Trabalho 02 Geração Térmica e Renovável

Prévia do material em texto

CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIFANOR | WYDEN
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA DE GERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA E RENOVÁVEL
TRABALHO 02
Aluno: Tarciso Meires Ferreira Lima
Matrícula: 142011521
Turma: 10 5GECT-NT1
Professor(a): Ma. Rebeca Catunda Pereira Machado 
FORTALEZA, 2020
CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIFANOR | WYDEN
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA DE GERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA E RENOVÁVEL
TRABALHO 02
FORTALEZA, 2020
EXERCÍCIO 1: Quais os principais fatores que estão impulsionando o rápido crescimento das energias renováveis nos últimos anos?
i. Grande parte destas fontes é renovável;
ii. Apresentam baixo ou nenhum índice de geração de poluição ambiental;
iii. Embora sejam mais caras para implantar o sistema de geração de energia, em longo prazo, são capazes de gerar economia;
iv. Unidades geradoras podem ser instaladas em áreas de difícil acesso;
v. Diversificação da matriz energética;
vi. Economia e empregos;
vii. Segurança Energética.
EXERCÍCIO 2: Enuncie algumas medidas energéticas para um desenvolvimento sustentável.
Ignacy Sachs, economista polonês, modelou cincos conceitos que formam os pilares para o desenvolvimento sustentável.
a) SOCIAL, identificando que o processo deve se prestar a reduzir as diferenças sociais;
b) ECONÔMICA, visando uma melhor gestão dos recursos financeiros, incluindo-se o fluxo regular de investimento público e privado;
c) ECOLÓGICA, compreendendo o uso dos potenciais inerentes aos variados ecossistemas, compatíveis com sua mínima deterioração;
d) ESPACIAL, que deve evitar a excessiva concentração geográfica de populações, de atividade e de poder;
e) CULTURAL, tendo em vista que o conceito de ecodesenvolvimento deve respeitar as especificidades de cada local, no que tange ao ecossistema e à cultura.
Assim, o desenvolvimento sustentável compreende um conjunto de fatores importantes à realização da dignidade da pessoa humana, entre eles sociais, econômicos, civis, políticos, culturais e ambientais.
EXERCÍCIO 3: Em uma região, foi feita a medição da velocidade do vento e verificou-se que em um minuto, um anemómetro de raio 15 cm executou 300 rotações. Sabe-se que nessa localidade a temperatura é de 30°C e pressão de 100 kPa. Para uma turbina eólica com rotor de 20 m de diâmetro e eficiência de 40%, calcule: 
a) A densidade do ar; 
Sabendo que:
P = 100kPa;
T = 30°C = 303K;
R = 287,053 J/kg*K (Constante do ar).
Temos que:
b) A área varrida pelas pás; 
Sabendo que:
d = 20m;
π = 3,14.
Temos que,
c) A potência disponível do vento; 
Primeiro precisaremos saber a velocidade do vento. Calcularemos pela seguinte fórmula:
v = ω*r
Onde:
n = 300 rpm;
r = 15 cm = 0,15 m;
 = 
Logo,
v = ω*r = 31,4 * 0,15 ≈ 4,71 m/s
Assim, temos que:
d) A potência máxima extraída.
Pextraída = Cpbetz x Pvento = 0,59 x 18,86kW ≈ 11,13 kW 
e) A potência possível da turbina. 
Logo,
Pturb = Cp x Pvento = 0,40 x 18,86 kW = 7,544kW
Exercício 4: Em Fortaleza, deseja-se instalar um parque eólico com aerogeradores de 70 m de altura, com rotor de raio 15 m e coeficiente aerodinâmico igual a 0,25. Para isso, foi feita a medição da velocidade do vento na areia a 20 m de altura com um anemômetro que indicou 8 m/s em uma zona com temperatura de 20°C. Esse parque eólico irá suprir a necessidade de energia elétrica de toda a comunidade que consome em média 4 MW. A partir dos dados acima, determine:
a) A velocidade e a potência do vento;
De acordo com a tabela abaixo, temos que o valor para a rugosidade referente a areia será de:
Temos que o valor da rugosidade valerá:
α = 0,10
Logo,
Área varrida pela pá:
A = π *r² = 3,14 * 15² = 706,5 m²
Potência do vento:
b) A potência de uma turbina;
c) O número de turbinas necessárias no parque eólico. 
Necessitará de 52 turbinas de médio porte para suprir a demanda de 4MW da cidade.
Exercício 5: As turbinas eólicas são classificadas de acordo com a orientação do seu eixo em turbinas horizontais e verticais. Descreva esses dois tipos de turbinas, fazendo comparações, citando exemplos e explicando as principais diferenças entre elas.
