Turbina Eólica Didáctica - construção / guião (1/5)

Curso Profissional de Técnico de Energias Renováveis
Turbina Eólica Didáctica - construção / guião

Com este post iniciamos a publicação de um guião para construção de uma turbina eólica didáctica nas aulas de Práticas Oficinais.
O guião terá cinco partes, e as restantes quatro irão sendo publicadas ao longo do tempo, que, esperemos, seja breve.



Construção

Ferramentas:
- Régua
- Pistola de Cola e Bastões de Cola
- Tesoura
- Chave de Fendas
- Compasso
- X-Acto
- Lápis
- Fita Isoladora
- Lixa fina
- Afia-Lápis
- Voltímetro



Materiais:

1 Garrafa de água de 1,5 l
1 Painel de madeira ou contraplacado com 14cm por 25cm, e 2cm de espessura
120 m Fio de bobinar esmaltado/envernizado
4 Discos magnéticos - Ímans (2 a 2.5 cm de diâmetro)
1 m Ripas quadradas de madeira: 2 peças com 30cm de comprimento (barras verticais) e 1 peça com 20cm de comprimento (barra horizontal)
1 Ripa redonda de madeira (6mm ou ¼”), 30cm de comprimento
1 LED
4 Camarões de 3cm de diâmetro
1 Parafusos para madeira (#8, 5/8 polegada, cabeça quadrada)
1 Anilha (25mm ou 7/8”)
1 Papelão ondulado/canelado, 60cm por 20cm
6 Pedaços de madeira (3 peças de quadradas com extremos cortados a 45º)
1 Cola branca (frasco pequeno)

Modelos:



Estes modelos apresentados na figura acima serão imprimidos no tamanho natural e entregues aos alunos.

Instruções:

- Cole a página / modelo que lhe foi entregue pelo professor ao papelão.
- Corte depois esse papelão segundo as formas das figuras, utilizando o canivete ou X-Acto.

Passos de Construção

Parte A – Moldura e Base

Para esta parte vai precisar de:

Ferramentas
Pistola de cola quente e bastões de cola
Afia-Lápis
Chave de Fendas
Régua
Compasso

Materiais
Placa de madeira de base (14cm x 25 cm)
Pilar vertical (ripa quadrada de 30 cm, 2 peças)
Barra de horizontal (ripa de 20 cm, 1 peça)
Parafuso
Abraçadeira
Camarão redondo

1. Utilize o lápis, régua e compasso para marcar a placa de base, de acordo com as dimensões dadas no diagrama abaixo.

Energia Eólica - Como Funciona

Produção de electricidade a partir da água e do vento (Parte 5/5)

Questionário

1. Uma hidroeléctrica de pequenas dimensões e autónoma funciona melhor
a. Com um inversor de potência e uma bateria
b. Com uma grande barragem e um grande reservatório
c. Quando usada com múltiplos reservatórios
d. Onde as correntes litorais correm perpendicularmente à praia

2. Uma turbina de maré pode ser usada para fazer operar um gerador, tirando vantagem de
a. Acção das ondas
b. Correntes litorais
c. Represa
d. Nenhuma das anteriores

3. Qual das seguintes não, em teoria, afecta a quantidade de electricidade produzida por uma turbina eólica quando ela está a funcionar correctamente num determinado momento?
a. O tamanho das lâminas
b. A velocidade do vento
c. O factor de capacidade
d. O tamanho do gerador

4. Suponha que lhe dizem que uma certa turbina eólica opera num pico de eficiência quando a velocidade do vento é de 15 m/s. Isso é equivalente a aproximadamente:
a. 10.5 km/h
b. 11.5 km/h
c. 43.5 mi/h
d. 51 km/h

5. Qual dos seguintes é uma fonte de energia eléctrica explorável e derivada do oceano?
a. As ondas produzidas por tempestades distantes
b. A corrente submarina produzida por quebra-mares
c. Correntes de redemoinho
d. Todas as anteriores

6. Uma hidroeléctrica de represa é mais fazível onde
a. O terreno é plano, e uma corrente rio flui através dele
b. O terreno é irregular, e um rio flui através dele
c. Um rio desagua no mar na forma de um grande delta
d. As vagas marítimas são consistentemente grandes, e as correntes de redemoinho são fortes

7. Suponha que um pequeno gerador eólico produz uma saída constante de 600W se o vento soprar com velocidade de 10m/s.
Quanta energia eléctrica produz esse gerador em 1 minuto de funcionamento?
a. 10 J
b. 60 J
c. 600 J
d. 36 000 J

