Monografia-Dimensionamento de Uma Turbina Eolica

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AGRADECIMENTOS
Dedico os meus sinceros agradecimentos:
Ao Deus de Abraão Isaac e Jaco, acima de tudo, e antes de tudo, por me dar vida, ensinar a ser obediente, e temente, pois este é o princípio da sabedoria. 
Aos familiares, amigos conhecidos que sempre estiveram nos piores e melhores momentos durante a minha formação académica.
Ao docente Prof. Dr. Rolando Dela Rosa, pela orientação, incentivo e amizade;
Aos demais docentes, e funcionários da Universidade Zambeze, em especial aos do Departamento de Engenharia Mecatrónica.
RESUMO
A energia eólica é vista hoje, como uma das principais fontes alternativas de energia e com perspectivas de gerar quantidades substanciais de energia, sem causar os impactos ambientais provocados por grande parte das fontes convencionais, principalmente, em locais onde é difícil o acesso à rede eléctrica convencional e que estão distantes dos grandes centros urbanos. 
Este trabalho propõe adoptar a energia eólica como alternativa de geração de energia eléctrica para atender à actividade pesqueira de algumas comunidades de pescadores da praia de Savane (Dondo). O trabalho tem como objectivo dimensionar um gerador eólico de pequeno porte e custo baixo, que possa servir como módulo ou unidade de geração de energia eléctrica para a comunidade de pescadores. 
Tendo como ponto de partida a análise aerodinâmica das pás, o qual são o principal componente do sistema eólico por serem os responsáveis por captar a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica. E em seguida o cálculo projectivo do veio principal, e no último estágio da turbina se encontra o gerador, dimensionado para atender as condições previamente estabelecidas no projecto. 
Palavras Chaves: Aerogerador, Energia Eólica, Pás. 
ABSTRACT
Wind energy is seen today as one of the main alternative sources of energy and with prospects of generating substantial amounts of energy without causing the environmental impacts caused by a large part of conventional sources, especially in places where it is difficult to access the electricity grid conventional and distant from large urban centers.
This work proposes to adopt wind energy as an alternative to generate electricity to meet the fishing activity of some communities of fisherman on the beach of savane (Dondo). The objective of this work is to design a small wind generator with low cost, which can serve as a module or unit of electricity for the fishing community.
Starting from the aerodynamic analysis of blades, which are also called propellers, they are the main component of the wind system because they are responsible for capturing the kinetic energy of the wind and transforming it into mechanical energy. And then the projective calculation of the main shaft, which should be subject to stresses due to several factors, and the last stage of the turbine is the generator, sized to meet the conditions previously established in the project.
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS	I
RESUMO	II
ABSTRACT	III
LISTA DE TABELAS	IX
LISTA DE SÍMBOLOS	X
LISTA DE SIGLAS E ACRÔNIMOS	XII
1.0 INTRODUÇÃO	- 13 -
1.1 JUSTIFICAÇÃO	- 14 -
1.3 DELIMITAÇÃO DA PESQUISA	- 15 -
1.4 RELEVÂNCIA	- 16 -
1.5 VIABILIDADE	- 17 -
1.6 PROBLEMATIZAÇÃO	- 18 -
1.7 CONTEXTUALIZAÇÃO HISTÓRICA	- 19 -
1.8 OBJECTIVOS	- 21 -
1.8.1 GERAL	- 21 -
1.8.2 ESPECÍFICOS	- 21 -
1.9 METODOLOGIA	- 22 -
1.10 HIPÓTESES	- 23 -
2.0 O VENTO	- 24 -
2.2 VELOCIDADE DO VENTO	- 25 -
2.2.1 Lei exponencial de Hellmann	- 26 -
2.2.2 Energia útil do vento	- 27 -
2.2.3 Representação estatística do vento	- 29 -
2.1.3.1 Fator de distribuição de forma	- 29 -
2.1.3.2 Distribuição de Rayleigh	- 30 -
2.1.3.3 Distribuição de Weibull	- 32 -
3.0 TURBINAS EÓLICAS	- 34 -
3.1 Principais Componentes	- 34 -
3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS AEROGERADORES	- 36 -
3.2.1 Aerogeradores de Eixo Vertical	- 36 -
3.2.2 O Aerogerador Savonius	- 36 -
3.2.3 Aerogeradores de Eixo Horizontal	- 38 -
3.2.3.1 Classificação dos Aerogeradores Horizontais	- 38 -
3.2.3.1.2 Vantagens dos Aerogeradores Horizontais	- 39 -
4.0 ANÁLISE AERODINÂMICA DAS MAQUINAS EÓLICAS	- 39 -
4.1 Disco Atuador e Teoria de Momento Linear	- 40 -
4.2 Disco Rotor	- 45 -
4.2 Cilindro de Vórtices	- 50 -
4.3 Teória do Elemento de Pá	- 51 -
4.4 Teória do Momento de Elemento de Pá	- 53 -
4.5 Acção do vento sobre o perfil, potência útil e rendimento	- 55 -
4.5.1 Pás perfiladas	- 55 -
4.5.2 Ângulos da corda	- 55 -
4.5.3 Forças de arrasto e de sustentação em perfis moveis	- 56 -
4.5.4 Forças do conjugado e axial	- 58 -
4.5.6 Conjugado motor	- 58 -
4.5.7 Rendimento aerodinâmico das hélices	- 58 -
4.5.8 Potência máxima	- 60 -
4.5.8 Conjugado máximo do motor	- 61 -
4.5.9 Velocidade angular máxima	- 61 -
5.0 PROJECTO DE UMA CENTRAL EÓLICA	- 63 -
5.1 Esquema geral do projecto	- 64 -
5.2 CÁLCULO PROJECTIVO DO AEROGERADOR	- 65 -
5.2.1 Determinação da Potência Requerida	- 65 -
5.3 ESCOLHA DO GERADOR	- 66 -
5.4 PROJECTO DAS PÁS	- 67 -
5.4.1 Determina-se então o diâmetro do Rotor	- 67 -
5.4.2 Acoplamento rotor eólico-gerador eléctrico	- 69 -
5.4.3 Solidez das pás	- 70 -
5.4.4 Perfil da pá	- 71 -
5.4.5 Cálculo dos coeficientes de sustentação e máximo	- 73 -
5.4.5 Comprimento da corda	- 74 -
5.4.6 Relação da pá	- 74 -
5.4.7 Correção do ângulo de ataque .	- 75 -
5.4.8 Ângulo de inclinação	- 75 -
5.4.9 Resistência aerodinâmica das pás	- 76 -
5.4.10 Resistência aerodinâmica do rotor	- 77 -
5.5 PROJECTO DO SISTEMA DE TRANSMISÃO	- 78 -
5.5.1 CÁLCULO PROJECTIVO DOS VEIOS	- 78 -
5.5.2 Determinação dos parâmetros geométricos dos escalões	- 78 -
5.5.3 Escolha preliminar dos rolamentos	- 80 -
5.5.4 Determinação do peso do rotor eólico	- 81 -
5.5.6 Determinação do valor do peso do veio:	- 82 -
5.5.7 Cálculo das reacções nos apoios	- 82 -
5.5.8 Diagrama de Momentos Flectores	- 83 -
5.6 CÁLCULO TESTADOR DO VEIO	- 84 -
5.6.1 CÁLCULO À FADIGA	- 84 -
5.6.2 CÁLCULO TESTADOR À CARGA ESTÁTICA	- 86 -
5.5.8.3.1 Cálculo testador à carga estática do veio	- 86 -
5.6.3 CÁLCULO E ESCOLHA DE CHAVETAS	- 87 -
5.6.3.1 Cálculo de controlo pela tensão de esmagamento	- 87 -
5.7 SISTEMA DE CONTROLE PARA TRAVAR A TURBINA	- 88 -
5.7.1 Esquema de Ligação	- 89 -
5.7.2 Algoritmo de Controle do freio	- 90 -
5.8 PROJECTO DO HUB	- 95 -
5.9 PROJECTO DO CHASSI	- 97 -
5.10 PROJECTO DA NASCELLE	- 97 -
5.11 SISTEMA DE GUINADA (Yaw)	- 98 -
5.12 TORRE DE SUSTENTAÇÃO	- 100 -
6.0 ESTAÇÃO METEREOLÓGICA	- 102 -
6.1 Velocidade do Ar	- 102 -
6.2 Indicador de Direção do vento	- 105 -
6.3 Algoritmo Para o Monitoramento da Estação Meteorológica	- 106 -
7.0 SISTEMA DE CONTROLE DE ACESSO A CENTRAL	- 110 -
7.3 Algoritmo Para O controlo de Acesso a Central Turbina	- 111 -
8.0 ORÇAMENTO	- 116 -
9.0 ANÁLISE DE VIABILIDADE FINANCEIRA	- 117 -
10.0 TRABALHOS FUTUROS	- 120 -
11.0 CONCLUSÃO	- 121 -
12.0 REFEERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	- 122 -
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Influência de obstáculos topográficos sobre a velocidade do vento, (RGG, 2008).	- 25 -
Figura 2: Diversos tipos de anemómetros, (DIEZ, 2003.)	- 25 -
Figura 3: Variação da velocidade do vento (camada limite) com a altura sobre o terreno, segundo a lei exponencial de Hellmann, (DIEZ, 2003).	- 27 -
Figura 4: Área A varrida pelo rotor de diâmetro D, (DIEZ, 2003.)	- 28 -
Figura 5: numero total de horas ao ano que se prevê que o vento possa soprar a uma velocidade v ⃗, (DIEZ, 2003).	- 30 -
Figura 6: Comparação da energia disponível com a curva de Rayleigh correspondente, (DIEZ, 2003).	- 31 -
Figura 7: Disposição dos principais internos de uma turbina eólica	- 34 -
Figura 8: Configuração detalhada do Aerogerador de eixo horizontal (Benito 2012).	- 35 -
Figura 9: Aerogerador Savonius (GASCH; TWELE, 2002.)	- 36 -
Figura 10: Moinho multipá. (GASCH; TWELE, 2002.)	- 37 -
Figura 11: Aerogerador Darrieus. (GASCH; TWELE, 2002.)	- 37 -
Figura 12: Aerogerador a barlavento (esquerda), a sotavento (direita)	- 38 -
Figura 13: Forças aerodinâmicas agindo em um perfil exposto a uma corrente de ar	- 39 -
Figura 14: Volume de controlo para o disco atuador; U é a velocidade do ar; 1,2,3,4 indicam as posições
no volume de controlo.	- 41 -
Figura 15: Processo de extração de energia do vento pelo disco atuador	- 42 -
Figura 16: Parâmetros de operação para turbinas Betz; U, velocidade não distribuída do ar; U4, velocidade do ar sobre o rotor; CP, coeficiente de potência; CT , coeficiente de confiança.	- 44 -
Figura 17: Geometria para análise do rotor; U, velocidade do Ar não perturbado; a, factor de Indução; r, raio.	- 45 -
Figura 18: Volume de controle para o disco rotor e trajetória de uma partícula passando pelo disco rotor	- 45 -
Figura 19: Sistema de vórtices atrás de uma turbina eólica (BETZ, A Wind-Energie)	- 50 -
Figura 20 : Modelo simplificado para vórtices helicoidais, ignorando a expansão de esteira (BETZ, A Wind-Energie)	- 50 -
Figura 21: Representação de um elemento de pá (BETZ, A Wind-Energie)	- 51 -
Figura 22: Velocidades e forças em um elemento de pá.( BETZ, A Wind-Energie)	- 52 -
Figura 23: Perfil da esteira de vórtices e torque na pá	- 54 -
Figura 24: Forças que atuam sobre um elemento de pá em rotação. (DIEZ, 2003.)	- 55 -
Figura 25: Pá de uma hélice de avião (DIEZ, 2003)	- 56 -
Figura 26: Pá de uma hélice de aerogerador (DIEZ, 2003)	- 56 -
Figura 27: a) velocidades e b) forças que aparecem sobre a pá de um aerogerador. (DIEZ, 2003.)	- 57 -
Figura 28: Esquema Geral do Projecto.	- 64 -
Figura 29: camera frigorifica de 10’.	- 65 -
Figura 30: Raios mínimo e máximo da pá.	- 68 -
Figura 31: Divisão de uma pá (DIEZ, 2003.)	- 71 -
Figura 32: Veio de transmissão	- 78 -
Figura 33: Veio de Transmissão com as respectivas medidas	- 79 -
Figura 34: Rolamentos de rolos cónicos	- 80 -
Figura 35: Dimensões da Pá	- 81 -
Figura 36: Esquema de carregamento do veio do aerogerador	- 82 -
Figura 37: Diagrama do momento torçor	- 83 -
Figura 38: Diagrama do momento torçor em X	- 83 -
Figura 39: parâmetros da chaveta. (Fonte: http://www.wtsacoplamentos.com.br/catalogo)	- 87 -
Figura 40-Sistema de Freios da turbina (www.sibre.de)	- 88 -
Figura 41-Acoplamento para veios (www.sibre.de)	- 89 -
Figura 42: Design do hub retirado do Solidworks.	- 95 -
Figura 43: Análise de Von Mises utilizando o Solidworks Simulation Express	- 96 -
Figura 44: Design final do Chassi feito no Solidworks	- 97 -
Figura 45: Representação da Nacelle feita do Solidworks	- 98 -
Figura 46: Esquema ilustrativo das relações entre a cauda e o rotor [8]	- 99 -
Figura 47: Anemómetro [23]	- 102 -
Figura 48: Esquema completo da estação meteorológica	- 103 -
Figura 49: pinos do esp8266	- 104 -
Figura 50: Indicador de direcção. Fonte de [26]	- 105 -
Figura 51: Esquema de ligação [25]	- 105 -
Figura 52: Serial Monitor da ID do Arduíno	- 109 -
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Valores do exponente de Hellmann em função da rugosidade do terreno	- 26 -
Tabela 2: Velocidade do vento e horas de funcionamento	- 33 -
Tabela 3: coeficientes de força,〖CP〗_(,max) em função da taxa de velocidade, l ; a2 ¼ axial. fator de indução quando a taxa de velocidade da ponta é igual à relação de velocidade local	- 48 -
Tabela 4: Características Gerais do Frigorifico	- 65 -
Tabela 5: Características do Gerador Escolhido GDF-315	- 66 -
Tabela 6: Dados de Partida Para dimensionamento das Pás	- 67 -
Tabela 7: Número de pás em função do TSR	- 70 -
Tabela 8: Máquinas de eixo horizontal	- 73 -
Tabela 9: Expoente relacionado com a camada limite, Fonte [3].	- 77 -
Tabela 10: dados de entrada do cálculo testador dos veios.	- 85 -
Tabela 11: principais características aço SAE 1030 (CD).	- 100 -
Tabela 12: Características gerais da torre.	- 101 -
Tabela 13: características do anemómetro do Modelo JL-FS2	- 103 -
Tabela 14: Descrição de alguns comandos do módulo ESP8266.	- 104 -
 
