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Simulacao de aerogeradores de eixo horizontal
Tipologia: Teses (TCC)
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Não perca as partes importantes!
Marianna Batista Teixeira
Trabalho de Conclusão de Curso apresen- tado ao Curso de graduação em Engenha- ria Elétrica da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica.
ORIENTADORA: Prof.ª Thieli Smidt Gabbi
Cachoeira do Sul, RS 2024
Dedico este trabalho a todos que acreditaram em meu potencial e me apoiaram durante minha vida acadêmica. Dedico também à Universidade Federal de Santa Maria, em especial o Campus de Cachoeira do Sul, por ser uma universidade pública de excelência e da qual me orgulho por pertencer.
Agradeço ao Universo por ter me conduzido até aqui e ter acesso a uma Universi- dade pública de excelência em ensino e pesquisa. Aos meus pais Antoninho e Rezoni, e irmãos Júnior e Maryelli, por estarem sempre comigo, me apoiando e me incentivando a ser alguém melhor. Em especial, à minha mãe, que nunca me deixou desistir. Aos meus familiares, por estarem sempre ao meu lado e ajudando no que for necessário. Aos amigos que fiz até aqui, e colegas de laboratório, que tornaram os dias mais le- ves e me ampararam em momentos difíceis. Em especial, ao meu amigo e amor Matheus, que esteve ao meu lado desde o início e sempre acreditou em mim. Agradeço a todos os professores que auxiliaram na minha construção intelectual. Agradeço a todas as pessoas incríveis que trilharam ao meu lado, vocês contribuí- ram de formas únicas e sempre serão lembradas com carinho em meu coração.
A demanda por energia elétrica cresce ao passo que a evolução urbana e econô- mica ocorre nas cidades. A distribuição de energia elétrica é uma condição para o de- senvolvimento da sociedade, visto que a mesma é matéria prima para diversos processos industriais e também para proporcionar qualidade de vida. "Devido ao crescimento cons- tante do uso de energia elétrica na sociedade moderna, são buscadas maneiras de gerar energia com o menor impacto ambiental possível."(DUPONT et al., 2015). (SANTOS et al., 2021), afirmam que as energias renováveis são obtidas na natureza e são renovadas rapidamente, com baixo impacto ambiental para extraí-las, emitem muito menos gases de efeito estufa e deixam menos resíduos na natureza. Segundo (DRANKA et al., 2018), o consumo de energias renováveis aumentou substancialmente nos países desenvolvidos e emergentes, como é o caso do Brasil. Da- dos divulgados pela (Empresa de Pesquisa Energética, 2022) revelam que no cenário glo- bal, as energias renováveis representam apenas 28,6% das fontes da geração de energia elétrica no ano de 2020. Neste contexto, o Brasil é motivo de destaque, com 82,9% da sua matriz elétrica composta por energias renováveis. O lado esquerdo da Figura 1.1 (a) ilustra o gráfico da matriz elétrica no contexto mundial em 2020, enquanto que o lado direito da Figura 1.1 (b) ilustra o gráfico da matriz elétrica brasileira em 2021.
Figura 1.1 – Matriz elétrica mundial em 2020 e matriz elétrica brasileira em 2021
Fonte: (Empresa de Pesquisa Energética, 2022).
Ao analisar a matriz elétrica mundial, Figura 1.1 (a), observa-se que as fontes de energia renováveis não são predominantes. Enquanto que na Figura 1.1 (b), nota-se a abundância de fontes de energias renováveis, como por exemplo, a hidráulica, que ocupa mais da metade da matriz elétrica brasileira. No que diz respeito à geração de energia elétrica através de fontes sustentáveis, a energia eólica ganha destaque no Brasil, em se- gundo lugar, contribuindo com 10,6% de produção para a matriz elétrica. Movidas através
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Figura 1.3 – Modelos de aerogeradores
Fonte: (Instituto Ideal, 2015)
A energia eólica é fonte de energia limpa e renovável, a sua utilização faz presença em diversos estados brasileiros, como é o caso do Rio Grande do Sul (RS), que apresenta boas condições para implementação de projetos eólicos (Secretaria do Meio Ambiente e Infraestrutura, 2014). Para converter a energia dos ventos em energia elétrica, é extre- mamente importante conhecer e estudar as diversas características do determinado local, como a demografia, relevo, climatologia, regime de ventos e licenciamento ambiental. Todos esses fatores fazem parte do potencial eólico de uma região, pois todas as características devem ser levadas em consideração. Para mapear o potencial eólico, são utilizados modelos de mesoescala, caracterizados por medições anemométricas. Além disso, também são utilizados modelos de rugosidade, que são essenciais para determi- nar quanto de energia está sendo retirada do vento próximo à superfície. A Figura 1. representa o mapa de potencial eólico anual do RS, a uma altura de 100 metros do solo.
