APS - Aerogerador 2022

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UNIVERSIDADE PAULISTA DE SOROCABA - UNIP
INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA - ICET
ENGENHARIA MECÂNICA
EMERSON BARROS DE OLIVEIRA
ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA:
AEROGERADOR
Sorocaba/SP
2022
EMERSON BARROS DE OLIVEIRA
ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA:
AEROGERADOR
Projeto semestral apresentado à Universidade Paulista de Sorocaba, como exigência parcial para obtenção o título de engenheiro em Engenharia Mecânica, sob orientação do Professor: Dr ALESSANDRO JORDÃO
Sorocaba/SP
2022
ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA:
AEROGERADOR
Projeto semestral apresentado à Universidade Paulista de Sorocaba, como exigência parcial para obtenção o título de engenheiro em Engenharia Mecânica, sob orientação do Professor: Dr ALESSANDRO JORDÃO
Aprovado em: 
BANCA EXAMINADORA
 _______________________/__/___ 
Prof. – UNIP 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
1.	FIGURA 1: CÁLCULO TURBINA 	18
2.	FIGURA 2: CROQUI 	20
3.	FIGURA 3: PROTÓTIPO EM 2D	21
4.	FIGURA 4: PROTÓTIPO EM 3D 	22
5.	FIGURA 5: PROTÓTIPO EM 3D – VISTA FRONTAL 	23
6.	FIGURA 6: EQUIPAMENTOS PARA FABRICAÇÃO DO DÍNAMO 	24
7.	FIGURA 7: FABRICAÇÃO DAS PÁS EÓLICAS	25
8.	FIGURA 8: FUROS PARA ACOPLAMENTOS DAS PÁS 	25
9.	FIGURA 9: MATERIAIS – PÁS EÓLICAS E ESTRUTURA 	26
10.	FIGURA 10: ACOPLAMENTO DAS PÁS 	26
11.	FIGURA 11: ESTRUTURA DE PVC 	27
12.	FIGURA 12 – PLACA DE LED 	28
13.	FIGURA 13 – FINALIZAÇÃO 	29
LISTA DE Tabelas
	
1.	TABELA 1: VALORES GASTOS	17
RESUMO
O trabalho demonstra a realização do projeto, relacionado com as disciplinas Projetos de Máquinas, Máquinas de fluxo, o qual foi realizado pelos alunos do 8º semestre do curso de bacharelado em engenharia mecânica da Universidade Paulista (UNIP) – campus Sorocaba. Como uma alternativa de geração de energia não poluente, levando em consideração a necessidade de conscientização dos impactos ambientais causados pela humanidade ao longo do tempo, a energia eólica vem se mostrando cada vez mais uma forma de energia eficiente e limpa. O aerogerador nada mais é do que um equipamento que consegue converter a energia do vento em energia elétrica, uma vez que o processo utiliza uma fonte de energia inesgotável e renovável.
	
Palavras chaves: Aerogerador; energia renovável; energia eólica;
ABSTRACT
The work demonstrates the realization of the project, related to the subjects Machine Design, Flow Machines, which was carried out by the students of the 8th semester of the bachelor degree course in mechanical engineering at Universidade Paulista (UNIP) - Sorocaba campus. As an alternative for clean energy generation, taking into account the need to raise awareness of the environmental impacts caused by humanity over time, wind energy is increasingly becoming a form of efficient and clean energy. The wind turbine is nothing more than a piece of equipment that can convert wind energy into electrical energy, since the process uses an inexhaustible and renewable energy source.
Keywords: Wind turbine; renewable energy; wind energy;
