Construção de mini turbina eólica vertical

TCC – Exame de
Qualificação
Aplicação de Energia Renovável em Residências:
Construção de uma mini turbina eólica vertical
FORMANDOS
•BRUNO MARQUES DE SÁ
•MESSIAS SIMÕES FILHO
•RAPHAEL HUNDSON SANTOS PINHEIRO
•TASSIO BRANDÃO DE PAULA
•VINICIUS SANTIAGO SARTORI
ORIENTADOR
Prof. Dr. Rafael Celeghini Santiago.
Engª Mecânica-Dezembro/2015

Agenda
• Objetivo geral
• Objetivos específicos
• Metodologia
• Justificativa
• Referencial Teórico (Estado da Arte)
• Projeto Experimental (Plano de Trabalho)

Objetivo Geral
Construção de uma mini turbina eólica
vertical acoplada a uma célula de bateria
para geração de energia em uma
residência.

Objetivos Específicos
•Projetar e construir uma mini turbina vertical
eólica;
•Realizar o estudo de viabilidade técnica
para implantação da mini turbina;
•Realizar o estudo de viabilidade econômica
e financeira do projeto;

Mercado de Turbinas Pequeno Porte
O mercado de Aerogeradores de Pequeno Porte é insignificante: há um único
fabricante (ENERSUD - RJ) e poucos sistemas híbridos, onde o aerogerador
gera energia junto com painéis fotovoltaicos ou com geradores diesel.
Mundial: Aerogeradores de pequeno porte (APP)-(Small Wind Turbines)
Fonte: WWEA Small Wind World Report (2014)

Metodologia
Este trabalho está sendo desenvolvido
através de um revisão bibliográfica sobre o
princípio de funcionamento de mini turbinas
verticais eólicas, legislação,
dimensionamento e projeto de investimento.

Justificativa
• As fontes de energia renováveis começam a se tornar
atraentes não só devido a questões ambientais como
também devido a questões econômicas.
• O tema se tornou mais pertinente após a aprovação da
ANEEL com a Resolução Normativa n° 482/2012, de
17/04/2012.
• Dessa forma, a unidade geradora instalada em uma
residência permitirá reduzir ou até mesmo zerar o valor
da conta de luz.

Referencial Teórico
Estrutura do Vento
Figura 27 – Mapa da distância do imóvel em relação ao litoral (Fonte: GOOGLE MAPS, 2015)

Medição do vento
Segundo Castro (2005), a
medição do vento é feita
com instrumentação
específica: anemómetros e
sensores de direção. É
essencial que a
instrumentação esteja bem
exposta a todas as direções
do vento, isto é, os
obstáculos devem estar
situados a uma distância
de, pelo menos, dez vezes
a sua altura.

Medição do vento
Atlas do Potencial Eólico Brasileiro Dados de vento a 50 m de Altura
Grandeza Unidade
Dez-
Fev
Mar-
Mai
Jun-
Ago
Set-
Nov
Anual
Velocidade média do vento m/s 5,46 6,08 7,16 6,58 6,32
Fator c 6,16 6,86 8,08 7,43 7,14
Fator k 1,94 1,99 2,25 2,32 2,1
Densidade de potência W/m2 196 264 385 291 284
Fonte: CRESESB, 2015
Tabela 3– Parâmetros Eólicos
Figura 29 – Velocidade de vento e distribuição de Weibull (Fonte: CRESESB, 2015)

Distribuição de Weibull
Figura 30 – Velocidade de vento e distribuição de Weibull (Fonte: Autores, 2015)