Figura 1.4 – Mapa de potencial eólico anual no estado do Rio grande do Sul
Fonte: (Secretaria do Meio Ambiente e Infraestrutura, 2014).
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Segundo consta no Atlas Eólico do Rio Grande do Sul de 2014, estima-se que o potencial eólico a 100 metros de altura, para locais com velocidade média de vento acima de 7 m/s é de até 15 GW, dessa forma confirma-se a presença da energia eólica na matriz energética do RS e também da importância em transformá-la em energia elétrica, diversificando assim a matriz elétrica do estado. Na Figura 1.4 é possível observar que as áreas mais favoráveis de potencial eólico fazem parte do litoral gaúcho, escudo rio-grandense, fronteira oeste, a região de planalto das missões e serra do Rio Grande do Sul. Como mencionado anteriormente, cada região do estado apresenta características próprias em relação ao potencial eólico, além disso, para obter um bom montante de potência elétrica é necessário que bons aerogeradores sejam escolhidos. Para melhorar o desempenho dos aerogeradores, é necessário escolher adequadamente o perfil aerodinâmico das pás das turbinas eólicas, assim como o seu tamanho e espessura.
1.1.1 Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho é realizar um mapeamento das regiões do Rio Grande do Sul que apresentam parques eólicos, onde será levado em consideração o potencial eólico de cada região e quais modelos de aerogeradores estão sendo utilizado. A primeira parte do trabalho consistiu em realizar um mapeamento da energia eólica, bem como as características de cada região e também os parques eólicos existentes. A segunda parte do trabalho consistiu em fazer uma revisão na literatura, em busca dos aerofólios utilizados nas turbinas eólicas existentes no Rio Grande do Sul, no entanto, foi-se deparado com uma enorme dificuldade em obter esses modelos, por se tratar de informações sigilosas dos fabricantes. Tendo isso em vista, foi utilizado apenas um modelo de aerofólio. A proposta inicial era realizar diversas simulações computacionais, escolhendo as regiões propícias para geração de energia proveniente do vento e propor melhorias aos parques eólicos já existentes, aplicando outros modelos de aerofólios para as turbinas, se essas apresentassem um melhor desempenho. No entanto, ao longo da revisão, foi pos- sível perceber que isso não seria possível, devido à falta de informações sobre a parte mecânica dos rotores. Dessa forma, foi optado por seguir a proposta de realizar as simula- ções computacionais, mas com foco em utilizar um único modelo de aerofólio e mudar as características dos locais avaliados, e então analisar quais foram as regiões que tiveram melhor desempenho aplicando o aerofólio escolhido.
Neste capítulo será apresentado uma contextualização do vento e da aerodinâmica, bem como o mapeamento do vento no Rio Grande do Sul. Além disso, também será exposto o funcionamento dos aerogeradores, quais modelos existem e qual será utilizado nas simulações. Por fim, será apresentado o modelo computacional Qblade e o aerofólio escolhido.
Segundo consta em (Dicio, 2012), o vento representa o ar em movimento, que se desloca de uma zona de alta pressão para uma zona de baixa pressão, ou seja, o vento nasce da variação da pressão atmosférica. De acordo (Secretaria de Energia, Minas e Comunicações, 2002), o vento é a resultante da combinação entre a radiação solar e a rotação planetária, pode ser dito que é um mecanismo solar-planetário permanente, dessa forma, entende-se que o vento é uma fonte de energia inesgotável. Por exemplo, o vento está mais presente no litoral do que em outras cidades, de acordo com (Empresa de Pesquisa Energética, 2022), isso ocorre pois o sol aquece a areia da praia ao decorrer do dia, em contrapartida, o mar demora muito mais tempo para aquecer. Dessa forma, o ar frio do mar faz o percurso em direção à praia, gerando então a brisa marítima. Devido a rotação da Terra, o vento está em constante movimento e possui características próprias, como velocidade, umidade e direção. O vento é um fenômeno natural de extrema importância para o desenvolvimento da vida na Terra. Uma das funções importantes do vento, é a de levar o ar frio para o Equador e o ar quente para os polos e assim manter um equilíbrio de temperaturas. Outra função importante do vento é transportar a umidade para diversas áreas, ocasionando chuvas e dessa forma contribuindo para o desenvolvimento da fauna e da flora. Segundo a (Secretaria do Meio Ambiente e Infraestrutura, 2014), é essencial estudar os perfis de vento horizontais e verticais para a energia eólica. O vento apresenta comportamentos distintos em escalas de segundos ou até mesmo de décadas. O vento faz parte da matriz energética mundial e é amplamente utilizado em diversos fins, na antiguidade, esta forma de energia já era empregada nos moinhos de vento ou até mesmo nos barcos movidos à vela. Além disso, a energia proveniente dos ventos também é capaz de gerar energia elétrica, através dos aerogeradores.
