Sustentabilidade - Energia Eólica

ANDRÉ GOMES GOULART JEAN CESAR DA SILVA CRUZ MARCELO DE SOUZA CARVALHO

RA: C0219G-0 RA: C2959C-0 RA: C05GIB-7

TURMA: EM3R46 TURMA: EM3R46 TURMA: EM3R46

ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS SUSTENTABILIDADE – ENERGIA EÓLICA

ASSIS 2015

UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS FACULDADE DE ENGENHARIA

ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS SUSTENTABILIDADE – ENERGIA EÓLICA

Atividades Práticas Supervisionadas – trabalho apresentado como exigência para a aprovação na disciplina de Atividades Práticas Supervisionadas (APS), do primeiro semestre letivo de 2015, do curso de Engenharia – Ciclo Básico, da Universidade Paulista, sob orientação dos professores do semestre.

ASSIS 2015

LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Como funciona a energia eólica – turbina de eixo vertical

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Figura 2 – Como funciona a energia eólica – turbina de eixo horizontal

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Figura 3 – Como funciona a energia eólica – aerodinâmica da turbina

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Figura 4 – Atlas do potencial eólico brasileiro

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO

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OBJETIVOS DO TRABALHO

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1.1 Objetivo Geral

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1.2 Objetivo Específico

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METODOLOGIA

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DESENVOLVIMENTO TEÓRICO

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ETAPAS DO DESENVOLVIMENTO

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CONCLUSÕES

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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INTRODUÇÃO Fontes renováveis de energia são inesgotáveis, pois são encontradas na natureza em grande quantidade ou possuem a capacidade de regeneração por meios naturais. Energia eólica, energia solar, energia hidráulica e energia geotérmica são exemplos de fontes renováveis de energia. Energia eólica: tem origem na força dos ventos que movimentam as pás de cataventos que são ligados a geradores. Tem como vantagem seu baixíssimo impacto ambiental e geração de poucos resíduos, e como desvantagens, podemos citar que a estrutura para geração de energia eólica deve ser instalada em locais amplos e com boa incidência de ventos. Energia Solar: painéis fotovoltaicos transformam a luz solar em energia. Tem como vantagens seu baixo custo de manutenção dos equipamentos e baixíssimo impacto ao meio ambiente. O alto custo dos equipamentos e geração de energia somente quando há luz solar podem ser consideradas desvantagens. Energia Hidráulica: tem origem na água que gira as turbinas das usinas hidrelétricas, gerando energia. O fato de não ocorrer poluição da água, com baixíssima emissão de gases do efeito estufa é uma grande vantagem. Desvantagens: a construção de uma usina hidrelétrica gera alto impacto ambiental, alagando regiões e fazendo com que haja deslocamento da população local. Energia Geotérmica: é obtida usando o calor existente no interior da Terra. Vantagens: pouca produção de resíduos, ausência de ruídos externos; baixa emissão de gases do efeito estufa e área utilizada ocupa pequeno espaço. Desvantagens: pode ser obtida em locais restritos, com um elevado custo dos equipamentos.

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OBJETIVOS DO TRABALHO 1.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo geral deste trabalho é proporcionar ao aluno o desenvolvimento de habilidades que envolvam as disciplinas que está cursando durante o semestre e/ou as que já foram cursadas pelo mesmo. Desenvolver a capacidade de observação e análise dos diversos fenômenos naturais. Desenvolver no aluno o espírito crítico e o raciocínio lógico. Propiciar ao aluno o trabalho em grupo para a execução do projeto.

1.2 OBJETIVO ESPECÍFICO

O objetivo específico deste trabalho é construir um protótipo demonstrando algum tipo de energia renovável. Pôde-se observar que existem várias fontes deste tipo de energia. Neste trabalho dar-se-á maior atenção à energia eólica.

