LER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL

2. LER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL ENERGIA EÓLICA EDIÇÃO: 2.006 Prof. Tomaz Caetano Cannavam Ripoli

3. LER 332 - MECÂNICA E MÁQUINAS MOTORAS TÓPICO: FONTES ALTERNATIVAS DE POTÊNCIA: MOTORES EÓLICOS, MOTORES HIDRÁULICOS e ENERGIA DE BIOMASSA PROF. CAETANO RIPOLI _____________________________________________________________________________ 1. MOTORES EÓLICOS. 1.1. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO. O QUE É VENTO? “MASSA DE AR EM MOVIMENTO” E SUA ENERGIA CINÉTICA (eV ) É EXPRESSA POR: eV = m . V2 / 2 (MASSA DE AR . VELOCIDADE) (1) UMA MASSA DE AR QUE PASSA NUMA ÁREA “A”, NA UNIDADE DE TEMPO, SERÁ: m = d . A . V (2) ONDE d = DENSIDADE DO AR (1290 g/m3)

4. A POTÊNCIA EÓLICA (Pe) É OBTIDA SUBSTITUINDO-SE (2) EM (1): Pe = d . A . V3 / 2 (EMPÍRICA) EQUAÇÃO GERAL DA POTÊNCIA TOTAL DISPONÍVEL PARA DIFERENTES UNIDADES DE POTÊNCIA, ÁREA E VELOCIDADE Pe = k . A . V3

7. Pe = k . A . V3 VALORES DE k A SEREM EMPREGADOS NO CÁLCULO DA POTÊNCIA DISPONÍVEL NO VENTO ----------------------------------------------------------------------------------------------------- UNIDADES DE POTÊNCIA ÁREA VELOCIDADE VALOR DE k ----------------------------------------------------------------------------------------------------- CV m2 m/s 0,0008766565 kW m2 m/s0,00006449924 kW m2 km/h 0,0000138244 hp pé2 m.p.h. 0,0000071316 kW pé2 m.p.h. 0,0000053215 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Adaptado de Golding(1955) SEGUNDO BETZ(1922):APENAS UMA FRAÇÃO DO POTENCIAL DISPONÍVEL SE TRANSFORMA EM TRABALHO ÚTIL. PERDAS OCORREM DEVIDO A : POTÊNCIA DE ATRITO, VARIAÇÃO DA VELOCIDADE, TIPO DE ROTOR E POR QUESTÕES ERODINÂMICAS. A ESSA FRAÇÃO DEU-SE O NOME DE COEFICIENTE DE EFICIÊNCIA MÁXIMA - Cp (VARIA DE 0,3 A 0,4)

8. OUTROS ESTUDOS EM AEROMOTORES DE ÁRVORES HORIZONTAIS E DE PÁS DEMONSTRARAM QUE HÁ LIMITES NAS RELAÇÕES ENTRE: VELOCIDADE ANGULAR (w) , RAIO DO ROTOR (R) E VELOCIDADE DO VENTO V A RELAÇÃO ÓTIMA ENTRE ESSAS VARIÁVEIS É : w. R / V = 0,9 ASSIM, A EQUAÇÃO DE POTÊNCIA MECÂNICA- Pm OBTIDA É EXPRESSA POR: Pm = Cp . k . A . V3

9. EXEMPLO APLICATIVO: AVALIAR O POTENCIAL EÓLICO(Pe) EM cv, A POTÊNCIA MECÂNICA OBTIDA (Pm), EM cv; A VELOCIDADE DO ROTOR, EM rpm;E O TORQUE(T), EM mkgf DESENVOLVIDOS POR UM AEROMOTOR TIPO BETZ NO.2, CUJO COEFICIENTE DE POTÊNCIA MÁXIMA (Cp) = 0,35; PARA UMA VELOCIDADE NOMINAL DO VENTO (V) = 5,9 m/s E COM UM DIÂMETRO DA RODA-DE-PÁS(D)= 3,95 m. 1. CÁCULO DA ÁREA DA RODA-DE-PÁS(A): A = PI . D2 / 4 = 3,1416 . 15,60 / 4 = 12,25 m2 2. CÁLCULO DO POTÊNCIAL EÓLICO (Pe) EM cv: Pe = k . A . V3 k = 0,0008766565 (tabela) Pe = 0,0008766565. 12,25 m2 . 205,38 m/s Pe = 2,20 cv

10. 3. CÁCULO DA POTÊNCIA MECÂNICA OBTIDA (Pm): Pm = Cp . Pe Pm = 0,35 . 2,20 cv = 0,77 cv 4. CÁLCULO DA VELOCIDADE DO ROTOR (N): Para rotor tipo Betz no.2, tem-se que : w . R = 0,9 . V w = 2 . P . n (rps) ASSIM: 2 . P . n . R = 0,9 . V PORTANTO: n = 0,9 . V / 2 . P . R