LISTA DE SÍMBOLOS
	A
	[ - ]
	Factor do escoamento axial induzido
	a´
	[ - ]
	Factor do escoamento tangencial induzido
	A
	[m2]
	Área do disco atuador
	C
	[m]
	Corda da pá´
	CD
	[ - ]
	Coeficiente de arrasto
	CL
	[ - ]
	Coeficiente de sustentação
	CP
	[ - ]
	Coeficiente de potência
	D
	[N]
	Força de arrasto
	F
	[N]
	Força de reação aerodinâmica
	Fa
	[N]
	Projeção das forças aerodinâmicas perpendicular ao plano de rotação
	Fd
	[N]
	Projeção das forças aerodinâmicas paralela ao plano de rotação
	FD
	[N]
	Força de arrasto
	FL
	[N]
	Força de sustentação
	Fir
	[N]
	Força inercial na direção radial
	Fia
	[N]
	Força inercial na direção axial
	L
	[N]
	Força de sustentação
	mp
	[kg/m3]
	Massa específica da pá
	Mt
	[N.m]
	Momento de torção da secção da pá´
	Mf
	[N.m]
	Momento de flexão da secção da pá´
	Mz
	[N.m]
	Momento causado pelas forças de precessão
	N
	[ - ]
	Número de pás
	Ng
	[ - ]
	Eficiência mecânica
	P
	[W]
	Potência
	P
	[N/m2]
	Pressão
	p0
	[N/m2]
	Pressão atmosférica
	p+
	[N/m2]
	Pressão a montante do disco atuador
	p−
	[N/m2]
	Pressão a jusante do disco atuador
	pd
	[N/m2]
	Pressão dinâmica 
	Q
	[N/m2]
	Torque
	Q
	[ms−1]
	Intensidade de escoamento do vórtice
	R
	[m]
	Posição radial
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	rθ
	[m]
	Coordenadas do ponto no plano X-Y
	R
	[m]
	Raio do rotor
	U
	[ms−1]
	Componente cartesiana da velocidade V
	U
	[ms−1]
	Velocidade do escoamento
	UB
	[ms−1]
	Velocidade do vento quando o rotor opera em sua máxima rotação
	UC
	[ms−1]
	Velocidade do vento quando do início da rotação do rotor
	Ud
	[ms−1]
	Velocidade do escoamento no disco
	UF
	[ms−1]
	Velocidade do vento máxima para operação da turbina
	UW
	[ms−1]
	Velocidade do vento para geração de m´axima potência contínua
	U∞
	[ms−1]
	Velocidade do escoamento a jusante do disco
	UW
	[ms−1]
	Velocidade do escoamento a montante do disco (esteira)
	V
	[ms−1]
	Componente cartesiana da velocidade V
	V
	[ms−1]
	Velocidade do escoamento
	Vr
	[ms−1]
	Velocidade radial provocada pela fonte/sumidouro
	Vθ
	[ms−1]
	Velocidade tangencial provocada pela fonte/sumidouro
	V∞
	[ms−1]
	Velocidade do escoamento não perturbado
	W
	[ms−1]
	Velocidade resultante
	X
	[m]
	Posição na direção da corda
	Y
	[m]
	Posição na direção da envergadura
	Z
	[m]
	Posição normal a` superfície da pá´
	Α
	[rad]
	Angulo de ataque
	α0
	[rad]
	Angulo de ataque de sustentação nula
	Β
	[rad]
	Angulo de passo local da pá
	Γ
	[m2/s]
	Circulação
	µ
	[ - ]
	Razão entre o raio local e o raio da pá = r/R
	Γ
	[ - ]
	Componente tangencial da velocidade na superfície de um perfil
	Γ
	[ - ]
	Angulo entre a sustentação e a forca resultante
	Ρ
	[kg/m3]
	Densidade do ar 1.25 kg/m3
	Φ
	[rad]
	Angulo entre a direção da velocidade resultante W e o plano de rotação do rotor
	Σ
	[ - ]
	Solidez da pá´
	Σ
	[ - ]
	Solidez de corda
λ	[ - ]	Razão de velocidades na ponta da pá R/U 
λR	[ - ]	Razão de velocidades local da pá r/U 
ψ	[ - ]	função corrente
Ω	[rad/s]	Frequência angular do rotor
LISTA DE SIGLAS E ACRÔNIMOS
AC	-	 Corrente Alternada
CBEE	-	Centro Brasileiro de Energia Eólica
DC	-	 Corrente Contínua
ENERSUD	-	Indústria e Soluções Energéticas Ltda
FINEP	-	 Financiadora de projetos
RPM	-	 Rotação por minuto
I
1.0 INTRODUÇÃO
A maior parte da energia eléctrica produzida no mundo, esta resumida em sua grande maioria pelas fontes de energias tradicionais como barragens Hidroelétricas, Usinas Nucleares (Uranio e outros elementos altamente radioactivos), Petróleo, Carvão Mineral e Gás Natural. Tais fontes são poluentes e não-renováveis. 
Devido a energias limpas e renováveis como Biomassa, Energia Eólica, Energia Solar e Energia Maremotriz e sanções como o Protocolo de Quioto, que cobra de países um nível menor de emissões de poluentes na atmosfera, fortalecendo a adoção de um novo modelo de produção de energias econômicas e saudáveis para o meio ambiente. Todos os meios de produção de energia dependem da disponibilidade de recursos naturais, que podem ser rios, ventos ou combustíveis fosseis. 
A essa diversidade de meios de produção, as matrizes energéticas dos países tendem a ser cada vez mais diversificadas, aproveitando de maneira eficaz as potencialidades de cada região. A busca por soluções ecologicamente corretas para a produção de energia e a universalização do acesso à energia elétrica, aumenta,
cada vez mais, o número de centrais de produção de energia de pequeno porte. 
Este trabalho propõe adoptar a energia eólica como alternativa a produção de energia eléctrica para atender à actividade pesqueira de comunidades de pescadores da praia de Savane (Dondo). Devido ao elevado potencial eólico na referida região, pretende-se instalar uma estação aerogeradora, que vai servir como módulo de geração de energia eléctrica para alimentação de um frigorífico e outras cargas, no qual garantirão a conservação do pescado, produção de gelo e energia para atividades tais como projeção de filmes e jogos, carregamento de telemóveis, assim como alimentação de cargas das casas da comunidade.
1.1 JUSTIFICAÇÃO
A zona de sengo, é um referencial de alta produtividade pesqueira artesanal e industrial ao nível da costa de Sofala, é de la o produto pesqueiro onde a maioria dos mercados de peixe e mariscos das cidades (beira e dondo) são abastecidos, portanto por ser uma região sem a rede de energia pública, torna-se bastante caro conservar o produto pesqueiro, pois os custos para manter um gerador industrial durante 24 horas não ajudariam em nada ao pescador.
Tais deficiências fazem com que os compradores do producto pesqueiro transportem gelo para o local da compra do peixe, de modo a garantir pelo menos que o producto pesqueiro chegue nas mínimas condições aceitáveis para o consumo e ou revenda, entretanto tais condições obrigam ao rápido transporte do producto pesqueiro, correndo riscos de deteriorar-se durante o longo percurso de 80 quilómetros de terra batida e muitas vezes esburacada, a situação piora ainda em tempos chuvosos, pois o terreno é bastante lamacento, dificultando o transporte e a conservação do produto pesqueiro.
 A situação agrava-se ainda mais quando a campanha pesqueira começa, as quantidades do producto pesqueiro aumentam, e requerer maior capacidade de conservação e transporte, pois os pescadores entram no mar, por volta das 3 as 4 horas de madrugada e retornam as 7 horas, logo que o produto pesqueiro está em terra, ele deve ser vendido e transportado, muita das vezes os compradores não compram grandes quantidades devido a deficiência de conservação, restringindo-se a comprar somente a quantidade média que satisfaz a sua venda diária, fazendo com que o pescador venda a baixo preço oque resta, ou simplesmente descarte uma parte e outra use para o seu consumo. Portanto tais dificuldades podem ser minimizadas adoptando-se um sistema de produção de energia de baixo custo e maior eficiência.
1.3 DELIMITAÇÃO DA PESQUISA
Dimensionar uma turbina é um projecto bastante amplo e complexo, envolve áreas distintas da engenharia, pois para construção e instalação da torre eólica é necessário se considerar vários aspectos, desde a geológia do terreno, aspectos construtivos como o tipo de material para a fundação e para a torre, até a análise do diagrama de forças que a torre estará sujeita, portanto delimita-se este projecto em aspectos construtivos mecânicos e eléctricos básicos, como o projecto das pás, do eixo, e far-se-á a escolha de um gerador eléctrico com a capacidade pretendida.
 Não obstante estende-se o estudo para determinadas características da zona, por esta estar perto do Mar, é indispensável a análise dos estragos ao longo prazo causados pela corrosão e salinidade, para se ter uma aproximação fiável far-se-á também, durante um período que compreende de janeiro a junho de 2019, uma estimação da velocidade do vento no local.
1.4 RELEVÂNCIA
Pretende-se com este projecto, tornar a actividade pesqueira mais sustentável naquela zona, garantindo assim um local para conservação de peixe, mariscos e outros derivados do mar, e também a produção de gelo, o qual permitirá ao pescador e a comunidade gerar rendas consideráveis, embora ainda não exista lá, a rede de distribuição pública de energia eléctrica, este modelo eólico é uma alternativa mais sustentável em relação a rede de distribuição pública de energia eléctrica, ao gerador diesel, aos paines solares e etc. 
1.5 VIABILIDADE
Com a instalação de um sistema de produção de energia, alimentando um sistema de conservação de peixe e produção de gelo, maior será a capacidade de conservar o produto pesqueiro, e mais barato tanto para o pescador e para o comerciante, pois este, já não terá a necessidade de viajar para o local com grandes quantidades de gelo, Ao pescador estará garantido que o seu esforço para conseguir grandes quantidades de pescado não será jogado fora, ou necessitara vender o remanescente a um custo baixo para. Por conseguinte o meio ambiente também sai em vantagem, por se tratar de uma fonte de energia com níveis de poluição altamente baixos.
1.6 PROBLEMATIZAÇÃO
Devido a falta da rede de distribuição pública de energia elétrica nessas zonas, torna-se difícil instalar uma unidade de camaras frigorificas para conservação do producto pesqueiro, por consequente, muitas das vezes o producto pesqueiro acaba apodrecendo devido a falta de energia ou o alto custo para manter os geradores eléctricos que seriam uma alternativa de produção de energia para alimentar as camaras de conservação. Contudo devido a um custo relativamente eficiente em função dos ganhos e do potencial eólico da região referida, optou-se pela escolha de um gerador eólico. 
1.7 CONTEXTUALIZAÇÃO HISTÓRICA
A teória aerodinâmica se desenvolveu durante as primeiras décadas do seculo XX, permitindo-se compreender a natureza e o comportamento das forças que actuam ao redor das pás das turbinas. Os mesmos cientistas que desenvolveram as pás para uso aeronáutico Joukowski, Drzewiechy e Sabinin na Rússia; Prandtl e Betz na Alemanha; Constantin e Eneld na França, etc., estabeleceram os critérios básicos que as novas gerações de turbinas eólicas deveriam cumprir.
Nos anos 20 começaram a serem aplicados aos rotores eólicos os perfis aerodinâmicos projectados para as asas e para as hélices dos aviões. Em 1927, o holandês A.J. Dekker construiu o primeiro rotor provido de pás com secção aerodinâmica, capaz de alcançar velocidades da ponta da pá de quatro ou cinco vezes superiores a do vento incidente. 
Em 1724 Leopold Jacob projeta um moinho de oito pás que move uma bomba de pistão; em 1883 aparece o pequeno moinho multipá americano desenhado por Steward Perry. Este moinho, de uns três metros de diâmetro utilizado para o bombeamento de água, foi o mais vendido da história, chegando-se a fabricar mais de seis milhões de unidades, com milhares deles ainda se encontrando em funcionamento. Como precursor dos atuais aerogeradores, e necessário citar a aeroturbina dinamarquesa de Lacourt (1892), máquina capaz de desenvolver entre 5 e 25 kW.
Em Moçambique
Segundo “Atlas das Energias Renováveis de Moçambique” Moçambique é já um dos maiores produtores de energia renovável na região da Southern African Development Community (SADC). A Hidroeléctrica de Cahora Bassa, com os seus 2.075 MW, é uma das maiores hidroeléctricas do continente africano e a principal fonte de geração de electricidade do país. A energia solar, em centenas de projectos descentralizados, leva já hoje energia a milhões de moçambicanos nas áreas rurais.
O maior potencial eólico pode observar-se nas províncias de Maputo, Tete, litoral de Sofala, de Inhambane e de Gaza. O primeiro mapeamento do potencial eólico para Moçambique foi realizado a partir do modelo de Mesoscala MM5, com base nos dados globais do Projecto Reanalysis NCEP/NCAR. Com base no mapeamento de vento em mesoescala, das principais condicionantes ambientais, legais e técnicas, bem como da orografia, foram identificados e visitados mais de 60 locais ao longo de mais de 8.500 km em todo o território moçambicano. 
Foram selecionadas 35 localizações onde foram instaladas estações meteorológicas para medição do recurso eólico. Durante mais de um ano foram recolhidos e analisados mensalmente os dados de medição das 35 estações.
Dos 1,1 GW de projectos com potencial de ligação
imediata à rede, cerca de 230 MW são considerados projectos com elevado potencial, caracterizando-se por apresentar mais de 3.000 horas equivalentes à potência nominal (NEPs).
Os restantes 3,4 GW de potenciais projectos eólicos identificados apresentam como principal constrangimento ao seu desenvolvimento a débil rede eléctrica de Moçambique.
As províncias com o melhor recurso são Maputo e Gaza onde a velocidade média do vento registada supera os 7 metros por segundo e vários projectos superam as 3.000 NEPs. Adicionalmente a Maputo e Gaza, os projectos identificados e estudados nas províncias de Sofala, Cabo Delgado, Zambézia, Inhambane e Tete todos superam as 2.500 NEPs, valor superior à média verificada em vários países onde a energia eólica apresenta elevada penetração.
1.8 OBJECTIVOS
1.8.1 GERAL
· Dimensionar uma turbina eólica para alimentar um frigorífico para conservação de produto pesqueiro ao longo da praia de savane (Sengo).
1.8.2 ESPECÍFICOS
a) Recurso Eólico
· Identificar um local com potencial eólico (Altitude, Velocidade e densidade do Ar) ao longo da zona referida; 
b) Projecto de Pás
· Projectar pás da turbina que possam gerar potência Mecânica suficiente para produzir 20 quilowatts de energia Eléctrica, que é a potência necessária para alimentar o frigorífico e diversos de acordo com o previsto no projecto. 
c) Projecto do Eixo 
· Dimensionar o eixo de transmissão, de acordo com as condições previamente determinadas em projecto das pás, e posteriormente se necessário uma caixa de velocidade.
d) Gerador Eléctrico
· Escolher um gerador eléctrico em função das condições fornecidas pelos sistemas de transmissão. 
e) Sistema de Controlo 
· Dimensionar um sistema microcontrolado, que deverá: Bloquear/travar o veio, em caso de condições de clima não desejado, fazer as leituras climatológicas, e atualizar em tempo real das condições do clima. 
 