8. Qual das seguintes afirmações (se é que há alguma) é falsa?
a. Num sistema eólico interactivo com baterias, a potência das baterias é vendida à companhia de electricidade se a potência fornecida pela turbina for insuficiente para carregá-las
b. Uma turbina de um sistema de larga-escala roda a uma velocidade constante para todas as velocidades do vento, dentro de uma certa gama
c. Enrolar pode ajudar a proteger turbinas de vento de pequena-escala de se danificarem com ventos fortes
d. Todas as afirmações anteriores são verdadeiras

9. Uma turbina de ar é provavelmente encontrada como um componente de
a. Uma barragem de marés
b. Um sistema hidroeléctrico de desvio
c. Um sistema hidroeléctrico de represa
d. Um gerador eléctrico de ondas

10. Uma grande barragem de represa pode causar
a. Que um excesso de oxigénio se dissolva na água antes da barragem
b. Faltas de água rio acima que não ocorreriam se a barragem não existisse
c. Problemas para a vida selvagem do rio e reservatório perto da barragem
d. Todas as anteriores

Produção de electricidade a partir da água e do vento (Parte 4/5: Eólicas de pequena e larga escala)

Energia Eléctrica Eólica em Larga-Escala



A velocidade do vento é normalmente medida em nós.
Cada nó equivale a 1852 Km/h.
Os fabricantes de turbinas eólicas quantificam-nas em m/s.
A maioria das grandes turbinas são construídas para operar a velocidades de vento de 3 a 4 m/s até 20 a 25 m/s, o que corresponde a desde uma ligeira brisa até um vento que nos impede de andar se formos contra ele.
Dentro desta gama de velocidades de vento, uma grande turbina pode gerar desde alguns kW até alguns MW, dependendo do comprimento das suas pás/lâminas, da velocidade do vento e do tamanho do gerador.
O factor de capacidade da energia eólica – a percentagem de tempo que este tipo de gerador pode funcionar, é de aproximadamente 25 a 40%, dependendo da localização geográfica e do desenho da turbina.
Os melhores locais são frequentemente muito longe das zonas populacionais, o que torna necessário o uso de longas linhas de transmissão para levar a energia eléctrica aos consumidores.

Considerações Acerca do Projecto

As grandes turbinas eólicas precisam de torres altas e fortes como suporte.
Uma turbina eólica típica mede entre 50 e 80 m e é fixada no chão por cimento armado.
As lâminas variam entre 25 a 40 m de comprimento.
A maioria das grandes turbinas tem 3 lâminas.
O diâmetro rotacional é igual a duas vezes o comprimento das lâminas.
O rolamento das lâminas, o gerador eléctrico e o aparelho de refrigeração estão contidos num compartimento chamado carlinga.
O sistema é desenhado para rodar a uma velocidade angular constante (aproximadamente 20 rotações por minuto - rpm) qualquer que seja a velocidade do vento.
Alterações na velocidade do vento originam variações na quantidade de energia entregue mas não na velocidade das lâminas.
Uma caixa de velocidades transforma a velocidade angular da lâminas na velocidade angular apropriada para o gerador produzir AC a uma frequência constante de 50Hz.

De modo a funcionar bem, uma turbina eólica de grandes dimensões tem de ser orientada de forma a que as suas lâminas rodem em torno de um eixo que aponta na direcção do vento.
Isto significa que o plano definido pelas lâminas rotativas tem de ser perpendicular à direcção do vento.
Para se poder orientar de forma automática, todo o conjunto (turbinas e carlinga) são capazes de rodar 360º na horizontal.
A direcção do vento e a sua velocidade são detectados por um cata-vento e um anemómetro.
Se o vento estiver muito forte, um sistema pára as lâminas e coloca-as no seu lugar, e um motor giratório roda aproximadamente 90º de forma a que o conjunto sofra o menos possível a carga do vento.
Na maioria das grandes turbinas eólicas, o rotor das turbinas está no lado barlavento da carlinga, como mostrado na figura A seguinte. Este sistema tem o nome de design upwind.
Em algumas turbinas o rotor das lâminas está do lado sotavento da carlinga, sendo esse sistema conhecido por design downwind.
Os peritos continuam presentemente a sua discussão sobre qual o melhor modelo.