11. MAS O PROBLEMA PEDE A ROTAÇÃO EM rpm! PORTANTO: N(rpm) = n(rps) . 60 N(rpm) = (0,9 . V / 2 . P . R) . 60 PORTANTO: N = (0,9 . 5,9 m/s / 2 . 3,1416 . 1,975) . 60 N = 25,67 rpm 5. CÁLCULO DO TORQUE (mkgf): QUAL É A EQUAÇÀO BÁSICA DE POTÊNCIA MECÂNICA, (em cv)? P = (2 . P . N . T) / (75 . 60) PORTANTO: T = (P . 60 . 75) / (2 . P . N) ASSIM: T = (0,77 . 60 . 75) / 2 . 3,1416 . 25,67) T = 21,48 mkgf

12. PARA UTILIZAÇÃO DE AEROMOTORES DEVE-SE OBSERVAR ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DOS VENTOS: - ALTITUDE ; 30- 60 m - A VARIAÇÀO DA VELOCIDADE, POR HORA DURANTE O ANO - VELOC. MÉDIA ANUAL:24 h/dia.365 dias/ano=8760 VALORES EXEMPLO: NUM CERTO LOCAL OBTEVE-SE OS SEGUINTES VALORES DE VELOCIDADES MÉDIAS DOS VENTOS: ---------------------------------------------------------------------------------------- V (MILHAS/h) t (horas) POTENCIAL ENERGÉTICO EÓLICO ANUAL (V3 . t) -------------------------------------------------------------------------------------------------- 0 87860 0,00 10 7850 7,85 x 106 20 5550 44,00 x 106 30 3000 81,00 x 106 (máximo) 40 1250 80,00x 106 50 500 62,50 x 106 60 120 25,92 x 106 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

13. Todos aeromotores de árvore horizontal, apresentam, como uma de suas especificações, asvelocidades de ABERTURAe de FECHAMENTO. PARA SELECIONAR UM AEROMOTOR, DEVE-SE ANALISAR: - POTENCIAL EÓLICO DO LOCAL: ALTITUTE; VARIAÇÃO DA VELOCIDADE, NO ANO; VELOC. MÉDIA PARA VÁRIOS NÍVEIS DE TEMPO E VELOCIDADE MÁXIMA INSTANTÂNEA. - CARACTERÍSTICAS DO AEROMOTOR: COEFICIENTE DE EFICIÊNCIA MÁXIMA; ÁREA DAS PÁS; VELOCIDADES DE ABERTURA E FECHAMENTO E RELAÇÃO W . R/ V

16. S I S T E M A ? “É UM CONJUNTO DE PARTES COORDENADAS ENTRE SI, DE FORMA QUE CONCORRAM PARA UM CERTO RESULTADO” (LIMA & BARROSO, 1943) PROCESSO ? “É UMA SÉRIE DE FENÔMENOS QUE SE SUCEDEM E SÃO LIGADOS POR RELAÇÕES DE CAUSA E EFEITO; SÃO DIVERSOS PERÍODOS DA EVOLUÇÃO DE UM SISTEMA”. (LIMA & BARROSO, 1943) OS SISTEMAS ESTABELECIDOS SÃO RESPONSÁVEIS PELOS PROCESSOS. A RECÍPROCA NÃO É VERDADEIRA!

17. EXEMPLOS: 1 - SISTEMA DIGESTIVO APRESENTA MUITAS PARTES DISPOSTAS DE FORMA ORGANIZADA. É O LOCAL PROVEDOR DE CONDIÇÕES PARA QUE OCORRAM OS PROCESSOS DIGESTIVOS COM OBJETIVOS METABÓLICOS ESPECÍFICOS. 2 - MICROCOMPUTADOR É UM SISTEMA ELETRÔNICO DESENVOLVIDO PARA RESOLVER CERTOS PROBLEMAS. O OPERADOR É O RESPONSÁVEL PELOS PROCESSOS DE RESOLUÇÃO. • PROCESSO DE SEMEADURA EM UM SISTEMA • MECANIZADO • PROCESSO DE COZIMENTO DE FEIJÃO EM PANELA • DE PRESSÃO

18. BIBLIOGRAFIA BÁSICA GERAL: Mialhe, L.G. Máquinas motoras na agricultura. v.1. EPU. São Paulo. 289 p. 1980. Hinrichs, R.A. Energy. Cap. 8. Sauders College Publishing. New York. 540 p. 1992. F I M