SUMÁRIO
RESUMO	5
ABSTRACT	6
1	INTRODUÇÃO	9
1.1.1	Objetivo geral	9
1.1.2	Objetivo específico	10
1.2	Justificativa	10
2	REVISÃO BIBLIOGRÁFICA	11
2.1	História do uso da energia eólica 	Erro! Indicador não definido.
2.1.1	No Brasil	Erro! Indicador não definido.2
2.1.2	Potencial eólico no Brasil	Erro! Indicador não definido.
2.1.3	Capacidade instalada	Erro! Indicador não definido.3
2.1.4	Energia eólica no mundo	Erro! Indicador não definido.
3	MÉTODOS E MATERIAIS	Erro! Indicador não definido.
3.1	Funcionamento e padrões	Erro! Indicador não definido.
3.2	Instrumentos	14
3.2.1	Itens de segurança	14
3.3	Materiais	14
3.4	Orçamento	16
3.5	Construção	17
3.5.1	Cálculos	17
3.5.2	Desenho do protótipo	20
3.5.3	Fabricação do protótipo	Erro! Indicador não definido.4
4	RESULTADOS E DISCUSSÃO	30
5	CONCLUSÃO	31
REFERÊNCIAS	332
6	FICHA INTEGRANTES	33
7	FICHAS APS	35
INTRODUÇÃO 
Neste trabalho apresentaremos um protótipo de um aerogerador para se obter energia elétrica através do vento, o qual é um equipamento gerador de energia elétrica acoplado ao eixo de um cata-vento. Se popularizou muito rápido por ser um equipamento de fonte renovável e não poluente. Apesar disso veremos que a geração da energia eólica ainda é muito pequena em relação a energia elétrica consumida pelo mundo e que apesar de ser renovável e não poluente geram impacto ambientais.
Veremos qual é a objetividade do projeto e também a história da energia eólica, assim como seu uso e seu potencial, onde indicaremos fatores que indicam os seus prós e contras. Cálculos de rendimento, materiais utilizados, o passo a passo para sua construção e posteriormente o seu funcionamento. 
E serão apresentados os cálculos da energia que o protótipo é capaz de gerar, assim como também todo o processo de fabricação e montagem do mesmo, finalizando com a explicação do porquê escolhemos esse projeto e uma conclusão da experiência, conhecimento e aprendizado que obtivemos ao decorrer deste projeto.
1.1	Objetivos
Objetivo geral
Pretende-se, como objetivo principal, projetar um gerador de energia eólica, aplicando os conceitos de um aerogerador, da conversão da energia obtida através da força do vento em energia elétrica e mecânica (estudados na matéria de Máquinas de Fluxo), dos processos de fabricação (visto na matéria de Projetos de máquinas) e os resultados e aplicação da energia elétrica, seguindo as normas de construção pré-estabelecidas.
Objetivo específico
a) pesquisar o conceito de um aerogerador, visando os métodos construtivos de forma simplificada e que atinja uma boa eficiência;
b) fazer um esboço do projeto (croqui), afim de estabelecer as medidas a serem utilizadas e os ajustes necessários;
c) fazer pesquisa de orçamento para ser o mais acessível e que se adeque a questões ambientais;
d) construir de forma simples e sem desperdício de materiais.
Justificativa
Esta atividade tem como finalidade desenvolver cálculos e métodos de construção, viabilizando uma melhor eficiência, e tornando o aerogerador resistente e com uma alta qualidade. O êxito do projeto vem da união da equipe, que através de vários testes, escolheu a solução mais segura e viável, de acordo com as regras de montagem estabelecidas.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
História do uso da energia eólica
A energia eólica resumidamente é a energia obtida através de captação da movimentação do ar. As primeiras utilizações desse tipo de energia foram na moagem e no bombeamento de agua.
Através de equipamentos eletromecânicos é possível transformar a movimentação do ar em energia elétrica, o principal componente utilizado nesse processo é o aerogerador. Ele é estruturado por uma torre de sustentação, um gerador elétrico e um conjunto de pás que são responsáveis pela captação do vento e acionamento do gerador elétrico. 
Para a escolha do aerogerador mais adequado devemos levar em consideração e analisarmos alguns fatores importante como por exemplo, a aplicação de utilização bem como o clima do local onde será instalado o equipamento. 
É importante ressaltar que devido a demanda atual do mercado essa utilização de energia se torna um diferencial levando em consideração a questão ambiental que tanto preocupa nossa sociedade atual.
Como qualquer outro tipo de tecnologia de geração de energia a eólica não é diferente, portanto também possui seus prós e contras.
Prós:
· Transformação limpa do recurso energético natural;
· Não produz resíduos poluentes;
· Pouca manutenção;
· Distribuição facilitada;
· Eletrificação em regiões remotas;
Contras:
· Poluição visual;
· Poluição sonora;
· Recurso eólico apresenta variações, não fonte constante;
· Baterias com baixa durabilidade;
No Brasil
No Brasil a energia eólica é pouco explorada, sendo possível considera-la recente. 
A capacidade instalada no Brasil no ano de 1997 era de apenas 3MW. Realizando uma comparação com o restante do mundo o percentual seria menos de 0,03%.
No ano de 2002as instalações brasileiras já apontavam um crescimento significativo de 733% chegando a 22MW, mas ainda assim, representava um aproveitamento baixo.
