WAVE IFPR – PROTÓTIPO
CONVERSOR DE ENERGIA DAS
ONDAS DO MAR EM ENERGIA
ELÉTRICA
WAVE IFPR - WAVE ENERGY CONVERTER
DEVICES INTO ELECTRICAL ENERGY
Leandro Ferres Cassel1, Aron Luiz Oliveira dos Santos2, Aluizio José Salvador3 (Coorientador), Mateus das Neves Gomes4 (Orientador). Instituto Federal do Paraná, Paranaguá – PR.
RESUMO
O presente trabalho apresenta o processo de desenvolvimento e construção de um protótipo de dispositivo conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica cujo principio de funcionamento é o de Coluna de água Oscilante (CAO). A construção e a montagem do protótipo foram realizadas no Instituto Federal do Paraná – Campus Paranaguá. Para a representação do oceano foi construído um tanque de ondas em acrílico e a geração da onda foi utilizado um gerador do tipo flap. O dispositivo CAO é constituído de uma estrutura oca de acrílico, com o fundo aberto e uma chaminé na saída, onde está localizada uma turbina do tipo wells. Para transformar o movimento mecânico da turbina em energia elétrica foi também construído um gerador. A montagem deste protótipo em escala de laboratório possibilitará no futuro que sejam testados outros princípios de conversão de energia das ondas do mar em energia elétrica, inclusive em escala real. Ainda permite demonstrar um principio de conversão de energia, abordando aspectos relacionados as mais diferentes áreas do conhecimento, contribuindo assim para o processo de ensino aprendizagem e possibilitando a divulgação do tema energia das ondas domar para um
1leandro_hp7@hotmail.com, 2aron.tera1000@gmail.com, 3salvadoraluizio@gmail.com, 4mateus.gomes@ifpr.edu.br
grande grupo. Sendo possível realizar pequenos experimentos, que irão possibilitar a validação de códigos numéricos para a análise teórica dos diferentes princípios de conversão.
Palavras Chave: Energia das ondas; dispositivo CAO; protótipo.
ABSTRACT
This work present the building of one wave energy converter devices into electrical energy. It is consideredtheOscillatingWaterColumn (OWC) converter.The prototype was building at Federal Institute of Paraná – Campus Paranaguá. The ocean is represented by the wave tank of acrylic and considers a flap generator.The OWC devices are, basically, hollow structures partially submerged, with an opening to the sea below the water free surface, and outlet chimney with a wells turbine.A generator was built to take advantage of the mechanical movement of the turbine. With this prototype in laboratory scale it will possible test other operating principles. And enables performed experiments for the validation numerical codes.This research approach enables the integration of different areas as engineering, maths, physics and computation.
Palavras Chave: Energia das ondas; dispositivo CAO; protótipo.
INTRODUÇÃO
As fontes de energia não renováveis dividem-se em combustíveis fósseis e energia nuclear. Os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), têm sido os protagonistas do impulso industrial desde a invenção da máquina a vapor. Deles depende a maior parte da indústria e do transporte na atualidade, alcançando quase 90% da energia comercial empregada no mundo. Entretanto, eles são classificados como fontes de energia não renováveis, pois quantidades que necessitam de milhões de anos para se formarem são consumidas em minutos, fazendo com que as reservas destes combustíveis estejam diminuindo. Já a energia nuclear tem importante repercussão ambiental, uma vez que a indústria nuclear produz resíduos radioativos perigosos que duram milhares de anos, cujo armazenamento definitivo gera graves riscos. As fontes de energia renováveis, como a eólica e solar, por exemplo, se renovam ilimitadamente de forma natural, não utilizam um recurso finito como um combustível fóssil ou uma substância radioativa e, além disso, geralmente causam menos impactos ambientais (ECHARRI, 2009).
No âmbito das discussões sobre a questão energética, aprofundada pelo cenário internacional de escassez do petróleo e pelas mudanças no clima, ocasionadas pela queima de combustíveis fósseis, surgem pesquisas e estudos técnicos, econômicos e de impactos socioeconômicos e ambientais de empreendimentos de fontes de energia renováveis voltados para o desenvolvimento de alternativas na conversão de energia: a partir de matéria orgânica de origem animal e vegetal, a biomassa; a partir da força dos ventos, a chamada energia eólica; através da captação da luz do sol, a energia solar; a partir de pequenas centrais hidroelétricas, as quais atendem a demandas em áreas periféricas ao sistema de transmissão; pelo movimento de ondas e marés, entre outras (PACHECO, 2006).
