processo
de indução proposto por Michael Faraday, denominado lei de indução de Faraday, onde uma
força eletromotriz é induzida em um condutor quando o número de linhas de campo
magnético que o atravessa varia, como pode ser visto na figura abaixo (HALLIDAY,
RESNIK, WALTER, 2011).
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Figura 01: Princípio de indução de Faraday
FONTE: Globo, 2015
2.3 Transformador
Conforme Boylestad (2004) “um transformador é constituído por dois rolamentos
dispostos de maneira que o fluxo magnético variável produzidos por um deles aja sobre o
outro,..., resultando em uma tensão induzida nos dois enrolamentos.”, o enrolamento onde a
tensão é aplicada é denominado primário e o enrolamento onde a carga está conectada é
chamado de secundário. A relação entre o primário e o secundário pode ser expressa pela
seguinte equação (5):
𝑉𝑝
𝑉𝑠=
𝑁𝑝
𝑁𝑠= 𝑎 (5)
onde Vp, representa a tensão no primário, Vs a tensão no secundário, Np e Ns são
respectivamente o número de espiras do primário e o número de espiras do secundário. A
relação entre Vp e Vs, também fornece a relação de transformação do transformador. Pode se
também relacionar as correntes que circulam nos enrolamentos através da expressão (6):
𝐼𝑝
𝐼𝑠=
𝑁𝑝
𝑁𝑠= 𝑎 (6)
Ip e Is representam as correntes no primário e no secundário respectivamente, o termo “a”
representa a relação de transformação. O mesma lógica ocorre com as impedâncias que são
descritas pela da equação (7), onde Zp e Zs são as impedâncias no primário e no secundário
(Boylestad, 2004):
6
𝑍𝑝
𝑍𝑠= 𝑎² (7)
2.4 LabView
Trata-se de um software de engenharia desenvolvido com o intuito de realizar testes de
controle e medição de dados, com acesso rápido ao hardware (National Instruments, 2017).
Figura 02: Estrutura LabView
FONTE: National Instruments, 2017
3 PROJETO FÍSICO
3.1 Geração de tensão alternada
Para gerar energia alternada foi utilizado um cooler de um inversor de frequência,
como visto na figura 2, caracterizado como um motor síncrono de imã permanente com
estator bobinado, a eletrônica do cooler foi removida (circuito responsável pela verificação e
regulagem de tensão). Os cabos do motor foram ligados no bobinamento primário de um
transformador e foram realizados alguns testes.
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Figura 02: Motor utilizado como gerador
FONTE: Autor, 2017
Com o auxílio do osciloscópio Tektronix TDS2002B, pode-se observar a forma de
onda gerada pelo cooler ao movimentar as pás. Inicialmente utilizou-se ar comprimido para
simular o vento direcionado ao gerador, a forma de onda gerada pode ser observada na
imagem abaixo, contudo a velocidade do ar apresentava certa instabilidade pelo fato do ar sair
no regime turbulento.
Figura 03: Formas de onda do gerador
FONTE Autor, 2017
Na figura acima, podem-se observar as tensões geradas no motor, com uma velocidade
de vento média de 11m/s. O canal 1 (amarelo) mostra a tensão no secundário do
transformador e o canal 2 (azul), representa a tensão na saída do motor, equivalente a 8,8 Vca.
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Esse comportamento fez com que o motor em questão tornasse viável sua utilização para a
simulação da geração de energia.
Os conhecimentos obtidos na unidade curricular de eletricidade possibilitaram a
elevação da tensão gerada utilizando um transformador, o qual não possuía nenhuma
informação, mas através dos ensaios práticos foi possível descobrir suas características.
Figura 04: Transformador de núcleo de ferrite
FONTE: Autor, 2017
Através da equação (5), chegou-se à um valor de relação de transformação, próximo à
1/8, ou seja, a tensão aplicada no primário (menor resistência, 23.8 ohms de resistência) será
oito vezes maior no secundário (maior resistência 828,4 Ohms). O transformador poderia ser
utilizado para baixar a tensão ou elevá-la, no atual trabalho ele é utilizado para elevar a
tensão. Abaixo pode ser vista uma imagem do projeto montado o qual foi utilizado para os
testes:
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Figura 05: Projeto montado na base
FONTE: Autor, 2017
Para análise da geração primeiramente foi criado uma programação, utilizando a
plataforma LabView, onde foi possível comunicar e adquirir dados do wattímetro da marca
Yokogawa, modelo WT 310E, e mensurado a velocidade do vento através do anemômetro da
marca Impac am-4270sd .
Figura 06: Anemômetro e Wattímetro
FONTE: Autor, 2017
Foi estabelecida então uma carga fixa de resistência, para uma simulação de carga, seu
valor é de 49,85 K Ohms. Variou-se a velocidade do vento para poder visualizar as tensões
geradas, os valores obtidos podem ser observados na tabela abaixo.
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Tabela 1: Valores das medições em diferentes velocidades de vento
Velocidade Vento
[m/s]
Tensão
Primário [V]
Tensão
Secundário [V]
Corrente Saída
[A]
Potência Saída
[W]
8,5 4,1 31,33 0,0006 0,02
10,7 7,44 57,43 0,0012 0,07
12,5 9,78 75,68 0,0015 0,12
14 11,68 90,53 0,0019 0,17
15,3 13,51 104,87 0,0022 0,23
16,5 15,03 116,78 0,0024 0,28
17,6 16,37 127,19 0,0026 0,33
FONTE: (Autor, 2017)
A tabela acima relaciona a média dos valores obtidos durante o processo de
instrumentação do gerador.
