FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA
CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA
PRIMEIRA SÉRIE DO ENSINO MÉDIO – Turma: 3124 - Grupo H
Projeto reconstrução de uma experiência do MCT-PUC
ENERGIA EÓLICA
Diego Pacheco dos Reis (06)
Guilherme Silva dos Santos (11)
Lucas Gums (20)
Patrick Cristiano da Silva de Oliveira (28)
Novo Hamburgo, maio 2008
SUMÁRIO
SUMÁRIO..............................................................................................................2
1- Introdução
Este relatório tem como finalidade demonstrar tudo o que nós já fizemos sobre o nosso
projeto sobre energia eólica, suas utilidades suas formas de armazenagem e como ela
esta sendo utilizada hoje, entre muitas outras coisas.
O mundo de hoje vive um grave problema com a energia utilizada. Cada vez mais
cientistas buscam achar fontes de energia renováveis que não prejudiquem o meio
ambiente. E por isso o grupo escolheu esse projeto, para entender mais o que a energia
eólica.
Iremos fazer um pequeno cata-vento para que a gente aprenda um pouco. Visaremos
muito à utilidade deste relatório, para que o leitor tenha como entender o que energia
eólica
Estamos acompanhando e anotando tudo no nosso caderno de campo, ele esta servindo
como base para este relatório.
Pequena ilustração do início do projeto.
Fundamentação teórica
Aqui iremos colocar todas as paráfrases que o Profº Luiz André Mützenberger nos
colocou para fazer.
2.1 Trabalho e energia
De todos os conceitos da ciência, talvez o mais central seja a energia. A energia
combinada com a matéria é o que forma o universo, o que é fácil de compreender.
Matéria é tudo aquilo que podemos ver, tocar e cheirar, já a energia é o que movimenta
a matéria, mas é abstrato, não podemos ver, tocar ou cheirar. Energia é algo difícil de
definir, pois não é apenas uma “coisa”, mas sim uma coisa e um processo juntos. Não
vemos energia, só sentimos se efeito. Assim como quando recebemos energia do sol,
sentimos em forma de energia térmica, nos esquentando.
2.1.1 Trabalho, potência e rendimento
Um objeto pode armazenar energia dependendo de sua posição a um outro objeto, esta
energia é chamada de energia potencial, por que desse jeito o objeto tem potencial para
realizar o trabalho. Assim como uma mola esticada, ele tem energia por que está
esticada, se estivesse largada, estaria sem potencial para fazer qualquer trabalho.
A energia gerada a partir de combustíveis também e potencial, devido as posições doa
átomos relativos as moléculas. Essa energia é liberada quando os átomos são
rearranjados, ou seja, quando ocorreu transformação química.
É preciso fazer força para que um objeto seja erguido na atmosfera terrestre devido á
gravidade, o que é chamado de força potencial gravitacional. O martelo de uma bateestaca possui energia, pois é primeiramente erguido para depois ser solto e bater na
estaca.
Essa energia é medida através da seguinte fórmula: Energia gravitacional= peso x
altura.
2.1.2 Energia mecânica
Para erguer o peso de um martelo de um bate-estaca, é necessário realizar trabalho, o
que possibilita que o martelo adquira a propriedade de exercer trabalho sobre a estaca
abaixo, caindo sobre ela. Nesta situação, o martelo ganhou energia para realizar o
trabalho que foi definido, caindo sobre a estaca, exercendo força continua.
2.1.3 Energia utilizada no mundo
A demanda global por energia aumentou nos últimos 150 anos, acompanhando o
desenvolvimento industrial e o crescimento populacional. Especialistas prevêem que a
sede por energia deve continuar a crescer em ao menos 50% até 2030. As maiores
fontes da energia mundial são o carvão, o petróleo e o gás natural. No entanto, essas são
fontes que um dia vão se esgotar. Nas últimas décadas, também tem aumentado a
preocupação sobre o impacto ambiental desses combustíveis.
Especialistas em clima alertam que as emissões de gases do efeito estufa, criados pela
queima de combustíveis fósseis e por outras atividades humanas, precisam ser reduzidas
substancialmente para evitar mudanças climáticas perigosas. A pressão para substituir
os combustíveis fósseis colocou em evidência as chamadas fontes renováveis de energia
- como, por exemplo, o Sol e os ventos. Mas elas também enfrentam desafios: as
tecnologias viáveis ainda estão se desenvolvendo, e os custos de instalação tendem a ser
altos. Essas fontes de energia não devem conseguir uma fatia muito significativa do
mercado dentro dos próximos 25 anos.
No Brasil essa realidade de custos e otimização de tecnologia pode ser revista no
quesito energia renovável, desde que haja uma política clara e evidente junto ao setor de
geração de energia limpa. É necessária que o governo brasileiro acredite em seus
cientistas e profissionais do setor para dar início a jornada de energia hidrelétrica de
baixas quedas, com tecnologia nuclear na geração de energia elétrica através da força
das águas.