As turbinas eólicas horizontais são o tipo de turbinas mais comuns para turbinas eólicas de grande e baixo porte devido à sua alta eficiência, investimento tecnológico e custo benefício. Estes tipos de turbinas são usadas principalmente em regiões agrícolas e com poucos obstáculos, como prédios ou árvores, pois requerem vento mais laminar ou pouco turbulento.
Geralmente o número de pás que encontramos neste tipo de turbinas são 3 . Mas por quê? Idealmente uma turbina eólica necessita ter de 1 a 4 pás para garantir a melhor eficiência. Contudo, com apenas uma pá teríamos problemas com o balanceamento da turbina e as vibrações a longo prazo poderiam destruir nossa pá. Com uma ou duas pás a turbina giraria muito rápido, o que causaria problemas, como ruído excessivo e esforços mecânicos altos causados pelo efeito da força centrífuga. Com 4 pás o ganho de eficiência comparado à turbina de 3 pás seria muito baixo e acrescido do investimento de ter mais uma pá. Esses são motivos que fazem com que a turbina de 4 pás seja pouco comum.   
 O material das pás geralmente é de fibra de vidro devido ao fato de que uma das características fundamentais de uma pá é ser leve, resistente e durável.
Também de fibra de vidro encontramos a carenagem e o cone, os quais além de melhorar o desempenho aerodinâmico do vento projetada ao redor da turbina, também ajudam a proteger os componentes internos do aerogerador.
Uma outra característica essencial deste tipo de turbinas é a necessidade de posicionar a turbina sempre no sentido do vento. Para as turbinas eólicas de pequeno porte, o posicionamento é feito de forma passiva, ou seja, a própria turbina tem a tendência de seguir ao vento sem a necessidade de uma cauda (sistemas downwind), mas em alguns casos se adiciona a dita cauda para evitar turbulências que a torre e a carcaça podem causar sobre as pás (sistemas upwind).
O anel coletor é outra peça importante e indispensável em uma turbina eólica horizontal. Para explicar o porquê, devemos imaginar o que aconteceria se o cabo elétrico que estaria conectado ao gerador de imãs permanentes girasse junto com o gerador eólico buscando sempre o vento. Pois bem, o cabo ficaria enrolado tentando seguir a turbina, o que em algumas horas ou dias provocaria o mal funcionamento do sistema. Mas o que é um anel coletor? Um anel coletor tem basicamente duas partes principais, uma escova e um anel, e o contato dos dois gera uma corrente elétrica. Assim podemos por exemplo, deixar o anel girando junto com a turbina e as escovas fixas na torre, o que dispensa o uso de cabos para transferir energia da turbina à torre.
Não existe um padrão ou formato definido de turbinas eólicas verticais, basicamente o que possuem em comum são as pás girando no mesmo plano que o chão. A razão de ter tantos modelos com diferentes e variadas geometrias se dá porque existe menos informação e pesquisa nessa área, o que motiva os fabricantes e empreendedores a inovar.
 Conforme estatísticas da WWEA no mercado mundial são usadas mais turbinas eólicas horizontais que verticais, sendo que 1 de cada 5 fabricantes manufatura turbinas do tipo vertical. O motivo principal da diferença são as vantagens no rendimento e custo-benefício das turbinas eólicas horizontais em regiões agrícolas, onde as turbinas verticais são menos eficientes conforme explicaremos adiante.
 Turbinas eólicas verticais são usadas principalmente por ter um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitir baixos níveis de ruído em comparação às turbinas eólicas de eixo horizontal. Não menos importante, a estética desse tipo de turbina pode ser mais atrativa. Por essas razões esse tipo de aerogeradores são considerados mais apropriados para regiões urbanas ou semiurbanas.
Existem também três tipos principais de turbinas eólicas de eixo vertical:
· Darrieus: São turbinas com perfil aerodinâmico desenhado deforma semelhante às asas dos aviões, criando sustentação para se movimentarem e gerar energia. Os aerogeradores Darrieus são mais eficientes que as turbinas do tipo Savonius;
· Savonius: A força predominante neste tipo de geradores é a força de arrasto, ou seja, as turbinas giram predominantemente pela pressão do ar sobre as pás. As turbinas Savonius são geralmente mais baratas e começam a girar a uma velocidade mais baixa em relação a outros tipos de turbinas eólicas, porém é o tipo de turbina eólica menos eficiente tomando em consideração a área de captação de energia e a produção anual da mesma;
·  Darrieus-Savonius: Turbina eólica híbrida com os sistemas Darrieus e Savonius acoplados ao mesmo eixo, os quais segundo os fabricantes usam as vantagens de cada um dos tipos de turbina.
