Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178
Anais do IV Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420
23 e 24 de setembro de 2014
DESENVOLVIMENTO DE REDES DE SENSORES SEM FIO PARA
CARACTERIZAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA VERTICAL
Guilherme de Souza Araújo
Faculdade de Engenharia Elétrica
CEATEC/PUC-Campinas
[email protected]
Resumo: Por meio do aproveitamento da energia
gerada pelos ventos, o trabalho descrito pretendeu
construir, implementar e aperfeiçoar um dispositivo
eólico para geração de energia elétrica. Esse dispositivo foi projetado com o intuito de empregar coletores de vento (aerogeradores) usando materiais de
baixo custo e sensores específicos para aquisição de
grandezas físicas relevantes para obtenção de medidas de eficiências em diferentes condições de uso. A
proposta envolveu as seguintes etapas: pesquisa
bibliográfica; seleção de materiais; construção, montagens e testes mecânicos e, principalmente, aplicações de sensores e de elementos elétricos e eletrônicos; além de alguns testes de computacionais que
viabilizaram o uso e a aquisição de medidas por
meio de uma turbina eólica vertical. Optou-se por
realizar as medições experimentais por meio de sensores digitais de temperaturas, velocidade de rotação, voltímetros e amperímetros, que foram colocados em pontos estratégicos do dispositivo eólico.
Simultaneamente, por meio do emprego de um anemômetro, procurou-se efetuar medidas da velocidade
do vento durante os vários ensaios experimentais
previstos. Todos os parâmetros experimentais puderam ser identificados com o uso de programas de
computador (SCADABR e do EXCEL) desenvolvidos
especificamente conforme as necessidades. Para
tanto, foi necessário construir e aperfeiçoar uma
placa micro-controladora cuja função foi a identificação e leitura de todas informações, além de realizar
a interface entre os dispositivos utilizados (sensores
de temperaturas e de rotação, voltímetros, anemômetro, dentre outros) com o microcomputador.
Palavras-chave: energia alternativa, RSSF, turbina
eólica.
Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra
– Engenharia Elétrica.
Júlio César Penereiro
Grupo de Modelagem Matemática
CEATEC/PUC-Campinas
[email protected]
1. INTRODUÇÃO
A importância que a geração de energia eólica vai
ocupar no futuro próximo ainda não está definida,
porém, o espaço a ser ocupado se abre pela
necessidade de reduzir a participação da queima de
combustíveis fósseis. Além deste fator, há outros,
como a rejeição justificada ou não ao uso de
sistemas nucleares para geração de energia elétrica,
o elevado custo dos sistemas solares fotovoltaicos e
pela grande dificuldade em construir hidroelétricas,
com cada vez maiores perdas de terra devido ao
reservatório criado, além dos impactos ambientais
causados.
Num contexto histórico, a evolução dos antigos
moinhos de vento até as máquinas atuais se deu a
partir de algumas inovações tecnológicas das quais
convém destacar o uso de pás com perfil em formato
de aerofólio, provocando o verdadeiro surto de
instalações nos anos 1930-40, e a aplicação dos
imãs de alta potência que dão competitividade às
máquinas de hoje.
Um grande impulso aos sistemas de captação de
energia eólica foi o realizado quando se aplicou os
denominados
perfis
aerodinâmicos,
idênticos
àqueles usados em asas de aeronaves. Porém,
alguns pesquisadores, interessados em estudar os
coletores eólicos, se voltaram para o aperfeiçoamento de perfis mais eficientes ao uso em turbinas
eólicas. Esses estudos permitiram obter uma
limitação de velocidade, pelo fenômeno do “stall”, e
do ruído causado pelas altas velocidades das pontas
das hélices. Outra motivação desses estudos tem
sido o emprego de alternadores elétricos, por serem
extremamente úteis em condições de operações
onde a topologia do local é adequada às condições
das velocidades do vento, permitindo a construção
de máquinas mais leves e potentes [1, 2].
Finalmente, nesta mesma linha de raciocínio, o acoplamento elétrico às redes de distribuição ainda
constituiu-se numa área de amplos estudos, visto
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que, devido a sua natureza permanentemente variável, o vento oferece uma curva de potência aleatória,
obrigando os sistemas elétricos a possuírem desconfortáveis ajustes tecnológicos.
Além de ser uma fonte renovável e que reduz a
emissão de gases estufa, a energia eólica estimula o
desenvolvimento tecnológico e industrial do país de
forma sustentável, o que, em alguns anos, pode
ampliar a oferta dessa matriz energética.