2.1.4 Fontes de energias alternativas
Luz solar
Nas últimas três décadas, o aproveitamento da energia solar para aplicações diversas
tem sido bastante destacado, especialmente em países tropicais e subtropicais, como o
Brasil, que dispõem de condições excelentes de radiação solar ao longo do ano.
O uso direto da energia solar tem três atrativos principais: primeiro, sua capacidade de
renovação, menos impacto ambiental e a terceira é a viabilidade de aplicação junto às
fontes consumidoras, o que elimina a necessidade de transporte através de grandes
distâncias.
O uso direto da energia solar pode ser feito de duas formas: como fonte de luz e calor
ou para produção de eletricidade. A maneira mais utilizada é converter a energia solar
diretamente em energia elétrica, utilizando células fotovoltaicas revestidas de
semicondutores que, ao absorver luz, produzem uma pequena corrente elétrica.
Devido aos elevados custos de fabricação e manutenção, a utilização dessas células não
oferece vantagem para extenso uso comercial, a não ser em pequenas usinas elétricas
em regiões muito distantes de geradoras hidro ou termoelétricas. Atualmente, existem
projetos de produção de eletricidade via satélite, captando e convertendo a energia solar,
por meio de grandes painéis ao redor do planeta, em eletricidade que será transmitida
para a Terra por microondas.
Pilhas Combustíveis
Devido à alta eficiência e as baixíssimas emissões de ruído e poluentes, a aplicação de
pilhas combustível para geração de energia elétrica e propulsão de veículos pode vir a
ser um dos grandes avanços tecnológicos da próxima década.
As pilhas combustíveis convertem a energia química de um combustível em eletricidade
na forma de corrente contínua.
Apesar de terem concepção teórica conhecida desde do século XIX, as pilhas
combustíveis não tiveram desenvolvimento comercial até 1950 devido a problemas com
materiais e ao conhecimento científico limitado sobre as reações eletroquímicas
necessárias.
Fontes de energias convencionais
Hidroelétricas
A energia primária da água é a energia potencial gravitacional, que antes de se tornar
energia elétrica, deve ser convertida em energia cinética de rotação. Quem realiza todo
esse processo de conversão é a usina hidrelétrica, que é um conjunto de obras e
equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica. No Brasil, devido a grande
quantidade de rios, a utilização das hidrelétricas como forma de geração de energia é
responsável pela maior parte da energia consumida no Brasil. O Brasil possui
juntamente com o Paraguai, a maior usina hidrelétrica do mundo, a usina de Itaipu.
Petróleo
O Petróleo existe na Terra nos estados sólido, líquido e gasoso. Era conhecido e usado
pelos povos mais antigos, sobretudo na forma de betume, que servia para muitas coisas,
entre as quais construir estradas e calafetar embarcações. Ganhou importância no
mundo moderno quando substituiu o óleo de baleia na iluminação pública das cidades
européias.
È hoje a maior utilização de energia no mundo. Mas esta sendo contestado cada vez
mais pelos autos índices de poluição causados por ele. Mesmo sendo tão poluente
ninguém pensa em parar de usá-lo, pensam somente no lucro de dinheiro e não no
futuro do planeta.
2.1.4 Energia eólica
A energia do vento foi empregada desde a antiguidade para mover navios á vela e
moinhos. Ultimamente, após mais de um século de consumo fácil, quase nos tínhamos
se esquecido dela. Hoje com o fim da abundancia de petróleo e carvão, volta-se a falar
nesta forma de energia, só que de uma maneira diferente, voltada a eletricidade.
O uso de cata-ventos horizontais difundiu-se pelo mundo islâmico após a conquista do
Islã pelos Árabes. No século XVII, a Holanda tornou-se uma nação industrial utilizando
da energia eólica em moinhos e navios. Somente na Alemanha, Np século XIX já
funcionavam 10.000 moinhos enquanto em outros países da Europa, funcionavam 8.000
moinhos.
O formato dos moinhos sofreu varias alterações durante sua existência, variando de 3
até 32 pás, com velas de pano ou madeira, conforme a região e a utilidade.
Os moinhos de vento eram primeiramente utilizados para circular a água e acionar
moendas. Na Dinamarca, em 1880, Lacourt utilizou pela primeira vez para produzir
eletricidade, sendo produzida naquela época 9KW de eletricidade. Atualmente, existem
vários tipos de aerogeradores que produzem mais de 1MK de potência. Estes cataventos gigantes são instalados em torres com mais de 30m de altura, com hélices de
lâminas de mais de 50m de diâmetro. Na região de Cabo Frio, existem salinas em que a
água do mar é bombeada por moinhos de vento.