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METODOLOGIA A pesquisa bibliográfica é a busca da “problematização” de um projeto de pesquisa a partir de referencias publicadas, analisando e discutindo as contribuições culturais e científicas. Ela constitui uma excelente técnica para fornecer ao pesquisador os conhecimentos que habilitam a produção de trabalhos originais e pertinentes. A consulta consiste na identificação das fontes documentais (documentos audiovisuais, documentos cartográficos e documentos textuais), na análise das mesmas e no levantamento de informações (reconhecimento das ideias que dão conteúdo semântico ao documento). Segundo alunos do curso de Comunicação Social com habilitação em Jornalismo, da Universidade Federal de Goiás, na fase inicial de um desenvolvimento de investigação é preciso fazer uma pesquisa bibliográfica com o intuito de saber se alguém já publicou as respostas às questões propostas, decidir se é interessante repetir a investigação com os mesmos objetivos, conhecer os métodos utilizados em investigações similares e averiguar o melhor modo de aplicá-lo. Este trabalho apresenta informações básicas sobre energia eólica encontradas por pesquisas bibliográficas minuciosas em periódicos disponíveis impressos e on-line e aplicadas durante todo o processo de desenvolvimento do projeto de montagem de um protótipo aplicando princípios da geração de energia eólica.

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DESENVOLVIMENTO TEÓRICO

O ar é considerado um fluido como qualquer outro, exceto por suas partículas estarem na forma gasosa em vez de líquida. Quando o ar se move rapidamente, na forma de vento, essas partículas também se movem. Esse movimento é a energia cinética, que pode ser capturada da mesma forma que a energia da água em movimento é capturada por uma turbina em uma usina hidrelétrica. No caso de uma turbina eólica, as pás da turbina são projetadas para capturar a energia cinética contida no vento. O resto é praticamente idêntico ao que ocorre em uma hidrelétrica: quando as pás da turbina capturam a energia do vento e começam a se mover, elas giram um eixo que une o cubo do rotor a um gerador. O gerador transforma essa energia rotacional em eletricidade. Fundamentalmente, gerar eletricidade a partir do vento é só uma questão de transferir energia de um meio para outro. Toda a energia eólica começa com o sol. Quando o sol aquece uma determinada área de terra, o ar ao redor dessa massa de terra absorve parte desse calor. Em determinada temperatura, esse ar mais quente começa a se elevar muito rapidamente, pois um determinado volume de ar quente é mais leve do que um volume igual de ar mais frio. As partículas de ar mais quentes se movem mais rápido e exercem uma pressão maior do que as partículas que se movem mais devagar, de modo que são necessárias menos delas para manter a pressão normal do ar em uma determinada elevação. Quando este ar quente mais leve se eleva subitamente, o ar mais frio flui rapidamente para preencher o espaço vazio deixado. Este ar que velozmente preenche o espaço vazio é o vento. Se você colocar um objeto - como uma pá de rotor - no caminho desse vento, o vento irá empurrá-la, transferindo parte de sua própria energia de movimento para a pá. É assim que uma turbina

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eólica captura a energia do vento. É o mesmo princípio de um barco à vela. Quando o ar se move empurrando a barreira da vela, faz o barco se mover. O vento transferiu sua própria energia de movimento para o barco à vela. A turbina de energia eólica mais simples possível consiste em três partes fundamentais: pás do rotor, eixo e gerador. As pás do rotor 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 o 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 está conectado a um gerador elétrico na outra extremidade. O gerador é um dispositivo bastante simples, que usa as propriedades da indução eletromagnética para produzir tensão elétrica - uma diferença de potencial elétrico. A tensão é, essencialmente, "pressão" elétrica, a força que move a eletricidade ou corrente elétrica de um ponto para outro. Assim, a geração de tensão é geração de corrente. Um gerador simples consiste em ímãs e um condutor. O condutor é um fio enrolado em forma de bobina. Dentro do gerador, o eixo se conecta a um conjunto de imãs permanentes que circunda a bobina. Na indução eletromagnética, se você tem um condutor circundado por imãs e uma dessas partes estiver girando em relação à outra, estará induzindo tensão no condutor. Quando o rotor gira o eixo, também gira o conjunto de imãs que gera tensão na bobina. Essa tensão induz a circulação de corrente elétrica através das linhas de energia elétrica para distribuição. Pode-se encontrar uma moderna tecnologia em fazendas eólicas e quintais de propriedades rurais de hoje. Ela é um pouco mais complexa do que foi mencionado anteriormente, mas os princípios fundamentais são os mesmos.

