Desafio Turbinas Eólicas

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1. Introdução

O aerogerador ou turbina eólica é um equipamento que tem a capacidade de captar parte da energia cinética contida nos ventos e transformá-la em energia elétrica. Turbinas eólicas podem ser projetadas de diversas formas integrando um número variável de pás. Com base na orientação do eixo de rotação, há duas classes predominantes de turbinas eólicas: Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal (TEEH) e Turbinas Eólicas de Eixo Vertical (TEEV).

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Fig.: (a) Turbina eólica de eixo horizontal (TEEH) e (b) turbina eólica de eixo vertical (TEEV).

2. A energia do vento

A potência elétrica gerada por uma turbina é função do cubo da velocidade do vento v

equacao

onde:

P – Potência em watts;

ρ – densidade do ar (1.225 kg/m3 no nível do mar e a 15oC);

Ar – área varrida pelo rotor (Ar = πD2/4, D=2R é o diâmetro do rotor e R é o comprimento da pá);

Cp – coeficiente aerodinâmico de potência do rotor (valor máximo teórico = 0.593, na prática atinge 0.45 e é variável com o vento, rotação, e parâmetros de controle da turbina);

v -velocidade do vento, em m/s;

η – eficiência do conjunto gerador/transmissões mecânicas e elétricas (~0.93-0.98).

3. Itens necessários para turbina eólica

  • (1) Pás;
  • (2) Gerador Elétrico;
  • (3) Torre de sustentação;
  • (4) Base de Fixação;

Obs: Caso de eixo horizontal ou necessidade para direcionar ao vento, adicionar (5) Rabeira.

 Turbina com numeros

4. Critérios

  • A turbina eólica deve caber dentro de uma caixa de 50 x 50 x 50 cm³ sem considerar a base de fixação;
  • Os materiais usados na fabricação devem ser resistentes a intempérie (vento, chuva, etc), pois a turbina provavelmente será instalada;
  • Deverá existir um acesso a saída do gerador elétrico (6) para realização de testes com carga (resistores ou leds);
  • Um LED branco deve ser ligado a saída (6) do gerador.
  • O gerador deve ser fabricado pela equipe usando imãs e boninas de cobre.

5. Avaliação (Sujeito a alterações) 

Item avaliado Nota Peso
Energia Gerada 0 a 10 0,4
Criatividade e inovação 0 a 10 0,2
Estética 0 a 10 0,1
Trabalho escrito e apresentação 0 a 10 0,3

Sugestões:

Use a criatividade, inove, think out of the box!

FAQ – Frequently Asked Questions and Answers

Professor, eu poderei utilizar alternadores, tipo motores/geradores prontos? ou devo montar o equipamento todo do do inicio?

O gerador deverá ser montado a partir de materiais básicos, como imãs, fios de cobre esmaltado e resina.

A corrente gerada deve ser continua ou alternada?

Dada a configuração do gerador (imãs e bobinas) e seu princípio de funcionamento, a corrente será alternada (CA).

Aproximadamente quanta potência deve ser gerada?

Não existe um valor mínimo ou máximo para a potência. Como o gerador será homemade, sabe-se de antemão que sua potência e eficiência serão baixas em comparação a geradores industriais.

Professor, não quero gastar muito com imãs e achei os preços altos. Alguma dica?

A ideia é não gastar muito! Algumas opções de imãs de neodímio a custo acessível são as seguintes:

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Professor, poderia passar as especificações para os fios de cobre para a confecção das bobinas?

Dada as dimensões do gerador e o provável tamanho dos imãs, sugiro que as bobinas sejam fabricadas com fio AWG21. As especificações deste fio são as seguintes:

  • Diâmetro=0,7230 mm;
  • Seção=0,41mm2;
  • Metros/kg=269;
  • Espiras/cm2=164;
  • Resistência=41,46 ohms/km;
  • Capacidade de corrente=1,2 A.

Professor, pode citar algum vídeo que ajude na construção do gerador?

 

É necessário resinar as bobinas e aclopadas entre um estrutura de madeira? Ou poço simplesmente posiciona las sobre um superfície de madeira?sei que a segunda opção torna a distância entre os imãs maiores devido a espessura da madeira, isso interfere no desempenho?
Quanto menor a distância entre os imãs e as bobinas, maior a quantidade de energia gerada. O ideal seria uma distância máxima da ordem de 1-2mm. É importante resinar as bobinas! Desta forma elas estarão em uma posição fixa. Mas como resinar as bobinas?