1.9 METODOLOGIA
Para se alcançar os objectivos do trabalho serão feitas:
1.9.1 Recolha de dados
a) Análises das condições climáticas (velocidade do vento, Humidade do Ar)
 Durante o dimensionamento de turbinas eólicas é de extrema importância a análise das condições climáticas da referida região, portanto para se conseguir esse feito, dever-se-á instalar um sistema de baixo custo para a monitorização do clima na região, e durante um período de tempo recolhe-se as amostras, para a posterior análise. 
1.9.2 Revisão bibliográfica 
b) Dimensionamento das Pás
Sendo as pás da turbina o elemento principal e mais complexo do projecto, projecta-se ela em função de várias referências bibliográficas disponíveis em bibliotecas e portais de internet.
c) Dimensionamento do veio
Proceder-se-á com a mesma metodologia para o dimensionamento, isto é, numa primeira fase, as referências bibliográficas e posterior pode-se optar pela compra de um veio com as características dimensionadas e ou optar pela produção do mesmo, o que é bastante complexo.
1.9.3 Observação Experimental
d) Testes Aerodinâmicos
 O último estágio envolve a montagem do sistema, após isto, dever-se-á fazer um teste no túnel de vento, sob forma a obter valores da potência do sistema para diferentes possibilidades das condições climáticas da região e se possível, modifica-las.
1.10 HIPÓTESES
· Os resultados dos testes em túnel do vento, podem ditar potência não suficiente para alimentar a câmara frigorífica e outros equipamentos, portanto pode-se recorrer ao acoplamento de um sistema de caixa de velocidades, não havendo necessidade de reformular o projecto, bastando para tal determinar a relação de transmissão e acoplar a caixa de velocidade entre o veio e o gerador.
· Ou ainda pode-se optar pelo aumento da altura da torre da referida turbina, pois sabe-se que na atmosfera, a força do vento varia proporcionalmente em função da altura. 
2.0 O VENTO
Segundo (CORRÊA, M.), A terra funciona como uma grande máquina térmica que transforma parte do calor solar em energia cinética do vento. Se considera Vento toda a massa de ar em movimento que surge como consequência do aquecimento desigual da superfície terrestre, sendo a fonte de energia eólica, a energia mecânica que em forma de energia cinética transporta o ar em movimento.
Os principais fatores que originam o vento são:
1. A radiação solar que é mais forte no equador que nos polos;
2. A rotação da terra que provoca desvios na massa de ar para a direita no hemisfério norte e para a esquerda no hemisfério sul;
3. As perturbações atmosféricas.
O movimento da terra é regido pela seguinte relação de acelerações:
Esta equação se aplica ao movimento do ar e, se simplificada adequadamente, proporciona a seguinte equação vetorial:
Onde V é a velocidade do vento, a pressão do ar, a massa especifica do ar, a velocidade angular da Terra, o vetor posição das partículas e a aceleração de origem gravitacional. Esta equação vetorial dá lugar as equações diferenciais (Navier Stokes) que regem o movimento do ar sobre a Terra da seguinte forma:
2.2 VELOCIDADE DO VENTO
O vento é caracterizado por dois parâmetros essenciais que são, sua direção e a sua velocidade. A direção do vento e o seu valor ao longo do tempo conduzem a construção da chamada rosa-dos-ventos.
Figura 1: Influência de obstáculos topográficos sobre a velocidade do vento, (RGG, 2008).
A velocidade média dos ventos varia entre , segundo diversas situações meteorológicas. É elevada nas costas, mais de , assim como em alguns vales mais ou menos estreitos. Em outras regiões é, em geral, de , sendo bem mais elevada nas montanhas, dependendo da altitude e da topografia.
Segundo a velocidade, pode-se considerar três tipos de definição:
· Vento instantâneo; mede-se a velocidade do vento em um instante determinado;
· Vento medio aeronáutico; mede-se a velocidade media durante dois minutos;
· Vento medio meteorológico; mede-se a velocidade media durante dez minutos.
Figura 2: Diversos tipos de anemómetros, (DIEZ, 2003.)
Deve-se distinguir também entre golpe de vento e rajadas. Uma rajada é um aumento brutal e de curta duração da velocidade do vento, própria de tormentas e tempestades. Diz-se golpe de vento quando a velocidade média do vento ultrapassa e é um sinal de advertência, sobre tudo junto a navegação marítima.
As fontes eólicas mais interessantes se encontram nas costas marinhas e entre montanhas. Existem zonas em que se pode dispor de mais de Ano, e em outras que nao chegue a Ano (CORRÊA, M.).
2.2.1 Lei exponencial de Hellmann
A velocidade do vento varia com a altura, seguindo aproximadamente uma equação estatística, conhecida como lei exponencial de Hellmann, da seguinte forma:
Onde é a velocidade do vento a altura , é a velocidade do vento a 10 metros de altura e é o expoente de Hellmann que varia com a rugosidade do terreno e, cujos valores são indicados na tabela 1. Na figura 14, se indicam as variações de velocidade do vento com a altura segundo a lei exponencial de Hellmann.
Tabela 1: Valores do exponente de Hellmann em função da rugosidade do terreno
	Lugares Planos Com Gelo
	