A energia eólica também é utilizada para mover barcos e navios. Existem vários
indícios de que Wikins vieram para o continente americano com embarcações á vela, os
egípcios navegaram com barcos movidos a vento, os índios pré-incaicos atravessaram o
lago Titica com balsas com vela, as caravelas de descobertas do Brasil eram movidos a
vento. As inovações dessas embarcações permitiram aos portugueses o domínio da
navegação marítima por longos tempos. Temos ainda esportes atuais movidos a vento,
como o Wind - surf e a asa-delta.
O cata-vento converte a energia dos ventos em energia mecânica, que é transformada
em outros tipos de energia conforme a sua utilização. Podem ser empregados para
extrair água de poços, irrigação, moinhos de cereais, produção de energia elétrica, para
mover maquinas têxteis...
Os cata-ventos e os aerogeradores podem ser com eixo vertical e rotação perpendicular
ao solo e com eixo horizontal e eixo de rotação paralelo ao solo. Com eixos verticais,
operam independentemente da direção dos ventos enquanto que os de eixo horizontal
necessitam de leme, para direcionar, conforme as variações do vento. A incidência de
vento nas pás deve ser de forma perpendicular, para maior aproveitamento da energia
cinética.
A eficiência do cata-vento e definida com a razão extraída do vento pela potencia
contida no vento e de outras fórmulas, pode-se calcular o aproveitamento máximo de
um cata-vento, explorando a energia da melhor maneira possível.
Os moinhos devem ser construídos afastados do chão, para seu melhor aproveitamento,
por que a velocidade do vento aumenta com a altura. Outro fator que determina a
eficiência da energia é o desenho das pás.
A energia produzida depende da variabilidade do vento, havendo necessidade de
armazenamento de energia, para ocasião de dias com menos vento. Pode-se transformar
a energia mecânica das rotações em energia potencial de água, bombeando água para
um reservatório, enquanto tiver vento, para utilizar-se numa turbina hidráulica,
posteriormente ou ainda pode-se utilizar um acumulador elétrico.
2.2.1 Calculo da potência
Como calcular a potencia de um cata-vento, sendo que sua pá 40m de raio, a velocidade
do vento seja 10m/s e a eficiência global seja de 15%.
Solução: a área da seção reta da hélice é dada por:
A= π x r² = π(40)²= 5,0 x 10³m²
Se pudéssemos aproveitar 100 da energia do vento, a potencia do cata-vento seria de:
Pmáx= 1/2p x A x V³ = (1,2Kg/m³)x(5, x 10³m²) x (10m/s)³ = 3,0 X 10³+³W= 3,0 MW
Podendo-se usar apenas 15% da energia do cata-vento, a potencia seria de ;
P=0,15 x Pmáx= 0.45 MW
Comparando com um gerador eólico com uma turbina a vapor, a turbina a vapor tem
uma potencia de ordem de 16 w, para produzir esta mesma potência com gerador
eólicos, seriam necessários aproximadamente 2.200 deles, o que desvaloriza a produção
de geradores eólicos.
2.2.2 Tipos de hélices
A função da hélice é transferir a potência do vento para o gerador produzindo corrente.
Se não for feita uma seleção adequada da hélice, provavelmente o desempenho, isto é, a
eficiência será prejudicada. Conhecer o seu princípio de funcionamento é de
fundamental importância para a instalação do conjunto do motor.
Aqui estão representados quatro tipos de cata-ventos.
2.2.3
A conversão é feita pelos geradores elétricos, que nada mais são do que motores
elétricos que ao girarem em torno de seus eixos induzem (pela lei de Faraday) uma
corrente elétrica em seus pólos.
Os geradores podem ser basicamente dos tipos "AC" ou "DC", se converterem a energia
para a forma de corrente alternada ou contínua.
Nos tipos de geradores de corrente contínua, a energia é convertida, como o nome já
indica para a forma direta ou contínua de corrente elétrica e carrega uma bateria que
acumula esta energia para uso posterior. Esta forma de conversão é um pouco
incômoda, pois requer um banco relativamente grande de baterias para que se possa ter
uma quantidade de energia razoável num determinado lugar, além disto, os utensílios
domésticos e a maioria dos aparelhos eletrônicos são projetados para funcionar ligados
a corrente alternada devido às facilidades de transporte que esta maneira proporciona.
Assim, nos sistemas em que se usam geradores de corrente contínua, é necessário que se
tenha ligado juntamente ao sistema um inversor para que se possam utilizar diretamente
aparelhos elétricos.
Já os geradores de corrente alternada (AC), geram a eletricidade, como o nome diz, na
forma de corrente alternada e pode ser usado diretamente nos nossos aparelhos elétricos
e eletrônicos do dia a dia.