Desta forma, aproveitando esse cenário otimista, o
trabalho descrito visa contribuir com os estudos na
geração da energia elétrica a partir da energia eólica.
Desenvolveu-se e analisou-se o comportamento de
uma turbina eólica de pequeno porte, em princípio,
para finalidades didáticas. A meta principal foi a de
desenvolver um conversor de energia eólica de pequeno porte, apropriado para fins didáticos, mas que
pudesse ser utilizado em residências e estabelecimentos comerciais. O equipamento apresentado, em
uma versão inicial, pretende reduzir o consumo de
eletricidade, o que significará uma economia na conta de energia elétrica do usuário.
2. OBJETIVOS
A proposta inicial, contida em um Plano de Trabalho,
visava utilizar a geração da energia elétrica a partir
da energia proveniente do vento, isto é, a energia
eólica. Para esse propósito, iniciou-se desenvolvimento de uma turbina eólica de pequeno porte, cujo
objetivo foi estudar e analisar o comportamento dos
processos físicos envolvidos nas diferentes formas
de energias presentes no equipamento. Além disso,
com auxílio de sensores digitais de velocidade do
vento, de rotação, de voltagens e correntes elétricas,
aliado ao uso de programas computacionais específicos, pretendeu-se criar um dispositivo empregando
RSSF para medir grandezas físicas que possibilitassem a determinação da eficiência instantânea e média do mesmo. Essas medidas de eficiências podem
ser obtidas por meio de análises das potências elétricas geradas em função da velocidade do vento
incidente, simulando diferentes condições ambientais
em laboratório.
3. METODOLOGIA DESENVOLVIDA
O trabalho de Iniciação Científica foi desenvolvido
parcialmente nos Laboratórios de Física e de Meios
de Transmissão do CEATEC da PUC-Campinas.
Tendo como meta o desenvolvimento, os testes e a
coleta de medidas num sistema que usa a conversão
da energia eólica em energia elétrica. O equipamento desenvolvido e estudado, do ponto de vista financeiro, é de baixo custo, além de ser relativamente
leve e de fácil manuseio. Os parâmetros climáticos,
tais como temperatura ambiente do ar, pressão atmosférica, umidade relativa do ar, velocidade de
vento, em todos os processos dos estudos, são também importantes fontes de informações necessárias
para obtenção da eficiência do dispositivo proposto
além dos parâmetros elétricos, como a tensão e a
corrente elétrica geradas.
Além disso, o trabalho desenvolvido levou à realização de uma ampla pesquisa bibliográfica, seleção de
materiais, testes e montagem que obedeceram ao
propósito da construção, assim como a utilização de
ferramentas e acessórios que o viabilizaram.
Durante essa etapa inicial, avaliaram-se os dispositivos disponíveis para medidas de algumas grandezas
físicas, como a velocidade de vento, velocidade de
rotação do rotor da turbina, temperatura, corrente e
voltagem elétrica gerada por um alternador de veículo, dentre outras.
Após a implantação do modelo definitivo para o
equipamento aerodinâmico, em posição simétrica de
instalação no eixo de rotação, foram realizados alguns ensaios experimentais básicos independentes,
visando medições qualitativas das grandezas físicas
para determinação da eficiência do dispositivo eólico.
Espera-se que, com a eficiência determinada ao
longo de vários ensaios experimentais, por meio da
medida da potência elétrica gerada e a velocidade
instantânea do vento, dentre outros parâmetros experimentais, foi possível determinar as características do coletor eólico e em seguida compará-lo com
outros equipamentos similares do mercado.
O conversor eólico, a ser definitivamente desenvolvido num futuro próximo, será factível de ser empregado em algumas atividades do dia-a-dia, tais como,
carregar baterias elétricas, alimentar um aparelho de
som e um microcomputador, dentre outros dispositivos com baixa demanda de energia elétrica. Obviamente, pretende-se com a turbina eólica desenvolvida extrair o máximo de energia disponível no vento
incidente, tornando-a compatível com o uso em aparelhos domésticos, reduzindo desta maneira o consumo de eletricidade.
4. RESULTADOS
4.1. Montagem da turbina eólica vertical
A turbina eólica desenvolvida foi a de tipo vertical,
também conhecida como “Aerogerador Savonius” ou
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rotor “S”. Optou-se por esse modelo por não ser
necessário o dispositivo de orientação da turbina
face ao vento, tal como ocorre nas turbinas de eixo
horizontal. Além disso, pode-se dizer que esse tipo
de rotor é um dos mais simples e o principal foco de
sua instalação é a economia financeira adquirida por
seu comprador [3].