	Lugares Planos (Mar, Costa)
	
	Terrenos Poucos Acidentados
	
	Zonas Rusticas
	
	Terrenos Acidentados ou Bosques
	
	Terrenos muito Acidentados ou Cidades
	
Fonte: DIEZ, 2003
Devidas as máquinas eólicas partirem a determinada velocidade do vento, e ao mesmo tempo proporcionarem a potência máxima para velocidades iguais ou superiores a uma dada , é natural que os dados a serem utilizados sejam as curvas de duração de velocidade, que se podem converter em curvas de energia utilizando no eixo de ordenadas quantidades, que proporcionam a potencia disponivel no vento para cada velocidade e da qual somente e possível extrair uma fracção.
Figura 3: Variação da velocidade do vento (camada limite) com a altura sobre o terreno, segundo a lei exponencial de Hellmann, (DIEZ, 2003).
A velocidade media anual do vento (8760 horas) e como mostrado na equação
A intensidade energética do vento, definida como a relação entre a potência e a superfície
frontal (área varrida), é proporcional ao cubo da velocidade, da seguinte maneira:
2.2.2 Energia útil do vento
Em uma corrente de ar de massa específica e velocidade , como se indica na figura 15, a potencia eólica disponível que atravessa uma superfície A e faz um percurso no tempo , é dada pela expressão:
Para o aerogerador de eixo horizontal e diâmetro de hélice , a secção é:
Figura 4: Área A varrida pelo rotor de diâmetro D, (DIEZ, 2003.)
Pelo que a potência do vento será da seguinte forma:
A velocidade do vento vária com o tempo e, portanto, a sua potência também variará. Pode-se considerar o valor médio de ambas, por exemplo, ao longo de um ano, obtendo-se:
Destes conceitos obtém-se as seguintes consequências:
1. A potência Varia com a velocidade , Sendo preciso fazer as medições de , no lugar exato onde se queira instalar o aerogerador.
2. A potência varia com a densidade do ar , e causa variações de pressão e de temperatura, em valores que podem oscilar de 10% a 15% ao longo de um ano.
2.2.3 Representação estatística do vento
Segundo (DIEZ, 2003.), dadas características tão diversas e aleatórias da energia eólica, é óbvio que a única maneira de estudar se um local é adequado ou não, é utilizando a estatística. Para isso se recorre a representação de uma velocidade do vento como uma variável aleatória com uma certa função de distribuição.
Normalmente utiliza-se a distribuição de Weillbul. Trata-se de uma distribuição de dois parâmetros: o parâmetro de escala e o parâmetro fator de distribuição de forma .
2.1.3.1 Fator de distribuição de forma
A energia que o vento carregaria ao se deslocar com um velocidade igual a média durante as 8760 horas do ano, seria:
Enquanto a energia realmente disponível no ano é:
O fator de distribuição de forma da energia eólica k se define como a relação entre a energia obtida em um ano, e a energia que se obteria nesse ano se a velocidade do vento se mantivesse constante e igual a velocidade media, quer dizer: 
Em dois lugares em que a velocidade media do vento seja a mesma, se terá mais energia disponível naquele em que o factor de distribuição for maior. Se os factores de distribuição são e , e as energias disponíveis e , tem-se que:
Na maioria dos casos os valores de k estão compreendidos entre 1,3 e 4,3. por isso, quando não se dispõe de muitos dados pode-se adotar a implicação de fazer , neste caso, a distribuição resultante é conhecida como distribuição de Rayleigh.
2.1.3.2 Distribuição de Rayleigh
Com os dados disponíveis da velocidade do vento em um determinado lugar, pode-se encontrar a equação da distribuição de Rayleigh que descreve a distribuição de velocidades do vento com uma aproximação razoável dentro de certos limites, sendo a velocidade média do mesmo um parâmetro a ter em conta, muito característico.
Para velocidades do vento abaixo de 15km/h, a distribuição de Rayleigh tem pouca precisão, não sendo útil a sua aplicação em lugares com uma velocidade média inferior a 13km/h. A curva de distribuição de Rayleigh é da seguinte forma:
Tempo em horas: 
Sendo a velocidade do vento em milhas/seg, e a velocidade media do vento.
Essa equação proporciona o número total de horas ao ano em que se prevê que o vento possa soprar a uma velocidade , Sendo a velocidade média do lugar. Sua representação gráfica é apresentada na figura 9, em que se considerou o tempo no eixo de ordenadas em %, e a velocidade do vento em milhas por hora sobre o eixo das abscissas.
Figura 5: numero total de horas ao ano que se prevê que o vento possa soprar a uma velocidade v ⃗, (DIEZ, 2003).
A energia que o vento leva é proporcional ao cubo de sua velocidade, pelo que uma velocidade mais elevada implica um transporte energético de mais densidade. Se os resultados obtidos em um determinado lugar.
	