Você pode usar resina epóxi ou massa plástica. A massa plástica é  mais fácil de ser usada. Basta adicionar o endurecedor e mistura lentamente para não criar bolhas. Depois disso, usando uma espátula você espalha a massa sobre as bobinas no molde.

Sei que de cada bobina sairá `2 fios` onde um será o polo positivo e o outro negativo, na hora de montar eu prendo (amarro) os polos positivos de cada bobina com as demais e os negativos respectivamente, ou deixo vários fios `soltos`?
A ligação dos fios das bobinas é uma das partes mais importantes na construção do gerador. Existem duas opções principais para ligação das bobinas: A ligação tipo DELTA ou a tipo ESTRELA.

Ligação Estrela

Neste tipo de ligação o início de cada uma das 3 bobinas é conectado junto. Os finais de cada bobina (livres) formam as 3 fases conforme figura abaixo.

estrela

Ligação Delta

Neste tipo de ligação os finais e inícios de cada bobina são conectados. O final da bobina 1 é conectado ao início da bobina 2. O final da bobina 2 é conectado ao início da bobina 3 e o final da bobina 3 é conectado ao início da fase 1. Para se formar as 3 fases são feitas ligações nos pontos de conexão início-final, conforme mostra a figura abaixo.

deltaIndependente da ligação ser DELTA ou ESTRELA a corrente gerada será alternada (CA). Para se obter corrente continua (CC) os fios de saída deverão ser conectados a pontes retificadoras que transformam a CA em CC.

Qual a diferença entre ligações Delta e Estrela

A diferença básica entre Delta e Estrela é que a ligação Estrela gera alta voltagem e baixa corrente enquanto que a ligação Delta gera baixa voltagem e alta corrente. A potência total (num circuito sem carga) é a mesma para ambos tipos de ligação.

Para calcular a voltagem e a corrente de saída de um gerador de 3 fases ligado com conexão do tipo Estrela ou Delta, basta medir a corrente e a voltagem de uma das bobinas. Multiplique a voltagem de uma das bobinas pelo número de bobinas por fase para obter a voltagem da fase. A raiz quadrada do número de fases (para 3 = 1,723) pode ser usada para calcular a corrente/tensão de saída para cada configuração. Por exemplo, se você tiver uma fase que fornece 20 V e 12 A temos:

Ligação Estrela: Voltagem = 20 * 1.732 = 34.6V, a corrente (12 A) não muda.
Ligação Delta – A Voltagem (20 V) não muda, a corrente = 12 X 1.732 = 20.8 A..

Note que a potencia é igual a voltagem multiplicada pela corrente e no exemplo acima vale P= 415 W em ambos casos.

Para geradores eólicos que serão instalados em locais onde há pouco vento ou a velocidade é baixa (como em BLUMENAU) a ligação entre as bobinas deve ser do tipo ESTRELA.

Para mais detalhes sobre como fazer a conexão ESTRELA na prática veja:

http://scoraigwind.co.uk/2012/12/3-phase-stator-visualisation/

http://www.instructables.com/id/WIRING-THE-COILS-IN-3-PHASES-AXIAL-FLUX-GENERATORS/

http://scoraigwind.co.uk/2011/12/wiring-up-a-12-volt-stator/

http://scoraigwind.co.uk/2012/05/clearer-drawing-of-the-10-pole-12-coil-design/

http://www.otherpower.com/stator.html

http://www.reuk.co.uk/Star-Delta-Wiring-for-Alternators.htm

http://www.thedoityourselfworld.com/Windmill-And-Generator-Construction-Details-And-Facts.php

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O numero de imãs tem que ser proporcional ao numero de bobinas? Ex: 8 bobinas apenas 8 imas, ou poço ter 8 bobinas 40 imãs?

Uma sugestão amplamente aceita na construção de geradores é a seguinte: 4 imãs para cada 3 bobinas. Normalmente se usa 12 imãs e 9 bobinas ou 12 bobinas para 16 imãs.

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Assunto: Desafio Turbinas Eólicas

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