Sendo a eficiência relativamente baixa nos “Aerogeradores Savonius”, esses equipamentos acabam por
se diferenciarem das demais turbinas de eixo vertical
e horizontal devido, principalmente, à simplicidade na
montagem e no funcionamento.
Resumidamente, os coletores de formatos específico, permitem absorver com eficiência a energia cinética do vento. Como eles estão solidários a um eixo
de rotação, possibilitam que se transmita a energia
eólica em energia mecânica de rotação. Por meio de
um sistema de engrenagens anexado a esse eixo de
rotação, é possível transferir a energia mecânica ao
eixo de um gerador de energia elétrica. Usando reguladores de tensão e cabos apropriados, pode-se,
como aplicação direta, carregar uma bateria ou outro
sistema que requeira energia elétrica para o funcionamento.
Para execução da montagem da unidade eólica prevista no projeto, foram necessárias algumas aquisições específicas para o correto dimensionamento e
garantir o pleno funcionamento do dispositivo. Neste
sentido, empregaram-se para montagem os seguintes materiais: vinte metros de tubos metálicos de
17,5 mm de diâmetro; quatro mancais de rolamento
com 100,0 mm de diâmetro externo; quatro tambores
plásticos e três metálicos cortados ao meio; eixo
metálico com 26,8 mm de diâmetro e 1890,0 mm de
comprimento; eixo metálico de entrada do gerador de
energia elétrica; alternador elétrico automotivo de 24
Volts; gerador de frequências Toshiba; regulador
(com transistor) de tensão de saída para 3,0 Volts;
engrenagens de 20 dentes e 80,0 mm de diâmetro; e
correntes de borrachas para transmissão.
A Figura 1a ilustra a estrutura principal da turbina
eólica vertical. A primeira etapa da montagem foi
soldar os tubos metálicos estruturais da turbina eólica juntamente com os mancais de rolamento. Posteriormente, foi possível posicionar os rolamentos nos
mancais e o eixo vertical do rotor, conforme mostra a
Figura 1a.
Esta estrutura pode ser separada em três partes de
mesmas dimensões, sendo no módulo inferior fixado
o alternador que capta, por meio de uma correia
ajustável, a rotação do eixo principal que por sua vez
está fixado nos rolamentos e mancais. A Figura 1b
ilustra uma separação do módulo inferior com o módulo central e o superior.
(a)
(b)
Figura 1. (a) Estrutura principal da turbina eólica vertical. (b) Módulo inferior, com o alternador elétrico fixado e conectado ao eixo de rotação por meio de uma
correia, separado do módulo central e do superior.
Após a montagem desses módulos estruturais, partiu-se para a etapa relacionada à fixação dos coletores de vento. Como citado anteriormente, optou-se
pelo uso de materiais de baixo custo, daí o emprego
de tambores metálicos cortados ao meio. A Figura 2
mostra a composição desses materiais fixados ao
eixo de rotação da estrutura metálica comentada
anteriormente.
Figura 2. Ilustração da versão simplificada da turbina
eólica vertical com os componentes principais para
coleta do vento incidente.
Visando um maior aproveitamento eólico, foi previsto
que os coletores de vento seriam posicionados com
uma diferença de 60º de cada nível de rotação. Após
o posicionamento e fixação desses coletores, necessitou-se incluir um sistema de transmissão do rotor
da turbina para o gerador elétrico do tipo automotivo,
visando a execução e a conversão da energia mecânica para energia elétrica (Figura 3). Para tanto, uma
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correia flexível interliga o eixo de rotação, onde está
fixada uma roldana, ao alternador elétrico. Posteriormente, o sinal elétrico gerado é repassado para um
regulador de tensão visando compatibilizar essa
tensão de saída.
4.2. Determinação da curva de eficiência e acessórios
A curva de eficiência, ou curva de potência, da turbina eólica vertical, cuja montagem é descrita no item
anterior, pode ser obtida por meio de dados da potência gerada para velocidade do vento incidente no
local de realização dos ensaios.
Para tanto, primeiramente, deve-se calcular a potência com dados de tensão e corrente elétrica medida
durante ensaios na saída da turbina, por meio da
Equação 1.
P = V ⋅ I ⋅ cos(ϕ )
Figura 3. Detalhe do sistema de transmissão da energia mecânica de rotação em energia elétrica com uso
de um gerador elétrico automotivo (alternador).