A grande mudança que acabou se tornando um incentivo foi a lei nº 10.438, de 26 de abril de 2002 que criou o PROINFRA que ficou designada para distribuir incentivos aos empreendedores da área de geração de energia elétrica vinda de fontes renováveis. Com o auxílio do PROINFRA a expetativa esperada para o ano de 2011 foi de uma capacidade de 585,5 MW, levando a um crescimento considerável de 2.659% comparado ao ano de 2002	
Potencial eólico no Brasil
A utilização desse tipo de energia está relacionada diretamente ao potencial disponível em cada região. No caso do Brasil a condição geográfica é extremamente favorável para a utilização desse tipo de energia. Vários estudos foram realizados e assim foi verificado que o Brasil tem um potencial de ordem 143 GW (Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, feito em 2001), para que fosse possível uma comparação em termos de capacidade de produção, tendo como resultado da pesquisa a equivalencia a dez usinas de Itaipu. A região sul com aproximadamente 22,8 GW e o Nordeste com aproximadamente 75GW foram as regiões que tiveram destaque pelo alto potencial de geração de energia.
Um ponto muito importante que é extremamente favorável e que justifica o investimento nessa tecnologia é a questão climática, no período com maiores quantidades de vento coincidem justamente com o período das secas, onde os reservatórios se encontram com níveis baixos. Com a utilização da energia eólica acaba nessa situação é possível reduzir o despacho de energia das plantas de hidrelétricas, sendo possível assim a manutenção dos reservatórios em níveis seguros.
Capacidade instalada
No ano de 2008 o Brasil já possuía dezessete centrais eólicas em operação, com capacidade de produção de 272.650 kW. Atualmente, estão em construção outras vinte e duas centrais já outorgadas, mas ainda não iniciadas, e outras cinquenta que estão em operação, com objetivo da elevação de produção para 3.137.503 kW.
0. Energia eólica no mundo 
A energia eólica é já é muito utilizada no mundo, principalmente na Europa e Estados Unidos. No ano de 1990 a capacidade instalada no mundo era inferior a 2.000 MW, no fim de 2002 as instalações já tinham capacidade de 32.000 MW. De 2002 até os dias atuais o crescimento anual desse mercado tem uma média de 3.000 MW ao ano de potência instalada. A expectativa da Associação Europeia de Energia Eólica (EWEA) é que até 2020 a energia eólica já supra 10% de toda energia elétrica consumida em nível mundial.
Nos últimos anos o pais que vem demonstrando o maior incremento na capacidade instala é os Estados Unidos, o grande incentivo vem sendo feito através das políticas públicas, via créditos tributários e fundos para investir em tecnologia. O resultado destas iniciativas é o amadurecimento e desenvolvimento na indústria deste setor que também tem maior destaque em exportação em nível mundial de máquinas e equipamentos para a instalação de parques eólicos.
MÉTODOS E MATERIAIS
Funcionamento e padrões 
O principal objetivo foi o desenvolvimento de um aerogerador, assim como o funcionamento correto do mesmo, dentro do possível e dos padrões estabelecidos e fatores de segurança. Para isso foram utilizadas medidas específicas, como o tamanho das pás eólicas, para que houvesse uma boa área de captação do vento, o peso do equipamento, para uma boa estabilização, além das ferramentas e acessórios previamente selecionados para o melhor rendimento possível do equipamento.
Instrumentos
A execução do projeto demandou a utilização de algumas ferramentas são elas:
· Estilete;
· Segueta; 
· Furadeira;
· Alicate;
· Alicate de pressão. 
Itens de segurança
Para a execução desse protótipo, por segurança, foram utilizados:
· Óculos de proteção;
· Luvas anti corte;
· Protetor auricular 
Para a manipulação da furadeira foi utilizado os óculos de segurança para evitar a projeção de partículas, e no manuseio do estilete foram utilizadas luvas anti corte para evitar o risco de corte. 
Materiais
Os materiais utilizados foram escolhidos de forma que o projeto ficasse mais rentável, por ser apenas um protótipo, o mais interessante é que seja barato e eficaz, dentro do possível.
· Cola bisnaga tigre;
· Parafusos 3/16;
· Parafusos drywall/fang;
· Parafuso Phil AA 4,8x38;
· Anéis de vedação;
· Cap de esgoto 50mm e 100mm;
· Redução Excent Esgoto 100x50mm;
· Tê Curto Tigre Esgoto 100x50mm;
· Tubo PVC 100mm.
· Bomba 3v (aquário)
Orçamento
Somente foram listados abaixo os materiais que foram necessários comprar, o restante foi reaproveitado.