Efeito de Coriolis
Dados base do ar
Velocidade 6,32 m/s 22,752 km/h
Pressão 101235 Pa 1,033 kgf/cm²
Densidade 1,25 kg/m³
Viscosidade cinemática 0,000015575 Pa.s
Temperatura 25 ºC
Aceleração média 2 m/s² Estimada
Dados base do barril
Altura 1 metro
Diâmetro 0,75 metro
Dados da hélice
Altura 1 metro
Largura 0,35 metro
cone de aspiração 2 metro estimado
Força da massa de ar
1,193494675 N
Dados base do eixo
Velocidade de rotação 1000 rpm 16,67 rps
Velocidade de saida
6,25125 m/s
2,765 kg/s
Fonte: Autores, 2015
�𝑠𝑎𝑖𝑑𝑎 = � ∗
𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟�
2
𝐹𝑚 = 𝑐�𝑛𝑒 ∗ 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 ∗ ℎ ∗ � ∗ 𝑎
� 𝑚
𝑎𝑠𝑎
= � 𝑎𝑟 ∗ � 𝑎𝑠𝑎 ∗ �𝑎𝑟
Tabela 7 – Cálculos força da massa de ar,
velocidade saída e vazão na asa
Na tabela 7 são
apresentados os cálculos
realizados no excel do efeito
de Coriolis.

Conceito de Prandtl
Reynolds
Densidade 1,25 kg/m³
Velocidade 6,32 m/s
Diâmetro hidráulico 12 metros
Viscosidade cinemática 17,4*10^-6 Pa.s
Reynolds 4,4x10E+6 Turbulento
Mach
Mach 0,105905307 Incompressível
Velocidade c
Temperatura 298
R 6,16
k 1,94
c 59,67595161
Re =
v ∗ D
ϑ
𝑀𝑎𝑐ℎ =
�
𝑐
c = ξ kRT
Tabela 8 – Cálculos Reynolds

Demanda de energia
Histórico de Consumo
kWh / mês Valor R$ R$/kWh
dez/14 572 R$ 236,39 R$ 2,42
jan/15 740 R$ 317,21 R$ 2,33
fev/15 675 R$ 367,15 R$ 1,84
mar/15 626 R$ 320,80 R$ 1,95
abr/15 746 R$ 472,17 R$ 1,58
mai/15 695 R$ 450,29 R$ 1,54
jun/15 611 R$ 385,68 R$ 1,58
jul/15 553 R$ 395,22 R$ 1,40
ago/15 655 R$ 451,13 R$ 1,45
set/15 697 R$ 511,15 R$ 1,36
out/15 546 R$ 395,52 R$ 1,38
nov/15 604 R$ 477,58 R$ 1,26
Soma 7720 R$ 4.780,29
Média 640,5 R$ 395,37 R$ 1,56
Tabela 4 – Consumo mensal conforme conta de luz
Figura 30 – Gráfico do consumo de energia (Fonte: Autores,
2015)
Média kWh / mês
640,5
kWh / dia
26,69
kWh / hora
1,11
Fonte:
Autores, 2015
Tabela 5 – Demanda de
consumo

Modelos físicos e modelos numéricos
Conforme visto no item 2.2.4, quando se pretende estudar simultaneamente
vários locais, ou um só local disperso por uma área considerável, o recurso a
modelos, físicos e/ou numéricos, é uma prática habitual, mas os modelos não
substituem as campanhas de medição de vento, antes a complementam,
permitindo efetuar, com base nas medidas, extrapolações sobre o
comportamento de locais não experimentados.
Figura 31 – Gráfico do fluxo do vento vista de cima (Fonte: Autores, 2015)

Aerodinâmica
Scenario 1
BOUNDARY ID, 13
----------------
Area, 0.338196, m²
Avg. Pressure, 28.0081, Pa
sum FX, 9.24767, Newton
sum FY, -0.115186, Newton
sum FZ, 0.00067817, Newton
Center of Force about X-Axis (Y-Z), -0.00183123, 0.491954, m
Center of Force about Y-Axis (X-Z), 0.0386681, 0.495438, m
Center of Force about Z-Axis (X-Y), 0.00536471, 0.172797, m
sum MX, 0.0566647, N-m
sum MY , 4.58162 ,N-m
sum MZ, -1.59858, N-m
Summary
-------------------
Total area, 0.338196, m^2
TOTAL FX, 9.24767, Newton
TOTAL FY, -0.115186, Newton
TOTAL FZ, 0.00067817, Newton
Center of Force about X-Axis (Y-Z), -0.00183123, 0.491954, m
Center of Force about Y-Axis (X-Z), 0.0386681, 0.495438, m
Center of Force about Z-Axis (X-Y), 0.00536471, 0.172797, m
TOTAL MX, 0.0566647, N-m
TOTAL MY, 4.58162, N-m
TOTAL MZ, -1.59858, N-m
Torque, -1.59858, N-m
Tabela 6 – Relatório do Cálculo da asa feito no CFD