Para uma velocidade do vento de 22,5 km/h (14mph), pode-se esperar que o mesmo sopre a 37km/h, 23mph, durante 2,2% do tempo, ou 194 horas ao ano. Se a velocidade média fosse 10mph, sopraria a 23mph durante 0,6% do tempo, ou 53 horas ao ano, figura 10 b).
Figura 6: Comparação da energia disponível com a curva de Rayleigh correspondente, (DIEZ, 2003).
A função de densidade de probabilidade da distribuição de Rayleigh é da seguinte forma:
E a função de distribuição correspondente é:
Esta distribuição é ajustada fazendo-se coincidir a velocidade média do vento no lugar estudado com a velocidade. O emprego de um método mais elaborado requer a disposição de mais dados, caso em que se usaria a distribuição geral de Weibull.
2.1.3.3 Distribuição de Weibull
A função de densidade de probabilidade desta distribuição é da seguinte forma:
Trata-se de uma distribuição de dois parâmetros em que e são os parâmetros de escala e o fator de forma respectivamente.
A função de distribuição correspondente é:
O enésimo elemento da distribuição de Weibull é:
Sendo, a função gama.
A curva de erro normal ou integral de Gauss é:
Que se obtém a partir de: 
A velocidade media do vento e o primeiro termo da função de densidade, , sendo portanto:
Para determinar os parâmetros c de escala e k de forma da distribuição, pode-se utilizar uma aproximação de mínimos quadrados, partindo-se da função de distribuição de Weibull na seguinte forma:
Que é da forma:
Para n pares de valores mediante mínimos quadrados obtém-se as seguintes soluções para e :
Tabela 2: Velocidade do vento e horas de funcionamento
	Velocidade Media Anual 
m/s
	Horas de Funcionamento
	8,6
	3500
	7,8
	3500
	7,1
	2500
	6,4
	2009
	5,6
	1500
Fonte: DIEZ 2003
Na tabela 2 indicam-se as velocidades médias anuais do vento que com a distribuição estatística de Weibull permite-se conseguir produções correspondentes as horas de funcionamento indicadas. Esses dados correspondem a um parque situado a 950 metros de altitude, com perdas totais de 8% devido a sombras e disponibilidades do vento e transformações da energia eólica em mecânica.
3.0 TURBINAS EÓLICAS
Durante a passagem do vento pelas pás do rotor, as forças aerodinâmicas que surgem giram o rotor acoplado a um eixo ligado a um gerador de potência. A extração de energia cinética dá-se pela diferença de pressão antes e depois do rotor.
3.1 Principais Componentes
A seguir serão descritos os principais componentes de uma turbina eólica de eixo horizontal: Rotor, Nacelle, Sistema de Controlo, Caixa de Engrenagens, Gerador e Torre.
Figura 7: Disposição dos principais internos de uma turbina eólica
1- O Rotor
O rotor é um sistema de captação da energia cinética do vento e que transforma em energia mecânica, formado pelo cubo do rotor, pelas pás acopladas ao cubo, e pelo veio de transmissão da energia mecânica ao próximo subconjunto.
2- A Nacelle ou cabina
É onde no seu interior estão os equipamentos que transformam a energia mecânica em energia elétrica, podendo ter apenas o gerador elétrico a respectivos equipamentos complementares. O suporte ou torre vem a ser o meio de sustentação do aerogerador, onde dependendo da envergadura e peso do aerogerador, o suporte pode ser um simples mastro com ou sem cintas de apoio ou uma torre de treliça ou cilíndrica de elevado diâmetro, solidamente ancorada.
A Figura 13 mostra um exemplo de uma configuração detalhada de um aerogerador de eixo horizontal.
Figura 8: Configuração detalhada do Aerogerador de eixo horizontal (Benito 2012).
De acordo com Benito (2012), a pá é o componente mais característico de um sistema eólico, por este motivo, sua configuração influenciará diretamente no rendimento global do sistema. As pás dos aerogeradores distinguem-se por um conjunto de características, sendo as mais importantes:
· Comprimento – determinante na área varrida; 
· Extradorso – indica as dimensões da superfície superior ou do arco (região de baixa pressão); 
· Intradorso – é a parte inferior da pá, que corresponde a região de alta pressão e, através deste parâmetro são indicadas as suas dimensões; 
· Perfil – o perfil das pás é semelhante ao perfil
das pás de navegação aérea. Sobre o perfil são geradas forças de grande importância: a de sustentação, perpendicular ao vento incidente, e que origina o movimento da pá, e a força de resistência (ou arrasto) com a massa de ar, que trava o movimento. A força produzida advém então da diferença de pressão criada entre o extradorso e o intradorso; 
· Largura – é determinada pelo comprimento da corda do perfil. Afeta, no entanto, o binário de arranque (velocidade de arranque); 
· Corda – corresponde à distância entre os pontos extremos do perfil; 
· Ângulo – é referente ao ângulo que forma a corda do perfil e a direção da corrente de ar; 
3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS AEROGERADORES
3.2.1 Aerogeradores de Eixo Vertical
Possuem o eixo principal na posição vertical. As vantagens desse arranjo incluem:
· A turbina não precisa estar apontada para o vento para ser eficiente, ótima em lugares onde o vento é altamente variável, 
· E o posicionamento do gerador e da caixa de engrenagens que podem ser colocadas no chão, facilitando a manutenção. Como desvantagem possui uma velocidade de rotação extremamente baixa, o que proporciona alto torque, logo uma maior robustez de seus componentes.
Dentre as máquinas eólicas de eixo vertical se pode citar:
3.2.2 O Aerogerador Savonius
Pode arrancar com pouco vento, sendo muito sensível sua fabricação. Tem uma velocidade de rotação pequena e seu rendimento é relativamente baixo. 
Figura 9: Aerogerador Savonius (GASCH; TWELE, 2002.)
O aerogerador Darrieus ou de catenária figura 15, requer para um correto funcionamento ventos com velocidade mínima de 4 a 5m/s, mantendo grandes velocidades e um bom rendimento. Em geral são construídos de 2 ou 3 lâminas. Moinho vertical tipo Giromil ou ciclo giro que deriva do Darrieus. Tem entre 2 e 6 pás. 
Figura 10: Moinho multipá. (GASCH; TWELE, 2002.)
O modelo Darrieus arranca mal, ao mesmo tempo que o Savonius pode se por em movimento com uma leve brisa. Devido a isto, pode-se fazer uma combinação sobre o mesmo eixo de ambas as máquinas de forma que um rotor Savonius atue durante o arranque e um rotor Darrieus seja o gerador de energia para maiores velocidades do vento. 
Figura 11: Aerogerador Darrieus. (GASCH; TWELE, 2002.)
As vantagens desses aerogeradores em relação aos de eixo horizontal são:
1. Não necessitam de sistemas de orientação.
2. Os elementos que requerem certa manutenção podem ser instalados ao nível do solo.
3. Não necessitam de mecanismos de redução de rotações, porque não são empregados em aplicações que precisem de velocidade angular constante.
3.2.3 Aerogeradores de Eixo Horizontal
Aerogeradores de eixo horizontal são aqueles que possuem o seu eixo paralelo ao plano da terra. Por este eixo as pás transmitem a energia mecânica direta ou indiretamente ao gerador elétrico.
As pás, denominadas por hélices, são os componentes do sistema eólico responsáveis por captar a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica. Conforme a Figura 8, em relação a incidência do vento, estas podem estar posicionadas no eixo frente ao equipamento (a barlavento) ou posteriores ao equipamento (a sotavento) (BENITO, 2012).
Figura 12: Aerogerador a barlavento (esquerda), a sotavento (direita)
Ainda conforme o autor, a configuração básica destes aerogeradores pode ser caracterizada por três subconjuntos principais: o rotor, a nacelle e o suporte.
3.2.3.1 Classificação dos Aerogeradores Horizontais
Os aerogeradores de eixo horizontal podem ser classificadas segundo:
· A sua velocidade de rotação ou;
· Segundo o numero de pás do rotor, 
Aspectos que estão intimamente relacionados, nas máquinas rápidas de nas lentas. As primeiras tem um número de pás não superior a 4 e as segundas podem ter até 24 pás. 
3.2.3.1.2 Vantagens dos Aerogeradores Horizontais
As vantagens dos aerogeradores de eixo horizontal são:
1. Maior rendimento
2. Maior velocidade de rotação
3. Menor superfície de pás para a mesma área varrida A
4. Podem ser instalados a maior altura, onde a velocidade do vento é mais intensa.
4.0 ANÁLISE AERODINÂMICA DAS MAQUINAS EÓLICAS
As turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEH) são formadas por um rotor que tem certo número de pás fixadas sobre um eixo. Por efeito da corrente de vento que incide sobre a área varrida das pás manifestam-se forças aerodinâmicas que atuam sobre a estrutura e que contribuem com o torque resultante. Conhecendo-se a velocidade relativa que atua em cada elemento de pá se pode determinar o ângulo de ataque e calcular as forças aerodinâmicas da turbina. A dificuldade é encontrada em calcular as velocidades induzidas que compõem a velocidade relativa devido à formação de esteira de turbulência pelo giro do rotor.
Figura 13: Forças aerodinâmicas agindo em um perfil exposto a uma corrente de ar
Para o desenho aerodinâmico das pás em turbinas eólicas se utiliza principalmente uma metodologia formada por duas teorias:
· Teoria de Elemento de Pá, e;
· Teoria da Quantidade de Movimento.
Relacionando-se as expressões das forças tangenciais e axiais destas teorias, podem ser determinados, por um procedimento iterativo, os fatores de interferência tangencial e axial, com os quais se podem obter a velocidade relativa em cada elemento de pá, ângulos e forças aerodinâmicas. 
Aplicando tal procedimento para cada elemento de pá se obtém finalmente o torque e potência da turbina.
4.1 Disco Atuador e Teoria de Momento Linear
A primeira e mais simples análise para o processo de extração de energia dos ventos começa pelo conceito de disco atuador e a teoria de momento linear. 
Durante os seus estudos sobre energia eólica, Betz (1926) encontrou uma forma simples de calcular a potência máxima teórica que uma máquina pode retirar do vento em um determinada localização. 
Essa análise não esclarece completamente o que ocorre com a energia, mas uma parte é aproveitada e convertida em trabalho e a outra é dissipada em forma de calor. É assumido que o escoamento é homogêneo, incompressível e em regime permanente, além disso não há arrasto e turbulência.
Considere um volume de controlo da figura 18, o rotor é representado por um disco que permite a passagem de ar, que cria uma descontinuidade de pressão no escoamento. O aumento de área na saída do VC ocorre devido a conservação de massa.
Figura 14: Volume de controlo para o disco atuador; U é a velocidade do ar; 1,2,3,4 indicam as posições no volume de controlo.
Aplicando a conservação de momento linear no volume de controlo, podemos encontrar o empuxo total:
Onde é a densidade do ar, A é seção transversal, e U é a velocidade do ar.
Para o regime permanente: Logo:
				
Como o empuxo é positivo, a velocidade depois do rotor é menor que a velocidade livre de corrente .
Esse empuxo é a força que o vento faz sobre o rotor, causada apenas pela presença do disco. Por tanto pode-se demonstrar que:
Aplicando a equação de Bernoulli separadamente em dois volumes de controlos em cada lado do disco atuador, temos:
 e 
Assumindo que e , resolvendo para e substituindo em 4.2
Obtém-se:
Substituindo em 4.4 e reorganizando:
Assim vê-se que a velocidade no plano do rotor é metade das velocidades de entrada e saída do volume de controlo. Definindo-se o fator de interferência axial, a, como a variação de velocidade que o disco impõe sobre o escoamento livre:
Substituindo 4.6 em 4.5 então:
					
A quantidade U1a é a componente do escoamento induzido pela formação da esteira turbulenta. O fator de indução varia entre 0 e 1/2, com o aumento dele a velocidade atrás do disco vai diminuindo e quando a 1/2 a velocidade atrás do disco é zero e foge ao limite da teoria. Na figura 19 vê-se como as velocidade e a pressão se comportam no rotor do aerogerador.
Figura 15: Processo de extração de energia do vento pelo disco atuador
Multiplicando o empuxo pela velocidade do disco e substituindo e das equações 4.7 e 4.8, obtém-se a potência gerada pelo disco:
O mesmo pode-se fazer para o empuxo da equação 3.6,
obtendo-se:
Onde é substituído por U em ambas as equações.
Os coeficientes de potência e empuxo podem então ser definidos como:
Para o disco atuador que representa o rotor ideal, substituindo 4.11 na definição de coeficiente de potência, temos que:
O ideal máximo é determinado tomando a derivada de 3.12 com respeito a e igualando a zero, o que tem como resultado Então:
Esse é conhecido como limite de Betz.
O mesmo pode-se fazer para o coeficiente de Empuxo , substituindo 4.10 em 4.12:
 
Para , para quando a teoria deixa de ser valida, , para o valor de quando a extração de potência é máxima 
A teória do disco atuador é uma abordagem bem simples e serve apenas como uma estimativa do potencial de geração de uma determinada área. Ela é interessante para a análise da eficiência da turbina, mas não serve para se projetar as pás da mesma.
Figura 16: Parâmetros de operação para turbinas Betz; U, velocidade não distribuída do ar; U4, velocidade do ar sobre o rotor; CP, coeficiente de potência; CT , coeficiente de confiança.
O valor do limite de Betz, 5926 é o valor máximo do coeficiente de força do rotor possível em teoria. Na prática, três efeitos levam a redução do coeficiente máximo de força adquirida:
· Rotação da esteira atrás do rotor;
· Número finito de lâminas e perdas de ponta associadas; 
· Arrasto aerodinâmico não nulo.
	