Tabela 1: Valores gastos
	ITEM
	QTDE
	VALOR
	TOTAL
	Cola bisnaga tigre 
	1 uni
	R$ 06,30
	R$ 06,30
	Parafuso 3/16
	1 pac
	R$ 01,75 
	R$ 01,75
	Parafuso drywall flang/agulha
	1 pac
	R$ 01,50 
	R$ 01,50
	Parafuso Phil AA 4,8x38
	1 pac
	R$ 02,20
	R$ 02,20
	Anel vedação bor 50
	1 pac
	R$ 1,50
	R$ 01,50
	Anel vedação bor 100
	2 pac
	R$ 03,00
	R$ 06,00
	Cap Esgoto 100 mm
	1 uni
	R$ 07,93
	R$ 07,93
	Cap Esgoto 50 mm
	1 uni
	R$ 04,20
	R$ 04,20
	Redução Excent Esgoto 100x50mm
	1 uni
	R$ 14,20
	R$ 14,20
	Tê Curto Tigre Esgoto 100x50mm
	1 uni
	R$ 14,50
	R$ 14,50
	Tubo PVC 100mm
	1 uni
	R$ 18,60
	R$ 18,60
	 
	 TOTAL GERAL 
	R$ 78,68
				Fonte: Microsoft Office Excel 2007
Construção
Cálculos
Como o protótipo foi construído sem fins lucrativos, e apenas com a ideia da exposição da fabricação de um aerogerador e sua produção de energia eólica, os cálculos foram somente necessários para o funcionamento do equipamento, seguindo a lei de Betz, além de projeções feitas na prática e na leitura de equipamentos de medição.
Também, por ser um protótipo em sua forma reduzida, sem a possibilidade de instalação do mesmo em algum campo, não foram feitos cálculos de potencial eólico do local, utilizando como fonte de vento um ventilador, com uma média de 3m/s de velocidade do vento.
Um aerogerador consiste num gerador elétrico movido por uma hélice, que por sua vez é movida pela força do vento. A hélice pode ser vista como um motor a vento, cuja a quantidade de eletricidade que pode ser gerada pelo vento depende de quatro fatores:
· Da quantidade de vento que passa pela hélice;
· Do diâmetro da hélice;
· Da dimensão do gerador;
· Do rendimento de todo o sistema.
Cálculo da quantidade de Energia disponível no vento:
Pv = (ρ .A.v³)/2
Sendo:
 Pv = Potência do vento, ρ = densidade do ar(1,225kg/m³ a 15graus Celsius e 1atm), A = área de atuação(π.D²/4) e v = velocidade do vento(3m/s);
Logo: Pv = (1,225.(π.0,6/4).3³)/2 = 7,8kW
Cálculo da Energia extraída pela turbina (figura1):
Figura 1: Cálculo turbina
Fonte: Entendendo a Engenharia
Ec1 = (m.v1²)/2 e P1 = (Qm.v1²)/2
Ec3 = (m.v3²)/2 e P3 = (Qm.v3³/2
sendo: Ec = energia cinética, m = massa, v = velocidade do ar, Qm = vazão mássica, e P = Potência
Como a potência extraída nada mais é do que a diferença entre a potência de entrada e a de saída, temos:
Pe = ½.Qm(v1²-v3²)
Como Qm = ρ.A.v2, temos:
Pe = ½.ρ.A.v2.(v1²-v3²)
Para achar o valor de v2 (esse desconhecido, devido a falta de equipamento de medição), seguimos o limite de Betz, que diz que v2= (v1+v3)/2
Logo: 
Pe = ¼.ρ.A.(v1+v3).(v1²-v3²)
Com isso temos que:
Pe = ¼.1,225.(π.0,6²/4).(3+2,4).(3²-2,4²)
Pe = 2,5kW
Cálculo do rendimento:
N = Potência Util/Potência do vento
Logo: 
N = 2,5/7,8 = 0,32, ou 32%
Lembrando que todos os cálculos foram feitos baseados em projeções dos testes práticos.
Desenho do protótipo 
Após diversas reuniões com o grupo e discussões a respeito de questões como: segurança, sustentabilidade, economia, eficiência e representação, optou-se pela criação do projeto de um aerogerador, o qual apresentou os melhores níveis acerca desses temas pré-estabelecidos.
Com o projeto a ser criado já definido iniciou-se a fase decriação do desenho do protótipo, o qual de início, com base em estudos teóricos e análise de vídeos, foi feito através de um croqui (figura2), para que fossem feitos os ajustes necessários.
Figura 2: Croqui
Fonte: Imagem própria
Após feito o croqui do protótipo e a análise de possíveis ajustes (tamanho, encaixe), iniciou-se a construção do mesmo em um software de desenho (AutoCAD), demonstrado na figura 3.
Figura 3 – Protótipo em 2D
Fonte: AutoCAD 2014 Autodesk Educational Product
Através do estabelecimento das cotas na vista frontal, pode-se analisar de forma mais clara como ficariam os encaixes dos canos.