No sentido de realizar ensaios controlados, visando
medidas experimentais da eficiência global da turbina eólica que foi construída, decidiu-se construir um
protótipo de “túnel de vento”, isto é, um equipamento
complementar que fornece ventos forçados direcionados por meio do emprego de um grande ventilador
elétrico (marca Munters-Euroemme, com dimensão
de 1,40m x 1,40m). Este equipamento ligado a um
gerador de frequências, conectado ao motor elétrico
do ventilador, possibilita o controle da velocidade de
rotação do mesmo e, consequentemente, a velocidade do vento gerado. Por meio de um sistema metálico fechado, onde em uma das extremidades fica
posicionado o ventilador e na outra a turbina eólica
vertical, permite analisar o comportamento da turbina
eólica com o vento incidente sobre ela.
Para que as medições dos parâmetros experimentais
pudessem ser realizadas por intermédio de procedimentos adequados, rápidos e seguros, empregaramse alguns sensores digitais do tipo DS1820 [4], sensores de velocidades no eixo de rotação, anemômetros, placas de comunicação e interfaces do tipo
ARDUINO [5] ou RADIUINO [6]. Lembrando que
esses últimos dispositivos já existiam no Laboratório
de Meios e de Telecomunicações e puderam ser
usados na pesquisa. Entretanto, outros materiais
utilizados no desenvolvimento do trabalho foram
custeados pelo responsável do projeto maior, enquanto que outros foram doados por fornecedores
e/ou adquiridos por doações de pessoas conhecidas
pelo professor responsável, mas não relacionadas
diretamente ao projeto.
(1)
Nesta relação, P é a potência calculada (em Watt); V
é a tensão voltaica medida (em Volt = V); I é a corrente elétrica (em Ampère = A) e φ é o ângulo de
fase entre a tensão e a corrente elétrica. Adicionalmente, a incerteza dos resultados pode ser obtida
usando a Equação 2.
δP
 δV 
 δI 
= 
 + 
P
 I 
V 
2
2
(2)
Sendo que, nesta equação, os termos δV e δI são as
incertezas fornecidas pelos fabricantes do voltímetro
e amperímetro, respectivamente.
As medições de tensão podem ser feitas por meio de
um voltímetro e amperímetro ligados aos terminais
de saída do alternador e um banco de baterias, em
paralelo e em série, respectivamente. Mede-se e
registraram-se os valores instantâneos da tensão e
corrente elétrica, com medidas realizadas, por
exemplo, a cada 5 minutos em cada ensaio.
Para a medição da velocidade do vento foi usado um
anemômetro (Figura 4), localizado na direção entre a
saída do ventilador e na entrada principal, onde se
localizava o rotor da turbina eólica vertical.
Figura 4. Vista do anemômetro utilizado amedição da
velocidade do vento.
Utilizando o mesmo sensor e método utilizados no
item anterior, o sensor de Efeito Hall (Figura 5) foi
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usado, já que, da mesma forma, iria usar a frequência para o cálculo das velocidades de rotação para
análise de dados e estudo de hipóteses [7]. Sendo
levado em conta que, os sensores foram colocados
de modo que não atrapalhassem o movimento das
pás coletoras, para que não houvesse nenhuma
perda, por interferências na resistência do ar.
Figura 5 – Imagem do sensor de Efeito Hall utilizado.
O sensor escolhido é usado em diversas áreas, mas
com o mesmo intuito, medir velocidades. Porém,
apenas com ele, conseguimos valores de frequência
(número de oscilações por segundo) para futuros
cálculos. Por isso, foi escrito um algoritmo para o
tratamento de dados vindos do sensor. Assim, temos
as velocidades, tanto linear quanto angular. Neste
sentido, o sensor trabalha exatamente como o fenômeno estudado por Edwin H. Hall, mas invertendo o
sentido do fluxo de corrente a cada vez que um imã
passa por ele, ou, em outras palavras, trocando o
pino de entrada pelo de saída ao sofrer ação do
campo magnético.
Como comentado antes, a turbina eólica trabalhou,
na maior parte do tempo, sofrendo a ação do ventilador. Então, o emprego dessas grandezas ao projeto
virá quando a unidade eólica for colocada em um
ambiente estratégico para entrar em contato com os
ventos espontâneos. Com os valores em mãos, teremos conhecimento do comportamento dessas
grandezas na produção dos ventos. O sensor utilizado está ilustrado na Figura 6.
Figura 6 – Ilustração do sensor de temperatura e umidade.