Vantagens da Produção Eólica em Larga-Escala

- O vento é um recurso energético praticamente infinito
- Não produzem CO2, CO, NO8, SO8, partículas, contaminação dos solos, ou resíduos perigosos
- Uma vez instalada, uma grande turbina é muito fácil e barata de manter
- Este tipo de centrais pode reduzir a dependência dos combustíveis fósseis, hidroeléctricas e nuclear para a produção de energia eléctrica.
- As grandes turbinas eólicas podem ser dispersas por vastas regiões. Isso distribui a energia e poderá ajudar à obtenção de uma rede eléctrica tolerante a falhas
- A energia eléctrica obtida do vento pode ser usada para suplementar os outros modos de geração, o que torna a nação menos dependente de apenas uma fonte de energia, através da diversificação
- Mesmo as grandes turbinas ocupam pouco terreno, pelo que as actividades normais podem continuar a ser aí praticadas

Limitações da Energia Eléctrica Eólica em Larga-Escala

- O vento é uma fonte de energia intermitente. O factor de capacidade é menor do que o de todas as outras fontes de energia
- Uma turbina grande corre o risco de ser destruída ou danificada por tempestades
- Algumas pessoas não gostam da aparência física das grandes turbinas eólicas
- A energia eléctrica obtida a partir do vento, por si própria, não consegue satisfazer as necessidades totais de uma cidade ou país. Funciona pois como suplemento, usada em conjunto com combustíveis fósseis, fissão nuclear, e hidroeléctricas
- As localizações com vento consistente e utilizável ficam, frequentemente, muito afastadas dos centros populacionais, o que obriga à utilização de linhas de transmissão muito longas

Problema
Porque não é a energia eólica mais explorada?
Solução
Em teoria poderia ser. Há muitos locais onde o vento sopra a velocidades óptimas para operar as turbinas eólicas. O problema é encontrar uma maneira eficiente de transportar a electricidade produzida para os consumidores finais. Invariavelmente, muitos consumidores estarão demasiado longe dos locais de produção o que inviabiliza uma transmissão eficiente até eles. A tecnologia ainda não o permite sem grandes perdas.

Energia Eléctrica a partir do Vento em Pequena-Escala

O termo pequena-escala aplica-se a turbinas eólicas que podem gerar até 20kW de electricidade sob condições ideais, o suficiente para alimentar uma habitação.
Como o vento é intermitente, para obter um fornecimento contínuo de electricidade, é preciso usar baterias recarregáveis ou uma interligação com a rede eléctrica da companhia, ou ambas.

Como Funciona

A maioria das pequenas turbinas são direccionadas por um cata-vento fixado na carlinga, em vez de rodarem através do efeito de um motor eléctrico, como as grandes. O cata-vento funciona da mesma maneira que um cata-vento daqueles tradicionais. Quando o vento é suficientemente forte para operar a turbina, o cata-vento orienta-se para o lado contrário do vento e todo o conjunto parece-se com um avião a jacto sem as asas.
Em condições de operação normais, o plano definido pelas lâminas rotativas está virado para o vento.
Num sistema de pequena escala, a velocidade de rotação das lâminas varia conforme a velocidade do vento.
Isto origina a produção de uma tensão AC de frequência variável pelo gerador.
Então essa AC é convertida para DC por um circuito rectificador, e esta DC é utilizada para carregar um conjunto de baterias.
A electricidade para utilização em casa é retirada directamente destas baterias, no caso de aparelho de corrente contínua, ou é de novo transformada em AC por um inversor de potência.

Sistema Autónomo

Emprega baterias recarregáveis para armazenar a energia eléctrica fornecida pela saída do rectificador.
O uso de baterias permite que o sistema produza energia utilizável mesmo quando não há vento ou ele não é suficiente para pôr a turbina a operar.
Um sistema autónomo oferece pois independência da companhia de electricidade.
Todavia, se o sistema falhar ou não houver vento por algum tempo e as baterias descarregarem, ficaremos sem energia eléctrica.
Este tipo de sistema é geralmente projectado para uma única habitação.



Sistemas Interactivos com Baterias

Neste caso, se houver um período longo sem vento, a companhia de electricidade pode recarregar as baterias e assim prevenir a falta de energia eléctrica.
O sistema tem um comutador, que em conjunto com um detector de nível de carga de baterias, liga as baterias à rede eléctrica da companhia para que sejam carregadas.
Quando as condições de vento voltarem a ser favoráveis e a turbina fornecer novamente energia eléctrica, o comutador desliga as baterias da rede eléctrica da companhia e liga-as ao gerador e rectificador acoplados à turbina.