Para uma melhor visualização do projeto final, foi feito também o desenho em 3D do protótipo em software de desenho (SketchUp), como mostrado nas figuras 4 e 5.
Figura 4: Protótipo em 3D
Fonte: Google SketchUp Make/Kerkythea 2008
Figura 5: Protótipo em 3D – Vista Frontal
Fonte: Google Sketchup Make/Kerkythea2008
Fabricação do protótipo 
Com os desenhos do protótipo concluídos, iniciou-se a processo de fabricação, o qual foi registrado por meio de fotos, que poderão ser conferidas a seguir.
Primeiramente, o foco foi na construção do dínamo, utilizando um motor de ventilador e na implantação da hélice no mesmo, para que fosse possível a realização de testes sobre o funcionamento correto do equipamento (figuras 6, 7, 8, 9 e 10).
Figura 6: Equipamentos para fabricação do dínamo
Fonte: Figura própria/2022
Figura 7: Fabricação das pás eólicas
Fonte: Figura própria/2022
Figura 8: Furos para o acoplamento das pás eólicas
Fonte: Figura própria/2022
Figura 9: Materiais – pás eólicas e estruturas
Fonte: Figura própria/2022
Figura 10: Acoplamento das pás
Fonte: Figura própria/2022
Após feito o acoplamento das pás, a fabricação do dínamo, e a verificação do funcionamento correto do equipamento, iniciou a fabricação da estrutura com os canos de PVC (figura 11).
Figura 11: Estrutura em PVC
Fonte: Figura própria/2022
Também foi feita a instalação de uma placa de leds (figura 12) para que comprovasse a geração de corrente elétrica.
Figura 12: Placa de led
Fonte: Figura própria/2022
Com isso, só foi necessário fazer a instalação do dínamo com as pás e foi finalizado o protótipo (figura 13).
Figura 13: Finalização
Fonte: Figura própria/2022
resultado e discussão 
No projeto elaborado foi feito um croqui (esboço) de como ficaria o protótipo finalizado, o que permitiu fazer os ajustes necessários ao longo da fabricação do mesmo. Questões como comprimento, encaixes e melhor modo de fabricação dos componentes (pá eólica, dínamo, estrutura) puderam ser ajustadas e organizadas de forma que se conseguisse a maior captação de energia. Durante a construção foram encontradas dificuldades, sendo elas: 
· O encaixe do gerador de forma que o mesmo conseguisse uma fixação adequada sem que atrapalhasse a sua movimentação
· Realizar as conexões e acoplamento da parte superior 
· Realizar as conexões e acoplamento da parte inferior
· Fabricação de componentes 
· Realizar a instalação da parte elétrica para captação da energia. 
Os ajustes feitos tiveram êxito, fazendo com que o mesmo funcionasse perfeitamente e dentro do esperado. 
CONCLUSÃO
Conclui-se que, com o trabalho em equipe e uma boa organização, é possível a realização de um projeto trabalhoso. Após vários dias de montagem, vários testes e ajustes feitos, a finalização do aerogerador aconteceu dentro do esperado. Houveram alguns imprevistos e dificuldades, que foram contornados com a ajuda e empenho de todos. Ao final o grupo ficou satisfeito com o resultado.
A adoção desse tipo de atividade no curso de engenharia é muito interessante, pois mostra como será no futuro profissional, e dá um certo direcionamento para o aluno. Além de que é muito importante para testar e pôr em prática os conhecimentos adquiridos até o presente semestre, fazendo a utilização de cálculos e métodos específicos.
REFERÊNCIAS 
INDÚSTRIA HOJE. O que é energia eólica?. Disponível em: <https://industriahoje.com.br/energia-eolica>. Acesso em: 20 mar. 2022
MUNDO DA ELÉTRICA. Gerador eólico, como funciona?. Disponível em: <https://www.mundodaeletrica.com.br/gerador-eolico-como-funciona/>. Acesso em: 20 mar. 2022
NOCTULA. Energia eólica – como funciona um aerogerador. Disponível em: <http://noctula.pt/aerogerador-energia-eolica-vento/>. Acesso em: 20 mar. 2022.
PORTAL ENERGIA. Como funciona um aerogerador. Disponível em: <https://www.portal-energia.com/funcionamento-de-um-aerogerador/>. Acesso em: 20 mar. 2022
TECNOGERA. O que é e como funciona um aerogerador?. Disponível em: <https://www.tecnogera.com/blog/o-que-e-e-como-funciona-um-aerogerador>. Acesso em: 20 mar. 2022