Uma dessas outras possibilidades é a conversão da energia das ondas do mar em energia elétrica. O oceano é uma enorme fonte de energia renovável com potencial para satisfazer uma porcentagem importante do abastecimento de eletricidade do mundo. Ainda não se tem uma cifra exata sobre o potencial global para cada tecnologia de energia dos oceanos. O desenvolvimento futuro vai permitir conhecer dados mais aproximados, além de aumentar a eficiência de conversão e diminuir as restrições geográficas para a implantação dos projetos. Os potenciais conhecidos atualmente são (BROWN, 2011):
Energia das marés: mais de 300 TWh/ano Correntes marinhas: 800 TWh/ano
Energia das ondas: 8.000 a 80.000 TWh/ano Gradientes de temperatura: 10.000 TWh/ano Gradientes de salinidade: 2.000 TWh/ano
A energia das ondas apresenta-se particularmente atrativa para ilhas ou países com extensas faixas costeiras, assim como o Brasil. Em regiões costeiras, a densidade de energia presente nas ondas diminui devido à interação com o fundo do mar. A potência de uma onda é proporcional ao quadrado da sua amplitude e ao seu período. Ondas de elevada amplitude (cerca de 2m) e de período elevado (7 a 10s) excedem normalmente os 50kW por metro de frente de onda (CRUZ e SARMENTO, 2004).
Atualmente, existem diferentes soluções capazes de converter a energia das ondas. Estas tecnologias não são concorrentes, situação que poderá ser alterada no futuro, assim como não é correto afirmar que estas
serão as únicas soluções possíveis, dado o interesse neste domínio e a permanente entrada de novas ideias, empresas e outras instituições nesta área de pesquisa.
O critério de classificação adotado para dispositivos conversores de energia das ondas do mar em energia elétrica, na maioria das referências, está relacionado com a distância do dispositivo em relação à costa. Agrupando-os, desta forma, em dispositivos costeiros (onshore), com acesso por terra; dispositivos próximos da costa (nearshore), em profundidade de 8 a 20 m e dispositivos afastados da costa (offshore), em profundidades acima de 25 m (CRUZ e SARMENTO, 2004).
Outra classificação está associada ao modo de conversão de energia das ondas em energia elétrica, isto é, ao tipo de dispositivo. Assim, existem, três classes principais de conversores de energia das ondas (CRUZ e SARMENTO, 2004), que são: Coluna de Água Oscilante (CAO), Corpos Flutuantes, podendo ser de absorção pontual (point absorbers) ou progressivos (surgingdevices), e galgamento. Maiores detalhes a respeito das diferentes tecnologias de conversão de energia das ondas do mar em energia elétrica podem ser encontrados em (IAHNKE, 2010) e (FALCÃO, 2010).
Neste contexto, esse trabalho apresenta a descrição do desenvolvimento de um protótipo conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica do tipo coluna de água oscilante, em escala de laboratório. O processo de construção do protótipo consistiu de três etapas principais: 1) Pré-projeto, 2) Aquisição de materiais e 3) Fabricação do dispositivo. É importante destacar que na terceira etapa foram consideradas recomendações teóricas apresentadas em (GOMES, 2014).
Este projeto contribuiu para aperfeiçoar uma forma de conversão de energia das ondas do mar em energia elétrica, que já vem sendo estuda há alguns anos, e também para adquirir conhecimento para que se possam construir protótipos em escala real, no Brasil, por exemplo.
OBJETIVO E QUESTÃO PROBLEMA
O objetivo deste trabalho foi de pesquisar, desenvolver e construir um protótipo conversor de energia das ondas mar em energia elétrica, cujo principio de conversão é o de Coluna de Água Oscilante (CAO). Sendo assim, é necessário num primeiro momento compreender o principio de conversão do dispositivo, que no presente trabalho é o de CAO, para assim
propor a construção de um dispositivo em escala real, com tecnologia nacional.