Aerodinâmica
Helice
Volume
Densidade 1800 Kg/m³
Fibra de
vidro com
resina epoxi
Fabricante
Vick
Forças
Mx 2,3869894 N.m
My 2,3869894 N.m
Mz 2,5 N.m Mz=T
peso 98,1 N
Tabela 9 – Cálculos das Forças atuantes na estrutura
Figura 36 – Cálculo da força do vento
conforme o ângulo da asa (Autores, 2015)

Geradores Eólicos

Dimensionamento de Sistemas Eólicos
Avaliação
do local
Avaliar as
necessidade
s energéticas
Selecionar o tipo
de aerogerador
Calcular o
tamanho do
aerogerador
Selecionar partes
integrantes
aerogerador
Avaliar os custos
do sistema
Refinar o desenho
do sistema
Avaliar as medidas
de conservação de
energia
Avaliar todo
projeto
Desenho final do
sistema
Impacto ambiental,
social e legal

Escolha da turbina
A turbina eólica escolhida para geração de energia na residência é uma turbina
de eixo vertical do tipo Savonius.
Uma das vantagens desse tipo de turbina é a possibilidade de ser instalada em
pequenas alturas e a habilidade de operação em ventos turbulentos e rajadas
de vento.

Dimensionamento da turbina
Para dimensionar uma turbina
eólica deveremos determinar
uma série de variáveis como
diâmetro do rotor, comprimento
e largura das pás, geometria e
posicionamento das pás, tipo
de configuração da turbina e
tipo de gerador elétrico que
será utilizado para converter a
energia mecânica da turbina
em energia elétrica.

Dimensionamento da turbina
Para a determinação das dimensões da
turbina, primeiramente é calculado o
rendimento utilizando a equação 14, a
potência do vento necessária para a
conversão, que é dada pela equação 13.
Considerando um rotor com altura h = 1
m; largura D = 0,75 m; = 1,25 Kg/m³; v⍴
= 6,32 m/s.
Desta forma, a turbina deve ter uma área
de captação que compreenda a potência
do vento de 379,21 W para a velocidade
do vento média de 6,32 m/s. A área de
captação da turbina pode ser calculada
pela equação 15.

Gerador de energia
A transformação da energia mecânica de rotação em energia elétrica através de
equipamentos de conversão eletromecânica é um problema tecnologicamente
dominado e, portanto, encontram-se vários fabricantes de geradores disponíveis
no mercado (CRESESB, 2008, p. 35).

Legislação
Segundo a Resolução Normativa n° 482/2012, de 17/04/2012 da ANEEL
ficou estabelecido as seguintes condições:
• Micro geração distribuída;
• Mini geração distribuída;
• Créditos com prazo de
utilização de 36 meses;
• Cobrança de taxa mínima;
• As distribuidoras deverão adequar
seus sistemas comerciais;
• Responsabilidade de montagem,
manutenção e operação do sistema.

Estudo de viabilidadeEstudo de viabilidade
Segundo Ryba 2012, um investimento é definido como um gasto focando a
melhoria do processo de produção. Assim, um projeto de investimento envolve
um estudo abrangente sobre o que será feito, envolvendo basicamente critérios
econômicos, critérios financeiros, além de critérios imponderáveis.

Tabela 13 – Custo dos materiais Tabela 15 – Rendimento de geração

Tabela 14 – Retorno do investimento

Projeto Experimental(plano de trabalho)
 Realizar um estudo da velocidade do vento no local em que
será instalada a turbina - Concluído;
 Realizar o levantamento da média do consumo mensal da
residência - Concluído;
 Realizar simulações no CFD com os dados levantados da
turbina – Parcialmente concluído;
 Com base no consumo estimado, determinar a potência
contínua que o sistema eólico deverá ser capaz de fornecer
para atender a demanda de energia por dia - Parcial;
 Dimensionar a turbina e o gerador elétrico - Parcial;
 Realizar o estudo de viabilidade econômica e financeira do
projeto - Parcial;
 Construção da turbina eólica e análise dos dados.

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