Observe que a eficiência geral da turbina é uma função do coeficiente de potência do rotor e a eficiência mecânica (incluindo elétrica) da turbina eólica:
Consequente:
4.2 Disco Rotor
Na secção anterior, foi considerado que não havia rotação aplicada ao escoamento. Essa análise pode ser feita para o caso com rotação do disco. O empuxo exercido pelo ar sobre o disco do rotor exige que uma reação de mesma intensidade e direção oposta seja exercida sobre o ar, para que seja mantido o equilíbrio. A consequência desse empuxo de reação é a geração de uma rotação na direção oposta da do rotor; o ar ganha quantidade de movimento angular, logo, na esteira do rotor, a velocidade tem componente na direção tangencial além de axial.
Figura 17: Geometria para análise do rotor; U, velocidade do Ar não perturbado; a, factor de Indução; r, raio.
A análise a seguir é feita para um anel anular do rotor com raio r e de largura dr como mostra a figura 22. O escoamento ao incidir no disco atuador não tem nenhum movimento rotacional. Ao sair, existe rotação no escoamento, e essa rotação permanece constante por toda a esteira. Logo, a transferência de rotação ao fluido se dá inteiramente através do disco.
Figura 18: Volume de controle para o disco rotor e trajetória de uma partícula passando pelo disco rotor
A velocidade tangencial não será a mesma para todas as posições radiais e é possível que a velocidade axial induzida seja também diferente. O aumento do empuxo do rotor que atua sobre o anel será responsável pela componente tangencial da velocidade e da força axial no anel pela componente axial. 
Usando um volume de controlo que se move com velocidade angular igual a das pás, a equação da energia pode ser usada antes e depois do rotor para derivar uma expressão para a diferença de pressão. Note que ao passar pelas pás, a velocidade angular relativa do ar aumenta de para enquanto a componente axial da velocidade se mantém constante. Com isso a diferença de pressão é dada por:
Assim, o empuxo em um elemento anular é:
O fator de indução tangencial, , que representa a rotação do esteira no plano do rotor
em relação à rotação do rotor, pode ser definido:
A expressão 4.18 torna-se então:
Tomando a equação 4.10, feita na análise anterior, para um anel de espessura :
Equacionando as expressões 4.20 e 4.21:
Onde é a razão de velocidades local.
A razão de velocidades na ponta da pá é definida quando :
voltando na equação 4.22:
A potência gerada por cada elemento anular é dada por:
onde é o torque exercido no rotor, que deve ser igual à mudança de momento angular da esteira:
Sabendo que e tem-se:
Substituindo 4.23 e 4.24 na equação da potência para cada elemento:
A partir da equação acima, vemos que a potência produzida por um elemento anular depende dos fatores de indução axial e tangencial, da razão de velocidades na ponta da pá e da razão local de velocidades.
Usando a definição de da equação 4.12 para cada elemento, então o total será dado por:
Para integrar a equação acima, Shu et al. propõe relacionar as variáveis Resolvendo equação 4.22 para :
e combinando a equação acima com o integrador de 4.31:
Como o objetivo é obter o máximo de potência possível, para encontrar os fatores de interferência deve-se otimizar com relação a tomando . Como somente o integrador de 4.31 depende de , podemos igualá-lo a zero e resolver para ¸,encontrando:
Substituindo em 4.23:
Se a equação 4.34 é diferencial em função de , uma vez obtida através da relação entre d, e nas mesmas condições anteriores, o resultado da forca máxima produzida será:
Agora, substituindo as expressões (4.34) na expressão de coeficiente de força, encontra-se:
E o limite inferior da integração, , Corresponde ao factor de indução axial para , também da equação 4.35:
Tabela 3: coeficientes de força,〖CP〗_(,max) em função da taxa de velocidade, l ; a2 ¼ axial. fator de indução quando a taxa de velocidade da ponta é igual à relação de velocidade local
	 
	 
	
 
	0,5
	0.2983
	0.289
	1.0
	0.3270
	0.416
	1.5
	0.3245
	0.477
	2.0
	0.3279
	0.511
	2.5
	0.3297
	0.533
	5.0
	0.3324
	0.570
	7.5
	0.3329
	0.581
	10.0
	0.3330
	0.585
 Fonte: (BETZ, A Wind-Energie)
A integral definida pode ser resolvida trocando a variável x por na equação 4.35, o resultado é:
A gráfico 1 mostra como o CP para um rotor com rotação de esteira se comporta em relação ao rotor ideal. Note que quanto maior a razão de ponta de asa, mais o se aproxima do limite de Betz.
Gráfico 1: Comportamento do coeficiente de potência para rotor ideal e com esteira (BETZ, A Wind-Energie)
O gráfico ** mostra como os fatores de indução axial e tangencial se comportam. Note que perto da raíz da pá o fator de indução tangencial é muito maior do que nas pontas e que o fator de indução axial se mantém perto do máximo ideal 1/3.
Gráfico 2: Comportamento dos fatores de indução axial e tangencial para ¸ λ=7,5 (BETZ, A Wind-Energie)
4.2 Cilindro de Vórtices
A teória do disco atuador se baseia na queda de pressão devido à energia extraída pelo rotor. A teória do disco rotor se baseia em um conceito de disco composto por um número de pás, com circulação como mostrado na figura 23. Esse acumulo de vórtices helicoidais de força forma uma superfície cilíndrica. Considerando o número de pás sendo infinitas, esse cilindro será contínuo e de diâmetro constante.
Figura 19: Sistema de vórtices atrás de uma turbina eólica (BETZ, A Wind-Energie)
Figura 20 : Modelo simplificado para vórtices helicoidais, ignorando a expansão de esteira (BETZ, A Wind-Energie)
Da mesma forma que um vórtice se forma na ponta de cada pá, as raízes das pás também produzem vórtices. Se assumirmos que as pás vão até o eixo de rotação, os vórtices percorrerão axialmente o volume de controlo, causando a principal indução de velocidade tangencial.
4.3 Teória do Elemento de Pá
As forças de um elemento de pá podem ser calculadas com base nas características do aerofólios que compõem as pás do rotor, podendo ser expressas em função do coeficiente de sustentação e do coeficiente de arrasto e do ângulo de ataque . Para essa análise, considera-se que não há escoamento radial, ou seja, não há interação entre os elementos da pá.
Primeiro divide-se a pá em N elementos e define-se o conceito de velocidade relativa. A velocidade relativa é soma vetorial da velocidade axial do vento no rotor, U(1a), e a velocidade tangencial no plano de rotação, como visto na figura 25. A componente tangencial, é a soma das velocidades de rotação da pá e a velocidade induzida na pá, r /2, dada na equação 4.18:
Logo:
Figura 21: Representação de um elemento
de pá (BETZ, A Wind-Energie)
Diferente do disco rotor, que a espessura é infinitesimal e a mudança de velocidade é abrupta, o elemento de pá tem profundidade axial e a velocidade tangencial muda de acordo com o raio da pá. A decomposição da velocidade relativa é representada na figura 26.
Figura 22: Velocidades e forças em um elemento de pá.( BETZ, A Wind-Energie)
Analisando a figura 26, encontra-se o angulo de fluxo , que é formado entre a velocidade relativa e o plano de rotação do rotor. Pode-se então retirar as seguintes relações:
Observe que o angulo de fluxo também é dado pela soma do ângulo de ataque e o ângulo de montagem da pá:
Numa pá real, o ângulo de ataque, consequentemente o ângulo de fluxo, varia ao longo da mesma. Devido a essa característica, o somatório das forças atuantes na pá é a soma das forças em cada elemento. Mostra-se então que as forças de sustentação e arrasto atuantes em cada elemento são:
onde c é a corda do elemento.
Supondo que o rotor possua pás, podemos calcular o empuxo e o torque para um anel de espessura . O torque é devido a atuação da força tangencial a uma distância .
4.4 Teória do Momento de Elemento de Pá
A teória de elemento de pá consiste em aplicar a teória de momento linear para cada elemento de pá, ou seja, a força em cada elemento é a única responsável por mudar a quantidade de movimento axial do ar que passa pelo anel percorrido do elemento. Considera-se que não há interação radial entre os escoamentos de diferentes elementos, o que acontece somente se o fator de interferência axial não variar radialmente.
Utilizando a equações 4.35 e 4.10 e tomando a área diferencial de cada anel por pode-se reescrever as equações 3.45 e 3.46 como:
Onde é a solidez da corda, que é definido como o comprimento total da corda em determinado raio divido pela circunferência do disco nesse raio, ou seja, a parte ocupada pelas pás do rotor no círculo de raio .
Como os fatores de interferência foram calculados para o caso ideal do disco atuador e do disco rotor, o arrasto pode ser eliminado das equações acima e encontra-se uma relação entre as teorias de elemento de pá e de momento de elemento de pá. Para tal, igualamos a as equações 4.19 com 4.44 e 4.26 com 4.45, obtendo:
Do triângulo de velocidades, temos que:
Após algumas manipulações matemáticas, chega-se as seguintes relações:
Figura 23: Perfil da esteira de vórtices e torque na pá
A figura 27 mostra o perfil da esteira de vórtices atrás da pá do rotor. As pontas sofrem uma grande perda e a raíz da pá sofre uma perda um pouco menor. O mesmo efeito pode ser visto em asas de aviões.
4.5 Acção do vento sobre o perfil, potência útil e rendimento
4.5.1 Pás perfiladas
O elemento básico de uma aeroturbina é o rotor, que é formado por uma ou varias hélices, ou pás (a teoria de cálculo é análoga a das hélices de avião). No rotor estão situadas as pás, cujo número é variável segundo cada caso. 
Cada pá tem um perfil que tem uma forma aerodinâmica. Estes persistem uma extremidade maior, que é o bordo de ataque e uma extremidade afilada, que é o bordo de fuga. Os perfis têm nomes distintos segundo a sua geometria. 
Eles se denominam biconvexos se o intradorso e o extradorso são convexos, plano-convexos se o extradorso é convexo e o intradorso é plano e de dupla curvatura se o intradorso e o extradorso são côncavos.
4.5.2 Ângulos da corda
A pá da hélice de um gerador eólico converte a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação. As forças que atuam sobre um elemento de comprimento de pá em rotação, são obtidas ao se estudar a acção do vento relativo que a pá, girando a uma velocidade (vento aparente ou esteira), recebe, que pode-se considerar como a soma do vento real de velocidade com a de um vento originado pelo movimento de rotação da pá, de velocidade figura 28.
Figura 24: Forças que atuam sobre um elemento de pá em rotação. (DIEZ, 2003.)
· , Para a hélice de um avião
· é a velocidade do vento criada pelo deslocamento da pá (giro);
· é a velocidade do vento real (velocidade nominal).
Ao se tratar de uma hélice de avião (propulsiva), como o vento incidente é um vento relativo devido ao deslocamento do avião, existe uma diferença na posição da pá com respeito a do aerogerador, como se indica na figura 25, em que:
· é o angulo que uma corda qualquer do perfil forma como plano de rotação, é o angulo de inclinação ;
· é o angulo que a corda do perfil forma com a velocidade aparente do vento (angulo de incidência ou ataque);
· é o angulo que o plano de rotação forma com a direção aparente do vento que passa pelo bordo de ataque e que é conhecido como angulo aparente do vento.
· , para a hélice de um aerogerador.
4.5.3 Forças de arrasto e de sustentação em perfis moveis
A força que atua no centro aerodinâmico de um elemento de pá em rotação, de superfície frontal elementar (projeção do perfil sobre a direção do vento aparente), é dada por figura 27. 
Figura 25: Pá de uma hélice de avião (DIEZ, 2003)
Figura 26: Pá de uma hélice de aerogerador (DIEZ, 2003)
 