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Quando se trata de turbinas eólicas modernas, há dois projetos principais: as de eixo horizontal e as de eixo vertical. Turbinas eólicas de eixo vertical (TEEVs), que se parecem um pouco com uma gigante batedeira de ovos, são bastante raras.

Figura 1 – Como funciona a energia eólica – turbina de eixo vertical

Em uma TEEV, o eixo é montado na vertical, perpendicular ao solo. Como as TEEVs estão permanentemente alinhadas com o vento (ao contrário das de eixo horizontal), nenhum ajuste é necessário quando a direção do vento muda. Entretanto, uma TEEV não pode começar a se mover por si mesma: ela precisa de um impulso de seu sistema elétrico para dar partida. Em vez de uma torre, ela geralmente usa cabos de amarração para sustentação, pois assim a elevação do rotor é menor. Como menor elevação significa menor velocidade do vento devido à interferência do solo, as TEEVs geralmente são menos eficientes que as TEEHs. Como vantagem, todos os equipamentos se encontram ao nível do solo para facilidade de instalação e serviços. Mas isso significa uma área de base maior para a turbina, o que é uma grande desvantagem em áreas de cultivo.

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As TEEVs podem ser usadas para turbinas de pequena escala e para o bombeamento de água em áreas rurais, mas todas as turbinas de escala de geração pública produzidas comercialmente são turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEHs). Como o nome indica, o eixo da TEEH é montado horizontalmente, paralelo ao solo. As TEEHs precisam se alinhar constantemente com o vento, usando um mecanismo de ajuste. O sistema de ajuste padrão consiste de motores elétricos e caixas de engrenagens que movem todo o rotor para a esquerda ou direita em pequenos incrementos. O controlador eletrônico da turbina lê a posição de um dispositivo cata-vento (mecânico ou eletrônico) e ajusta a posição do rotor para capturar o máximo de energia eólica disponível. As TEEHs usam uma torre para elevar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento (e para que as pás possam ficar longe do solo) e ocupam muito pouco espaço no solo, já que todos os componentes estão a até 80 metros de altura.

Figura 2 – Como funciona a energia eólica – turbina de eixo horizontal

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Componentes de uma grande TEEH: • Pás do rotor: capturam a energia do vento e a convertem em energia rotacional no eixo; • Eixo: transfere a energia rotacional para o gerador; • Nacele: é a carcaça que abriga: • Caixa de engrenagens: aumenta a velocidade do eixo entre o cubo do rotor e o gerador; • Gerador: usa a energia rotacional do eixo para gerar eletricidade usando eletromagnetismo; • Unidade de controle eletrônico (não mostrada): monitora o sistema, desliga a turbina em caso de mau funcionamento e controla o mecanismo de ajuste para alinhamento da turbina com o vento; • Controlador (não mostrado): move o rotor para alinhá-lo com a direção do vento; • Freios: detêm a rotação do eixo em caso de sobrecarga de energia ou falha no sistema. • Torre: sustenta o rotor e a nacele, além de erguer todo o conjunto a uma altura onde as pás possam girar com segurança e distantes do solo; • Equipamentos elétricos: transmitem a eletricidade do gerador através da torre e controlam os diversos elementos de segurança da turbina. Do início ao fim, o processo de geração de eletricidade a partir do vento e distribuição de eletricidade para os consumidores se parece com isto:

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Figura 3 – Como funciona a energia eólica – aerodinâmica da turbina.

Ao contrário do antigo projeto de moinho de vento holandês, que dependia muito da força do vento para colocar as pás em movimento, as turbinas modernas usam princípios aerodinâmicos mais sofisticados para capturar a energia do vento com mais eficácia. 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. As pás da turbina têm uma forma parecida com asas de avião: elas usam um desenho de aerofólio. A aerodinâmica não é a única consideração de projeto em jogo na criação de uma turbina eólica eficaz. O tamanho importa: quanto maiores as pás da turbina (e, portanto, quanto maior o diâmetro do rotor), mais energia uma turbina pode capturar do vento e maior a capacidade de geração de energia elétrica. Falando de modo geral, dobrar o diâmetro do rotor quadruplica a produção de energia.