3.2 Relação de grandezas físicas
Através do cálculo da energia cinética da massa de ar que flui através do gerador, é
possível estimar a relação entre a potência disponível nesta massa de ar e a potência gerada
pelo sistema.
Com a equação (4), (potência disponível na massa de ar), pode-se realizar a estimativa
dos valores teóricos de potência de ar disponível como mostrado na tabela abaixo:
Tabela 2: Potência disponível na área da secção transversal do gerador
Área da Secção (mm2) Velocidade do vento (m/s) Potência disponível (W)
8,5 0,923951063
10,7 1,843077194
2550 12,5 2,938476563
14 4,128348
15,3 5,388482597
16,5 6,758402063
FONTE: Autor, 2017
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Comparando os valores de potência disponível na secção de ar determinada, fez-se
uma comparação com os valores de potência obtidos com a carga selecionada como
observado na tabela abaixo:
Tabela 3: Comparação das potências
Potência disponível
(W)
Potência Elétrica Gerada
(W)
Parcela de potência convertida em
eletricidade
0,92 0,02 2,16%
1,84 0,07 3,80%
2,94 0,12 4,08%
4,13 0,17 4,12%
5,39 0,23 4,27%
5,76 0,28 4,14%
FONTE: Autor, 2017
Através de uma média aritmética, pode-se estimar que a porcentagem da parcela de
energia disponível convertida em eletricidade no gerador com a carga fixa de 49,82 KOhms
foi de aproximadamente 3,77%.
3.2 Expressão da tensão
Também foi possível descrever a função que representa a forma de onda gerada na
saída do transformador através da seguinte expressão (Boylestad, 2004):
V(t)=a0+a1*sen(ωt+Ø) (5)
onde a0 representa um deslocamento vertical, a1 a amplitude da tensão, ω é a velocidade
angular, t o tempo e Ø o ângulo de fase. Com algumas formas de onda obtidas com auxílio do
osciloscópio podemos descrever algumas das expressões em diferentes velocidades de ar
como visto na tabela a seguir.
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Tabela 4: Expressões senóides
Amplitude (V) Frequência (Hz) Expressões
46,4 45,03 V(t)=46,4*sen(90,06πt)
50,04 48,45 V(t)=50,04*sen(96,9πt)
60 56,31 V(t)=60*sen(112,62πt)
64,8 60,33 V(t)=64,8*sen(120,66πt)
FONTE: Autor, 2017
Observando o comportamento da tensão pelo tempo pode-se observar que quanto
maior a velocidade do vento maior será a tensão e consequentemente a frequência também
aumentará, desse modo pode-se estabelecer uma expressão geral que representa o
comportamento do gerador:
V(t)=a1*sen(A1*2πt) (5)
A velocidade angular da expressão acima foi obtida através da fórmula “ω=2πf”
(Boylestad, 2004), o valor da frequência foi obtido com auxílio do osciloscópio. Foi
observado que a velocidade angular se comporta de maneira semelhante em diferentes
tensões, sendo o duas vezes pi a amplitude da senóide.
4 CONCLUSÕES
Pode-se observar que a geração eólica é um meio viável para geração de energia,
contudo possui seus contras, pelo fato de gerar uma grande quantidade de ruído no ambiente e
sua geração estar limitada a momento em que haja o vento. Foi possível observar de maneira
geral em um protótipo de pequena escala o princípio de funcionamento e o rendimento de um
gerador eólico onde uma parcela da energia disponível no ar é transformada em energia
elétrica. É sabido que o processo de geração é mais complexo e estão envolvidas outras
variáveis não contempladas neste projeto, que irão afetar diretamente o processo de geração.
Notou-se também que o valor da potência na saída do sistema irá variar conforme a carga,
seria necessário encontrar a máxima capacidade de geração de energia e assim seria possível
estimar o rendimento do gerador.
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BIBLIOGRAFIA
BOYLESTAD, Robert L. – Introdução à Análise de Circuitos – Prentice
Hall/Pearson, 10ª. Ed, 2004.
CUSTÓDIO, Ronaldo dos Santos. Energia Eólica: Para a produção de energia
elétrica. Rio de Janeiro: Memória da Eletricidade, 2009. 280 p.
Energias Renováveis – Energias do Futuro (2016). Energia
Eólica.URL: http://www.renovaveis.tecnopt.com/energia-eolica/. Acesso em 15 de
abril de 2017
HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física. Vol. 1. 9 ed.
Editora LTC, 2013.
HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física. Vol. 3. 8 ed. Editora
LTC, 2011.
IVONI C. ACUNHA & JORGE A. Análise do desempenho de um aerogerador de
pequeno porte (2009). URL: http://www.semengo.furg.br/2006/06.pdf. Acesso em
15 de maio de 2017
NATIONAL INSTRUMENTS. 1. LabView. URL:<http://www.ni.com/pt-
br/shop/labview.html>. Acesso em 30 junho 2017.
PEA-EPUSP. Explicação sobre Transformadores Monofásicos, Trifásicos,
Fórmulas e Como dimensionar Transformadores (2014).URL:
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/349452/mod_resource/content/2/Transforma
dores_Teo_2014%20%281%29.pdF. Acesso em 06 de junho de 2017
SANTOS, Marco Aurélio da Silva. "A lei de Ohm"; Brasil Escola (2017).
URL:<http://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-lei-ohm.htm>. Acesso em 12 de junho
de 2017