Para receber todos os dados vindos dos sensores,
foi necessária a construção de uma placa de controle, já que a mesma seria responsável pelos cálculos
e outros tratamentos de dados.
A placa por sua vez, se comunica com uma base
(UartsBee), ligada a um computador via USB, por
meio da comunicação via rádio com o dispositivo
BE900 e transfere essas informações a um software
de gerencia, que no caso é o ScadaBR, o qual nos
desse uma visão mais organizada das grandezas e,
consequentemente, dos sensores aplicados na turbina eólica.
Vemos que na placa, conforme na Figura 7, que há
entradas e saídas. Nas entradas temos a ligação dos
sensores e as saídas foram usadas para tomada de
decisão, quando algum sensor apontar um valor prédeterminado [3].
Figura 7 – Imagem da placa de controle, onde na entrada foram implementados os sensores.
O trabalho permitiu aprofundar e compreender a
ideia proposta no Plano de Trabalho de Iniciação
Científica, ou seja, a geração de energia elétrica a
partir da energia eólica durante o processo. Foi possível estar perto da construção, desenvolvimento e
uso da turbina eólica e, principalmente, o emprego
de sensores somados numa RSSF visando à eficiência energética.
Apesar da dificuldade de realizar o estudo, pois o
equipamento utilizado e a área estudada nos impõe
certas exigências e premissas, tais como: condições
reais de operação de uma turbina eólica, condições
ambientais favoráveis e a incidência dos ventos,
além de problemas na construção das pás coletoras,
dentre outras. Dessa forma, é possível admitir que os
objetivos propostos foram sendo alcançados satisfatoriamente.
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Os testes, aqui apresentados e discutidos, revelam
que os sensores tiveram um desempenho bom, diante dos objetivos que haviam sido determinados no
inicio do trabalho.
REFERÊNCIAS
[1]
Lima, M. R. (2009). O uso da energia eólica
como fonte alternativa para solucionar problemas de energia e bombeamento de água subterrânea em locais isolados. TCC do curso de
Engenharia da Universidade Federal de Lavras.
45p.
[2]
Silva, G. B. O. (2011). Desenvolvimento de uma
turbina eólica de eixo vertical. Dissertação em
Engenharia Aeroespacial. Instituto Superior
Técnico da Universidade Técnica de Lisboa,
Portugal, 98p.
[3]
EAESL (The Encyclopedia of Alternative Energy
and Sustainable Living). (2012). Disponível em:
<http://www.daviddarling.info/encyclopedia/S/AE
_Savonius_turbine.html>.
Acesso
em:
19/10/2012.
[4]
DALLAS INSTRUMENTS. Semiconductor DS1820 digital thermometer. (2012). Disponível
em:
<www.spezial.com/doc/maxim/ds18s20.pdf>
Acesso em: 14/05/2012.
[5]
ARDUINO.
(2012)
<http://www.arduino.cc/>.
04/08/2012.
[6]
RADIUINO.
(2012).
Disponível
<http://sourceforge.net/projects/radiuino/>.
Acesso em: 13/11/2012.
[7]
HALL
(2014).
Disponível
em
<http://www.pessoal.utfpr.edu.br/msergio/Monog
-10-1-Efeito-Hall.pdf>. Acesso em 07/06/2014.
5. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES
Com as etapas discutidas no resumo e concluídas,
foi possível a exploração qualitativa e quantitativa de
áreas da Eletricidade, Eletrônica, Física Básica e
Moderna. Foi possível ter uma melhor compreensão
de conceitos dos campos citados anteriormente,
além da oportunidade de se ter contato com estudos
teóricos de caráter científico, somados aos objetivos
de otimizações de técnicas experimentais.
Quando o Plano de Trabalho proposto estiver completado, se poderá ter a oportunidade de comparar
os dispositivos de detecção para medições das eficiências da turbina eólica com as eficiências de outras
fontes alternativas de energia. Por intermédio dessa
conduta, poder-se-á refletir sobre diferentes maneiras de diminuir os impactos ambientais causados
pelo uso excessivo de outras fontes não renováveis,
como por exemplo, os combustíveis fósseis.
Entretanto, aplicações e outras análises deverão
ainda ser realizadas, já que tivemos um curto período de tempo para concluir todas as atividades previstas. Sendo assim, os realizadores do projeto pretendem consolidar todas as etapas previstas no próximo
período de bolsa de Iniciação Científica.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à PROPESQ e à Reitoria da PUCCampinas pela concessão da bolsa de Iniciação
Científica no período parcial de 2013-2014.
Disponível
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