Figura 27: a) velocidades e b) forças que aparecem sobre a pá de um aerogerador. (DIEZ, 2003.)
Esta força, por sua vez, pode ser decomposta em duas outras, na direção do vento aparente (força de arrasto) e, que corresponde a uma degradação da energia, e (força ascensional ou de empuxo) sobre o elemento de pá considerado.
Para tanto, para o elemento de pá diferencial em rotação , e de acordo com a figura 31, pode-se dizer:
Força de arrasto 
Força de Sustentação 
 é o coeficiente de arrasto e o coeficiente de sustentação, que dependem do tipo de perfil , do ângulo de incidência e do número de Reynolds. é a área do elemento diferencial de pá que se oferece ao vento, de valor , sendo L o comprimento característico do perfil, igual ao comprimento da corda. Os coeficientes e estão relacionados ao coeficiente aerodinâmico da seguinte maneira:
4.5.4 Forças do conjugado e axial
Ao se projectar as forças de arrasto e de sustentação sobre o plano de rotação, obtém-se uma forca útil (paralela a u), que faz girar a hélice e outra força perpendicular, (força de empuxo do vento sobre o rotor), que se compensa pela reação do suporte do eixo do rotor da hélice da seguinte forma:
A força de sustentação aumenta com o ângulo de ataque até um máximo e logo diminui. Como varia com o raio também variará, pelo que o ângulo devera variar ao longo da pá e é por isso que elas são construídas torcidas.
4.5.6 Conjugado motor
Os aerogeradores eólicos cujo torque do motor se obtém a partir da força de arrasto , são os aerogeradores Savonius e os moinhos multipás. Os aerogeradores em que o torque do motor é obtido a partir da força de torque são os aerogeradores Darrieus e de Hélice .
4.5.7 Rendimento aerodinâmico das hélices
O diferencial da potência útil gerada pelas pás é da seguinte forma:
E a potência consumida pelo vento 
pelo que se pode definir o rendimento aerodinâmico como a relação entre a potência útil gerada pela pá e a consumida pelo vento neste efeito da seguinte maneira:
Que depende da esbeltez f e da TSR
Sendo a relação TSR da velocidade periférica (especifica) da pá (Tip-Speed-Ratio) um conceito que substitui ao número de rotações específico e se define como o coeficiente entre a velocidade periférica da pá e do vento , sem a intervenção de velocidades induzidas.
A relação entre a velocidade angular para um raio qualquer e o ângulo figura 32 é:
Figura 32: Esbeltez de um perfil NACA. (DIEZ, 2003.)
Sendo SR (speed-Ratio), em que é a distância do elemento de pá considerado ao eixo de rotação do aerogerador. Se diminui, o angulo aumenta. Se é constante, o ângulo de incidência aumenta. Da expressão do rendimento de uma pá de aerogerador em função de sua esbeltez e do angulo aparente do vento , se deduz que quanto menor for o valor de (ou quanto maior for a esbeltez ), maior
será o rendimento , obtendo-se para = 0, ou um rendimento máximo igual a unidade, o que é impossível pelo teorema de Betz.
Quando se constrói um aerogerador, deve-se eleger uma velocidade do vento mais adequada e a partir dela tentar se obter o rendimento máximo. Esta será a velocidade nominal, dependendo a sua eleição do lugar onde a máquina ira ser instalada. Uma vez fixada a velocidade do vento, elege-se o tipo de perfil de pá e a rotação desejada.
Conhecendo a velocidade nominal do vento e a velocidade periférica de rotação , determina-se o ângulo aparente do vento que varia ao longo da pá segundo a distância do eixo de rotação da hélice. 
Há que se ter em conta também que para obter o o ângulo de incidência do vento sobre a pá deve possuir um valor fixo ao longo de toda a mesma. Para que isto seja dessa forma, é necessário que varie ao mesmo tempo que . A pá que tem o maior rendimento aerodinâmico é a que tem a forma de hélice em que o ângulo é muito importante na raiz da pá e de menor importância na extremidade.
4.5.8 Potência máxima
Para se achar a potência máxima, pode-se partir da expressão da potência útil da seguinte maneira:
Que na pratica se simplifica considerando que o valor de, é dito:
Ficando a expressão de na seguinte forma:
A condição e potência máxima desenvolvida pelo vento correspondente ao elemento é calculada derivando-se a expressão de em relação a , obtendo-se:
Cujas soluções são:
E portanto:
4.5.8 Conjugado máximo do motor
O conjugado do motor correspondente ao elemento de superfície de pá foi calculado anteriormente. Pode-se também calcula-lo da seguinte forma:
Isolando-se tem-se:
Que se anula para ;
A condição de um torque do motor máximo é obtida para o seguinte valor de :
E é da seguinte forma:
4.5.9 Velocidade angular máxima
A velocidade angular máxima 
Para se obter uma velocidade angular uniforme nos aerogeradores de eixo horizontal, é necessário que tanto a velocidade do vento , quanto a sua direção, permaneçam constantes em relação a pá.
A relação somente varia entre 0.2 e 10, o que permite fazer a seguinte classificação das maquinas eólicas de eixo horizontal segundo sua TSR:
· Para grandes Moinhos 
· Para aerogeradores de pás múltiplas 
· Para aerogeradores rápidos com hélices .
5.0 PROJECTO DE UMA CENTRAL EÓLICA
Como ponto de partida dos projectos no geral, são desenhados algoritmos, pois estes definem os caminhos para se chegar a solução de um problema, tem-se:
Início de Projecção 
· Estabelecer as Condições Inicíais do projecto; 
· Escolha de Um Gerador Eléctrico.
· Projectar as Pás;
· Projectar o Veio; 
· Projectar o Sistema de Controlo de Para a travagem do veio;
· Projectar a Estação Meteorológica; 
Potência Saída ~ 20KW
Instalar a Turbina
Acoplar uma caixa de Velocidade
5.1 Esquema geral do projecto
De uma forma mais generalizada, ilustra-se o pretendido ao final do projecto, um esquema de ligação, partindo desde a turbina eólica, que será responsável por converter a energia cinética do vento) em energia eléctrica, esta turbina contem 4 itens importantes no projecto, começando no dimensionamento das pás da turbina, o eixo principal, um sistema microcontrolado para travar a turbina, e um gerador com potência necessária para alimentar o frigorifico. 
Em seguida o controlador de carga, responsável por comutar o circuito de ligação directa da turbina a carga e as baterias a carga, no último estágio se encontra um inversor responsável por inverter a energia produzida de Continua para alternada. 
Figura 28: Esquema Geral do Projecto.
5.2 CÁLCULO PROJECTIVO DO AEROGERADOR
5.2.1 Critérios de Seleção do Frigorifico 
· Consumo médio de energia não deve ser superior a 60% da capacidade do Gerador;
· Capacidade do Frigorifico deve satisfazer 70% do que se produz diariamente, aproximadamente a 12 toneladas;
· Custos; 
Segundo os critérios acima estabelecidos, escolhe-se a camara frigorífica ilustrada abaixo na figura 29, e as suas especificações estão na tabela 4. 
Figura 29: camera frigorifica de 10’. 
 Fonte: http://masterlogg-brasil.com.br/containers-frigorificos-economicos/index.html
Tabela 4: Características Gerais do Frigorifico
	MEDIDAS EXTERNAS
	Comprimento
	3,05 
	Largura
	2,45 
	Altura
	2,60 
	MEDIDAS INTERNAS
	Comprimento
	2,90 
	Largura
	2,30 
	Altura
	2,30 
	Carga Máxima
	9800
	Cap. Cubica
	13 
	ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS GERAIS
	Temperatura
	
	Rede Trifásica
	220/380/440V
	Disjuntor
	50A/ 30A/ 30ª
	Consumo
	6 8 kW/hora
Fonte: http://masterlogg-brasil.com.br/containers-frigorificos-economicos/index.html
5.3 ESCOLHA DO GERADOR
O gerador é o principal elemento responsável por transformar a energia mecânica em energia elétrica, devido a sua estrutura complexa e de difícil projecção, opta-se pela escolha de um gerador já fabricado e disponível no mercado, que encaixasse nas condições de projeto.
 Os critérios adotados na seleção do gerador elétrico são:
· Potência nominal 50% maior que a potência consumida pelo frigorífico;
· Deve ser de acoplamento directo;
· Baixa velocidade nominal de rotação; 
· Deve ser Trifásico e com Grau de proteção a corrosão;
· Torque de partida baixo; 
Segundo os critérios estabelecidos acima, escolhe-se o gerador com as seguintes especificações: 
Tabela 5: Características do Gerador Escolhido GDF-315
	Modelo
	GDF-315
	Potência nominal
	20kW
	Velocidade nominal de rotação
	300 rpm
	
	
	Tensão nominal
	220VAC
	Torque de partida
	47.75 N.m
	Torque nominal
	31383.3 N.m
	Tipo de Ligação
	Y
	Tipo de gerador
	
Íman permanente AC
	Número de fase
	Trifásico
	Peso
	1360 Kg
	Grau de Proteção
	 IP54
	Material da Caracaça do gerador
	Aço
Fonte: https://www.alibaba.com/product-detail/HOT-20KW-60rpm-Low-rpm
Prossegue-se para o dimensionamento das pás do aerogerador, sendo elas o primeiro elemento na captação da energia cinética do vento.
5.4 PROJECTO DAS PÁS
Sendo as pás do aerogerador, a parte mais complexa do projecto, pressupõem-se alguns dados iniciais que tornaram menos complexo o seu dimensionamento, tais dados, podem variar em função de uma determinada área ou mês do ano, porém, a estimativa média anual é o mais aconselhável em caso de dimensionamento.
Tabela 6: Dados de Partida Para dimensionamento das Pás
	Dados de Partida
	