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2.1.1 Mapeamento do vento no Rio Grande do Sul
Segundo a (Secretaria do Meio Ambiente e Infraestrutura, 2014), o estado do RS está localizado geograficamente em uma zona de transição climatológica, onde os princi- pais sistemas globais que podem impactar na climatologia são os sistemas intertropicais e extratropicais. Ainda, segundo o Atlas, o Rio Grande do Sul é influenciado pela Baixa do Noroeste Argentino e pela Baixa do Chaco. A interação entre esses dois fenômenos, juntamente com o anticiclone subtropical do Atlântico Sul resulta em ventos com velocidade moderada e com direção predominante leste e nordeste, criando assim, uma climatologia singular e excepcional sobre o estado. Na Figura 2.1 é ilustrado o mapa de potencial eólico do Rio Grande do Sul, destacando as regiões que apresentam ventos intensos, conforme a legenda de cores, também presente na Figura 1.4.
Figura 2.1 – Mapa eólico no Rio Grande do Sul
Fonte: Adaptada de (Secretaria do Meio Ambiente e Infraestrutura, 2014).
Devido à diversidade do recurso eólico no Estado, as regiões apresentam diferentes comportamentos de vento, na Figura 2.2 é apresentado o regime horário e mensal de oito cidades gaúchas. Na Figura 2.2(a), o gráfico apresenta em meses e em horas o comportamento do vento na cidade de Giruá, sendo que a intensidade do vento é representada pela legenda de cores, presente na Figura 1.4. Dessa forma é possível notar que o período que apre- senta um bom potencial de vento é compreendido pelos três últimos meses do ano. Além
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locomoção de barcos à vela. Até que no século 19, começaram a surgir os primeiros sistemas de geração de eletricidade através do vento. (DUTRA, 2008) e (MARQUES et al., 2004) explicam que o primeiro sistema para geração de eletricidade em grande escala foi idealizado e construído por Charles Brush, em 1888. Com um design robusto em madeira, essa turbina eólica era capaz de gerar 12 kW em corrente contínua, com o intuito de alimentar baterias. A Figura 2.3 ilustra a turbina eólica de Brush.
Figura 2.3 – Turbina eólica de Charles Brush
Fonte: (MARQUES et al., 2004).
(MARQUES et al., 2004) explica que os 12 kW gerados pela turbina de Brush, que tinha 17 metros de diâmetro, mostram um baixo desempenho se comparados com as novas turbinas eólicas, ou as de 2004, que são capazes de gerar até 100 kW com esse mesmo tamanho de diâmetro. Atualmente, as turbinas eólicas se dividem em dois tipos: as de eixo horizontal e as de eixo vertical. A Figura 2.4 ilustra os principais componentes, em uma turbina eólica de eixo horizontal. A seguir serão apresentados os principais componentes de uma turbina eólica de eixo horizontal (MARQUES et al., 2004).
a) Anemômetro: mede a velocidade do vento e sinaliza ao controlador.
b) Pás: captam a velocidade do vento e transmitem ao rotor, que irá girar.
c) Freio: garante a segurança da turbina, pode ser mecânico, elétrico ou hidráulico.
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d) Controlador: utilizado na partida e/ou desligamento da turbina.
e) Caixa de engrenagem: conecta o eixo de baixa velocidade no eixo de alta velocidade, assim, aumentando a velocidade rotacional.
f) Gerador: os geradores mais utilizados nas turbinas eólicas são geradores de indução trifásico gaoila de esquilo(GIGE), de indução com rotor bobinado (GIRB), de relutância variável e síncronos (GS).
g) Eixo de alta velocidade: responsável por acionar o gerador assíncrono.
h) Casa de máquinas: também conhecida como Nacelle, abriga a maior parte dos compo- nentes da turbina eólica.
Figura 2.4 – Componentes de uma turbina eólica de eixo horizontal
Fonte: Adaptado de (Hine, 2023).
i) Passo: utilizado para limitar o valor de potência de saída, quando a velocidade do vento é superior à velocidade nominal da turbina eólica.
j) Rotor: espécie de eixo que une as pás da turbina eólica.
k) Torre: a torre pode ser fabricada em aço, treliça ou concreto. Em geral, as torres são altas para que o rotor possa capturar velocidades de vento maiores.
l) Medidor de direção de vento: confere a direção do vento e transmite ao mecanismo de orientação direcional.