Sistema Interactivo Sem Baterias

Este sistema opera sempre em conjugação com a rede eléctrica da companhia.
Energia eléctrica é vendida à companhia quando o sistema estiver a produzir mais do que precisamos e podemos também comprar à companhia quando as nossas necessidades superam o que o sistema pode fornecer.
A vantagem deste sistema é que quando as condições de vento ficam desfavoráveis por um período prolongado podemos continuar a usar a energia eléctrica.
Outra vantagem é que, como não são usadas baterias, o sistema pode ser maior.
De realçar que este tipo de sistema é projectado para trabalhar em conjugação com a rede da companhia de electricidade, não oferecendo pois independência, pelo que pode não agradar muito aos puristas de energias renováveis.



Vantagens de um Sistema de Energia Eléctrica a partir do Vento, de Pequena Escala

- O vento é uma fonte de energia renovável, e a sua disponibilidade é praticamente ilimitada
- Não produzem CO2, CO, NO8, SO8, partículas, contaminação dos solos, ou resíduos perigosos
- Uma vez instalados, uma turbina de pequenas dimensões é de muito fácil e barata manutenção
- Quando usado num sistema interactivo, consegue reduzir a dependência da companhia fornecedora de electricidade
- Quando usada em conjugação com outras fontes de energia s alternativas, podem fornecer independência total da rede eléctrica das companhias fornecedoras

Limitações de um Sistema de Energia Eléctrica a partir do Vento, de Pequena Escala

- O vento é uma fonte de energia intermitente
- As turbinas pequenas não funcionam adequadamente se o vento for muito forte
- Uma turbina pequena pode ser destruída ou danificada por uma tempestade
- Um sistema deste tipo demora muito tempo a pagar-se a si próprio
- Alguns vizinhos podem não gostar de ter uma turbina por perto: é o fenómeno conhecido por “não no meu quintal” (NNMQ)

Problema
Que factores afectam a quantidade de electricidade que pode ser originada pelo vento?
Solução
A potência disponível P, em watts, a partir do vento depende da densidade do ar, da área definida pelas lâminas da turbina à medida que rodam, e da velocidade do vento.
Se d for a densidade do ar em Kg por m3, A a área em m2 varrida pelas lâminas num plano perpendicular ao vento, e v for a velocidade do vento em m/s, então:

P = dAv^3/2

Produção de electricidade a partir da água e do vento (Parte 3/5)

CENTRAIS GERADORAS DE ENERGIA ELÉCTRICA A PARTIR DAS ONDAS



Em grandes massas de água, onde o alcance é muito longo (o vento sopra sobre a superfície numa distância muito grande), a fricção entre o ar e a superfície da água origina pequenas ondulações que crescem para ondas e, finalmente, transformam-se em enfunamentos.
Estes enfunamentos medem tipicamente entre 1 e 3m desde a sua crista até à borda de água.
Com tempestades podem até exceder os 25m.
Estes enfunamentos oceânicos têm a capacidade de gerar energia eléctrica utilizável.

Como Funciona

Suponha uma câmara que é colocada perto de uma praia num mar turbulento. Esta câmara tem um buraco na sua parte de cima.
Se esta câmara estiver fixamente agarrada ao fundo de forma a não poder mover-se, nem para baixo nem para cima, os enfunamentos de água passando através dela originam que o nível de água dentro da câmara suba e desça.
A superfície no interior da câmara manter-se-á mais ou menos lisa (o nível é que sobe e desce).
Assim, se o ar é empurrado para fora da câmara e depois para dentro dela (através do seu buraco cimeiro).
Esse buraco contém uma turbina de ar, que roda à medida que o ar é empurrado para fora e para dentro da câmara.
Se a turbina estiver acoplada mecanicamente a um gerador eléctrico produz-se assim a energia eléctrica.



Vantagens da Energia Produzida a partir das Ondas do Mar

- A turbulência dos oceanos é um recurso renovável
- Não produzem CO2, CO, NOx, SOx, partículas, contaminação dos solos, ou resíduos perigosos
- Um gerador eléctrico de ondas não é particularmente caro de instalar nem de manter
- São discretos. Mesmo que visíveis não interferem muito com a paisagem
- Se for correctamente projectado, não tem grande impacto na vida marinha

Limitações da Energia Produzida a partir das Ondas do Mar

- Quando a superfície do oceano está calma, o gerador deste tipo não consegue produzir energia eléctrica aproveitável
- Têm de ser cuidadosamente situados para minimizar os efeitos do ruído que produzem
- Devido à sua discrição podem ter efeitos nefastos nas embarcações navegantes, devendo pois ser bem assinalados nos mapas e, no local, através de bóias.