	Potência útil do Gerador 
	
	Massa Especifica do Ar 
	1,25 
	Velocidade Máxima do Vento 
	 
	Velocidade Media do Vento 
	
	Rendimento global do Aerogerador 
	95 %
	Coeficiente de Potência
	0,45
5.4.1 Determina-se então o diâmetro do Rotor
O dimensionamento do diâmetro do rotor deve ser feito tendo em conta as máximas condições das referidas variáveis, para tal iguala-se a potência específica do gerador escolhido, a potência de saída do sistema considerando a velocidade máxima do vento. 
Para a potência nominal previamente estipulada de 20 kW, para um , para uma velocidade do vento de 12 m/s, para uma massa volúmica do ar de , Considerando um rendimento global da turbina de 0,95 calcula-se a área:
Sabe-se que o rotor detém uma forma circular, portanto:
Acha-se o diâmetro do rotor
Assim o raio mínimo e máximo da pá fica:
Segundo DIEZ, As pás não podem ter a sua base no eixo da turbina uma vez que é necessário garantir a não interferência entre elas, uma correcta ligação ao hub e, pelo menos neste caso, a incorporação no hub e na sua base do mecanismo de variação de pitch. Considerou-se adequado um valor de 9% do para o raio mínimo das pás (Rmin) – ver Figura 34.
Figura 30: Raios mínimo e máximo da pá.
5.4.2 Acoplamento rotor eólico-gerador eléctrico
No acoplamento do rotor ao gerador eléctrico, através de uma redução, deve-se ter em conta a rotação a qual o gerador ira funcionar. Ao se selecionar um gerador eléctrico para trabalhar em baixa velocidade (por exemplo para carregar baterias), o rotor pode ser posto para trabalhar na velocidade máxima do vento (DIEZ, 2003.). 
Por exemplo supondo que o gerador requer
para gerar potência de e o rotor funciona com estas , não é necessário colocar nenhuma redução e o acoplamento será direto. Essa rotação corresponde a um TSR igual a:
Este valor é bastante elevado, oque é aconselhável a colocar um redutor, com uma relação, de , reduzindo assim a velocidade de rotação para , por consequência também a diminuição da para , porém, raramente as condições máximas de vento são uma constante, oque pode-se prosseguir sem necessidade de acoplar ao eixo uma caixa de velocidade. Sendo que se deseja acionar um gerador eléctrico, de acoplamento directo e de baixa rotação. Pode-se prosseguir com a TSR de 7,22. 
5.4.3 Solidez das pás
Uma vez selecionada a relação de redução do acoplamento rotor-gerador e para tanto o TSR, determina-se a solidez mediante o gráfico da figura 35 e o número de pás segundo a tabela 7.
Figura 35: Relação entre o coeficiente de solidez e o TSR. (GASCH; TWELE, 2002.)
Tabela 7: Número de pás em função do TSR
	TSR
	1
	2
	3
	4
	5 a 8
	8 a 15
	Número de pás
	6 a 20
	4 a 12
	3 a 8
	3 a 5
	2 a 4
	1 a 2
Fonte: GASCH; TWELE, 2002.
	
Deduzindo-se que para um , a solidez deve ser da ordem de 20% e o rotor tripá. Portanto, o numero de pás de um aerogerador não é de grande importância em sua actuação, sendo os critérios de seleção mais económicos do que técnicos, uma vez que quanto maior o número de pás maior o custo, quanto mais pás, maior o torque de partida.
5.4.4 Perfil da pá
Perfís com altos valores de , da ordem de 60, para próximo da unidade são mais interessantes. A espessura do perfil diminui desde o engaste com o cubo ate a periferia. Quando a espessura do perfil aumenta, diminui a relação , e o perfil transmite menos força ao rotor.
 Como os perfis grossos devem estar mais próximos do cubo, por razões estruturais, produzem pouco torque, e por isso pode-se suprimir essa zona. Concretamente, em uma região de 9 a 15% próximo ao cubo, não é necessário colocar perfis aerodinâmicos. Na periferia das pás, estas nunca devem superar espessuras de 18%. 
Para perfilar uma pá deve-se proceder, em primeiro lugar, um esquema da mesma, figura 50, dividindo-se a pá em várias secções, e calculando a relação de velocidades SR correspondentes a cada uma delas.
Figura 31: Divisão de uma pá (DIEZ, 2003.)
Na prática, o estudo da pá envolve divisões maiores, que podem variar de projectista a projectista, chegando na ordem de dez ou mais divisões.
Valores de 
O angulo determinam-se em função dos valores de , de acordo com o gráfico 3.
Gráfico 3 Valores de θ em função de SR. (DIEZ, 2003.)
Tem-se:
E em função do Gráfico W acha-se os valores de SP.
Gráfico 4: Valores do parâmetro de forma SP em função de SR. (DIEZ, 2003.)
5.4.5 Cálculo dos coeficientes de sustentação e máximo
Na figura 45 se apresenta a polar do perfil MH110 e a mesma escala a representação de em função do ângulo de ataque . Desse gráfico se obtém que a sustentação máxima aparece para uma ângulo de ataque próximo a e que o arrasto mínimo se produz para um valor de , que corresponde a um coeficiente de sustentação . 
	
Tabela 8: Máquinas de eixo horizontal
	Tipo de Máquina
	TSR de Projecto
	Tipo de Pá
	
	
	1
	Placa Plana
	10
	Bombeamento de Água
	1
	Placa Curva
	20-40
	
	1
	Asa de tela
	10-25
	
	3-4
	Perfil Simples
	10-50
	Geradores Eólicos Pequenos
	4-6
	Perfil Abaulado
	20-100
	
	3-5
	Asa de Tela
	20-30
	Geradores Eólicos Grandes
	5-15
	Perfil Abaulado
	20-100
Fonte: DIEZ 2003.
O melhor funcionamento de uma pá se produz para um ângulo de ataque em que a relação seja máxima, isto é, o coeficiente de sustentação tem que ser máximo (mas não necessariamente o máximo absoluto) e ao mesmo tempo o coeficiente de arrasto deve ser mínimo.
Figura 6: Coeficientes de arrasto e de sustentação do perfil FX60-126.
Para o perfil FX60-126 o valor máximo de se obtém da relação:
5.4.5 Comprimento da corda
Para cada distância radial , calcula-se o comprimento da corda mediante a seguinte expressão:
Sendo Z o número de pás Os comprimentos das cordas correspondentes as diversas secções são:
5.4.6 Relação da pá
A relação entre a envergadura da pá (seu comprimento) dada pelo se raio máximo e a media das cordas nas distintas secções consideradas:
Permite obter para o raio máximo o valor que serve para corrigir o ângulo de incidência .
5.4.7 Correção do ângulo de ataque .
O ajuste do ângulo de ataque . para um valor óptimo da relação se faz mediante a seguinte equação empírica:
Que é, em uma primeira aproximação, constante para todas as cordas, tomando o valor médio obtido anteriormente para as mesmas. Pode-se calcular com maior precisão tomando para cada distância da corda correspondente, e tratando cada secção como um caso particular.
Fonte: http://airfoiltools.com/plotter/index
5.4.8 Ângulo de inclinação
Um fator importante no desenho de superfícies helicoidais é determinar a torsão que a pá sofre de forma que seu ângulo de inclinação não seja constante, isto é, deve existir uma variação desse ângulo ao longo de todo o perfil, de forma a consertar o fato de que para diversos raios ao longo da pá, a velocidade de saída do vento vária com a distância ao centro de rotação, o que faz com que o ângulo não seja constante em cada secção do perfil. 
O ângulo se chama também ângulo de torção e se determina mediante a correção do ângulo de ataque, obtendo-se para cada secção transversal a inclinação das diferentes cordas da pá, para cada distância r ao centro de rotação, mediante a equação da seguinte maneira:
Que determinam o ângulo que a corda forma em cada secção do perfil da pá com relação ao plano de rotação.
5.4.9 Resistência aerodinâmica das pás
A forma mais simples de expressar a resistência aerodinâmica do aerogerador em rotação imerso em uma corrente de ar é através da força aerodinâmica.
a) Força aerodinâmica nas pás 
Onde:
 
 
 
A Força aerodinâmica em cada pá será:
b) Força estática aerodinâmica (aerogerador parado) 
Considera-se o Coeficiente de solidez (Ω=0,65) que é o valor ideal.
Entretanto a:
 
5.4.10 Resistência aerodinâmica do rotor
a) Força centrífuga do rotor 
Onde: 
 
É uma constante de ajuste das diversas unidades envolvidas e o seu valor pode ser extraído da Tabela 9.
Tabela 9: Expoente relacionado com a camada limite, Fonte [3].
	Relevo
	Coeficiente
	Areia, superfície do oceano
	0,1
	Capim/Relva baixa, terreno descoberto
	0,16
	Capim alto ou culturas de altura baixa
	0,18
	Culturas de alturas elevadas ou florestas baixas
	0,2
	Florestas altas
	0,3
	Subúrbios arborizados e pequenas cidades
	0,45
Fonte: DIEZ 2003.
Escolhe-se o material utilizado para a construção das pás, zinco com densidade de =7100
a) Momento flector da pá 
Calcula-se a partir das forças aerodinâmicas que actuam sobre a pá na distância .
5.5 PROJECTO DO SISTEMA DE TRANSMISÃO
O sistema de transmissão do aerogerador, engloba todos os componentes que fazem a transmissão da potência desde as pás até o gerador elétrico. Dentro desse sistema, estão presentes diversos componentes como eixos, mancais/rolamentos, chavetas, engrenagens, freios, acoplamentos, dentre outros .
5.5.1 CÁLCULO PROJECTIVO DOS VEIOS
Veios são elementos giratórios com, geralmente, uma secção circular que suportam vários elementos de máquinas, transferindo momentos torsores de elementos à outros (Rui V. Sitoe). 
Escolhe-se para o veio, aço 45X, melhorado a 850˚C, de dureza superficial HB250; limite de resistência à ruptura =834MPa e resistência ao escoamento =638MPa. 
Os veios são susceptíveis a falhas por insuficiência da rigidez, sendo esta, o factor que determina a sua capacidade de trabalho; adopta-se, para o veio 18 MPa como tensão admissível ao cisalhamento.
Figura 32: Veio de transmissão
5.5.2 Determinação dos parâmetros geométricos dos escalões
Segundo Rui V. Sitoe, o veio do motor deve ser de diâmetro tal que consiga transmitir o torque desejado à saída deste e portanto deve-se de antemão calcular o torque a que