As desvantagens de uma turbina eólica de eixo vertical são:
· Menor desempenho comparado a uma turbina eólica de eixo horizontal;
· As torres de sustentação são baixas, diminuindo o aproveitamento de maiores velocidades do vento;
· Dependendo do fabricante a manutenção pode ser difícil e cara, por exemplo no caso onde as pás são fabricadas em alumínio, se apresentam problemas estruturais a longo prazo devido a esforços por fadiga. Também tem se relatado casos onde o rolamento superior quebra, e em ditos casos a troca do acessório pode ser complexa;
· A modelagem matemática (aerodinâmica) é muito complexa dificultando o desenho.
Exercício 6: Cite os principais componentes de um aerogerador e comente as
caraterísticas e funções de cada um.
Fonte: Atlantic Energias Renováveis
Para gerar energia limpa por meio dos ventos, os parques contam com a importante tecnologia dos aerogeradores. Conheça seus componentes básicos:
· Torre: Estrutura responsável por fornecer sustentação e posicionamento do rotor e nacele. As torres podem ser cônicas (de aço ou concreto) ou treliçadas (aço galvanizado);
· Rotor:  Popularmente conhecido como “nariz” do aerogerador, compreende as pás e o cubo (hub), onde, as mesmas são fixadas. O eixo do aerogerador pode ser horizontal ou vertical. Possuem de 60 a 150 metros de diâmetro. Dessa maneira, quanto maior o rotor, maior a capacidade de produção de energia do aerogerador;
· Pás: As pás são perfis aerodinâmicos geralmente feitas com um material leve e resistente (resina epóxi ou poliéster reforçado com fibra de vidro e/ou carbono);
· Nacele: Componente que fica no topo da torre do aerogerador. Em seu interior, estão abrigados a caixa de multiplicação, o gerador, o transformador, entre outros. Este item exige uma logística especial de transporte e montagem, pois pode pesar mais de 100 toneladas;
· Caixa de multiplicação (transmissão): Em inglês, denominada gear box e também conhecida como caixa de engrenagens, é responsável por aumentar a rotação proveniente do rotor. Esta parte pode pesar mais de 30 toneladas;
· Gerador: Instalado no interior da nacele, converte a energia mecânica de rotação das pás em energia elétrica. Pode ser do tipo síncrono (velocidade de rotação igual a frequência de alimentação) ou assíncrono (velocidade de rotação diferente da frequência de alimentação);
· Anemômetro: Instrumento meteorológico localizado na parte superior e externa da nacele, com a função de medir a velocidade instantânea do vento local. Ele é feito de plástico com fibra de carbono reforçado e possui três copos;
· Biruta (sensor de direção): Também conhecida como windvane, é um item meteorológico posicionado do lado do anemômetro, cuja finalidade é medir a direção instantânea do vento incidente. Dessa maneira, é acionado um motor, chamado de yaw que gira a nacele para rastrear a direção predominante do vento, e assim, otimizar a produção energética da máquina;
· Cubículo (switchgears): Instalado próximo ao nível do solo e isolado a ar ou a hexafluoreto de enxofre (SF6), possui função de proteção e manobra. Os cubículos recebem os cabos subterrâneos de entrada do aerogerador e interligam com o gerador e o transformador (se existente) na nacele.
Exercício 7: Um aerogerador fabricado na China pela Goldwind GW 70 – 1500kW tem as seguintes características:
· Velocidade mínima admissível do vento = 2,5 m/s;
· Velocidade máxima admissível do vento = 25 m/s;
· Velocidade nominal do vento = 14 m/s;
· Área varrida = 3882 m2;
· Densidade: 1,2 kg/m3;
· Velocidade mínima do rotor: 10,2 rpm;
· Velocidade máxima do rotor: 19 rpm.
Considerando a relação de velocidade periférica (específica) de 5, para qual
velocidade do vento, 8 m/s ou 13 m/s, esse aerogerador irá funcionar melhor? Justifique.
Raio das pás:
· Para v = 8m/s:
Velocidade angular:
Velocidade do rotor:
Potência do vento:
Máxima potência extraída:
Pbetz = 0,59*Pvento = 0,59 * 1192,55k = 703,6kW
· Para v = 13m/s:
Velocidade angular:
Velocidade do rotor:
Potência do vento:
Máxima potência extraída:
Pbetz = 0,59*Pvento = 0,59 * 5117,25k = 3019,19kW
Logo, o aerogerador funcionará melhor com uma velocidade de vento igual a 13 m/s pois, conseguirá extrair uma potência de aproximadamente 3,02 MW enquanto que com uma velocidade de vento igual a 8 m/s somente conseguirá extrair uma potência de aproximadamente 0,704 MW. 
Portanto, com velocidade do vento a 13 m/s o aerogerador terá um rendimento de potência de 23,30% superior em relação a velocidade do vento a 8 m/s.