Existe, porém dois inconvenientes deste tipo de produção de eletricidade: o primeiro é
que não se é possível estocar energia na forma de corrente alternada, tendo que retificála por meio de diodos, por exemplo, para a forma contínua e armazená-la em bancos de
baterias; o segundo inconveniente é que os geradores de corrente alternada geram
correntes em freqüências que variam com a velocidade de giro do rotor, e como os
ventos variam muito, as freqüências geradas pelo gerador também variam muito; para
controlar este problema, visto que nosso sistema de energia tem que estar em torno de
60 Hz, é preciso ligar ao sistema um dispositivo que mantenha a freqüência em torno
dos desejados 60 Hz; este dispositivo é chamado de inversor síncrono.
2.4 Teorias do funcionamento do protótipo
Impactos ambientais
A energia eólica é utilizada em varias partes do mundo, porque é uma fonte renovável
de energia.
Apesar de não conseguirmos utilizar toda a capacidade de um cata-vento podemos
conseguir uma pequena porção da sua capacidade, já é um grande avanço.
A forma mais comum de se conseguir energia eólica é pelo cata vento. Existem vários
tipos de cata vento, cada tem um jeito diferente, pois extrai a energia um pouco
diferente.
Alguns tipos de cata-ventos são: cata-vento tradicional, Turbina eólica, cata-vento de
Darrieus e rotor de Savônius.
A busca pela energia eólica se deve aos impactos ambientais causados pelas energias
convencionais, que são as mais utilizadas no mundo.
O grupo acredita depois das pesquisas, que a energia eólica pode ser a mais utilizada
daqui a alguns anos. Com novas pesquisas surgindo e cada vez mais alguns cientistas
buscando fontes de energia que não causem impactos ambientais também acreditam
nisso.
Assim nosso futuro pode ser mais limpo, e que a natureza nos ajude e casualmente a
gente ajude ela a sobreviver aos impactos.
Protótipo
Os cata-ventos convertem energia mecânica em energia elétrica através de
aerogeradores.
Para ter o melhor desempenho, os cata-ventos devem estar perpendicularmente ao chão.
Suas pás devem ter inclinação de 15° em relação ao eixo. É preciso também varias pás
acopladas no eixo para que possam aproveitar melhor a energia eólica.
Os motores devem produzir correntes continua, pois armazenam a mesma assim
acumulando energia.
3-Desenvolvimento
Mostraremos a montagem do nosso protótipo. Construiremos um cata-vento pequeno,
caseiro com finalidade de ligar um led.
3.1 Montagem do projeto
Inicio da construção do projeto.
Materiais utilizados para a construção do protótipo:
•
Uma madeira de 40 x 30 cm
•
Um motor de carrinho simples
•
Um chapa de plástico dura
•
Um led
•
Seis fios elétricos de condução
•
Cola quente
•
Multímetro
•
Cooler
Construção:
Começamos cortando as hélices para colar no motor. Colocamos o motor na base
horizontal.
Grudamos os fios de condução na saída de energia e colocamos nas pernas do led.
Pegamos um ventilador e ligamos, tivemos sucesso na locomoção das hélices.
Com a força do vento as hélices não giravam o suficiente para ligar um led. Montamos
mais um cata-vento para que a tensão saída dos motores chegasse a 1,5W que é a
energia mínima para ligar um led.
No final, com os dois motores o grupo conseguiu ligar o led.
3.2- Ajustes do experimento
Tivemos que fazer três ajustes no protótipo.
A primeira foi que o gripo havia invertido os pólos, e a tensão que a gente media era
negativa, assim sendo impossível ligar o led.
No segundo ajuste, vimos que as hélices eram muito utilizavam toda a capacidade do ar.
Montamos novas hélices de tamanho maior.
No ultimo erro vimos que mesmo com as hélices grandes o motor não produzia a
energia suficiente para ligar o led. Ela produzia 0.9 W e o necessário seria 1.5 W.
Construímos mais um cata-vento com mesmas proporções.
3.3 Realização do protótipo
3.4 Análises de dados
Observamos que com as hélices maior obtivemos mais rendimento do motor em relação
as menores. Elas sofrem mais atrito com o ar girando mais rápido. Assim o motor gera
mais energia. Quanto mais rápido for o ar mais energia se gera.
Conclusão
O grupo gostou muito de realizar o projeto, aprendemos um pouco mais sobre a energia
eólica.
Observamos que ela já era usada há muito tempo, desde as grandes navegações até hoje
utilizada na transformação de energia mecânica em elétrica, mas vem se aperfeiçoando
conforme a sua necessidade.
A energia eólica é uma alternativa de energia renovável, mas seu preço alto prejudica a
sua expansão.
A construção do protótipo foi realizada com sucesso, conseguimos atingir o objetivo,
ligar o led.
Para o terceiro trimestre queremos aperfeiçoar a construção do cata-vento.
Referencias bibliográficas
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