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Para calcular a real quantidade de potência que uma turbina pode gerar a partir do vento, você precisa conhecer a velocidade do vento no local da turbina e a capacidade nominal da turbina. Considerando velocidades do vento estáveis, é o diâmetro do rotor que determina a quantidade de energia que uma turbina pode gerar. Recursos eólicos e fatores econômicos Em uma escala global, as turbinas eólicas geram atualmente tanta eletricidade quanto oito grandes usinas nucleares. Isso inclui não somente as turbinas de escala de geração pública, mas também as pequenas turbinas que geram eletricidade para casas ou negócios individuais (às vezes, usadas em conjunto com fontes de energia solar fotovoltaica). Ainda assim, as usinas nucleares e de carvão podem produzir eletricidade mais barato do que as turbinas eólicas. Então, usar energia eólica para quê? As duas maiores razões para usar o vento para gerar eletricidade são as mais óbvias: a energia do vento é limpa e renovável. Mas há inconvenientes, também. As turbinas eólicas nem sempre funcionam com 100% da potência, como muitas outras fontes energéticas, já que a velocidade do vento é variável. As turbinas eólicas podem ser barulhentas se você viver próximo a elas, além de serem perigosas para aves e morcegos. Em áreas desérticas de solo compactado existe o risco de erosão da terra se você cavar para instalar as turbinas. Além disso, como o vento é uma fonte de energia relativamente pouco confiável, os operadores de usinas eólicas precisam ter um sistema de reserva com uma pequena quantidade de energia confiável e não renovável, para as vezes em que a velocidade do vento diminui.

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No Brasil O potencial eólico brasileiro é de 143,5 GW (Giga Watts), segundo um estudo da Centro de Pesquisa em Energia Elétrica (Cepel) do Ministério de Minas e Energia feito em 2005. O estudo levou em conta geradores de energia eólica de até 50 metros. Com o avanço tecnológico no setor, que permite geradores de até 80 metros atualmente no Brasil, o potencial cresceria mais ou menos 50%.

Figura 4 – Atlas do potencial eólico brasileiro O crescimento da capacidade instalada no país se deve em grande parte pelos incentivos que o governo federal tem dado para o assunto.

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ETAPAS DO DESENVOLVIMENTO Seguem abaixo algumas imagens da montagem de nosso protótipo:

Casa confeccionada em poliestireno.

Hélice de um ventilador usado no lugar das pás de nosso protótipo de torre eólica.

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Um elástico para dinheiro foi utilizado como correia para movimentar nossas pás.

Um motor de 5 v, de um DVD player, foi utilizado como gerador de energia.

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Vista do conjunto do protótipo de torre eólica.

Vista de todo o protótipo, com a montagem em andamento.

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Vista de todo o protótipo, com a montagem em andamento.

Vista de todo o protótipo, semiacabado.

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Vista de todo o protótipo, semiacabado, com o detalhamento da casa em poliestireno.

Vista de todo o protótipo, semiacabado.

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Vista de todo o protótipo, acabado.

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CONCLUSÃO Observou-se por meio deste trabalho que, aplicando de forma lógica e correta princípios básicos de geração de energia, pode-se criar um protótipo de uma estrutura para a geração de energia eólica, imitando uma turbina eólica de eixo vertical.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ENERGIA EÓLICA, Wikipédia, 2015. Disponível em: . Acessado em: 02 de abril de 2015. COMO FUNCIONA A ENERGIA EÓLICA, HowStuffWorks Brasil, 2011. Disponível em: . Acessado em: 16 de maio de 2015. VANTAGENS E DESVANTAGENS DA ENERGIA EÓLICA, Portal Energia – Energias Renováveis, 2012. Disponível em: . Acessado em: 07 de abril de 2015. ENERGIA EÓLICA, Infoescola, 2015. Disponível em: . Acessado em: 13 de abril de 2015. ENERGIA EÓLICA, Ministério do Meio Ambiente, 2015. Disponível em: . Acessado em: 27 de abril de 2015. ENERGIA EÓLICA, Energias Renováveis, 2013. Disponível em: . Acessado em: 10 de maio de 2015.