Dispositivo CAO
Os dispositivos de coluna de água oscilante (CAO) são estruturas de concreto ocas, parcialmente submersas, abertas para o mar abaixo da superfície livre da água, vide Fig. 1 . O processo de conversão da energia das ondas do mar em energia elétrica segue duas fases: quando uma onda entra na estrutura, o ar que se encontrava dentro dela é forçado a passar por uma turbina, como consequência direta do aumento de pressão na "câmara de ar". Quando a onda regressa ao mar, o ar passa novamente na turbina, desta vez no sentido inverso, dada a pressão inferior no interior da "câmara de ar" (CRUZ e SARMENTO, 2004).
Existem três tipos de turbinas que podem ser utilizadas em dispositivos do tipo CAO: Wells, Impulso e Denniss-Auld. Para aproveitar os movimentos opostos, normalmente, utiliza-se a turbina do tipo Wells, que possui a propriedade de manter o sentido de rotação, independentemente do sentido do escoamento. É acionada pela diferença de pressão nas etapas de compressão e descompressão (RAMALHAIS, 2011). O grupo turbina/gerador é o responsável pela conversão de energia elétrica (CRUZ e SARMENTO, 2004; NIELSEN, 2006; TWIDELL e WEIR, 2006; GOMES, 2010).
Figura 1: Esquema de funcionamento de um sistema CAO.
Uma desvantagem do dispositivo CAO são as grandes dimensões de concreto da estrutura, o que torna o custo mais elevado (KHALIGH e ONAR, 2010). Uma vantagem de utilizar um dispositivo CAO para conversão da energia das ondas do mar em energia elétrica é a velocidade do ar aumentada pela redução da área na seção transversal próximo à
turbina, assim como o movimento lento das ondas para uma rotação rápida sem engrenagem mecânica (TWIDELL e WEIR, 2006). Outra importante vantagem é o movimento das partes mecânicas, isto é, a turbina e o gerador não ficam em contato direto com a água (KHALIGH e ONAR, 2010). A câmara CAO é o dispositivo mais avançado em quantidade e duração de protótipos testados no mar, tendo inclusive algumas centrais piloto instaladas. Um destes projetos que se destaca é a Central piloto da Ilha do Pico nos Açores (Portugal), apresentada na Fig. 2a. O local escolhido para a instalação da central piloto foi Porto Cachorro, costa noroeste da ilha do Pico, no arquipélago de Açores. O arquipélago apresenta condições propícias para aproveitamento da energia das ondas, quer pela sua localização numa zona onde existe um elevado recurso energético, quer pelo fato de não existir uma plataforma continental responsável pela dissipação de energia das ondas por atrito no fundo, característica das ilhas vulcânicas (CRUZ e SARMENTO, 2004). O local foi selecionado por revelar, simultaneamente, uma boa exposição às direções dominantes da agitação marítima (noroeste), fácil acesso por terra e águas moderadamente profundas (entre 6 a 10 m). A central da ilha do Pico possui uma potência instalada de 400 kW e foi construída no período de 1995 a 1999. A central foi inserida numa reentrância da costa, com nível médio de 8 m de profundidade. Sua câmara apresenta dimensões de 12 m x 12 m e 30° de inclinação na parede frontal em relação à vertical.
(a)
(b)
Figura 2: (a) Projeto da câmara CAO da Ilha do Pico (Wave Energy Center, 2011); (b) Projeto da câmara CAO do Limpet (Wavegen, 2011).
Outro projeto de dispositivo CAO é a Central do LIMPET na ilha de Islay (Escócia), apresentada na Fig. 2b. Construída no período de 1998 a 2000, em Islay, foi idealizada a partir de um protótipo de 75 kW que já funcionava na ilha. LIMPET é a primeira central a ser explorada comercialmente no mundo, tem capacidade de 500 kW e fornece energia elétrica a quatrocentas famílias da região. Depois de realizado um levantamento das potencialidades locais, identificou-se a costa norte da Escócia, a costa ocidental de algumas das ilhas escocesas, juntamente com a costa norte da Cornualha e Devon, como as áreas mais promissoras para a instalação de uma central de energia das ondas (WAVEGEN, 2002). A câmara pneumática é composta por três compartimentos, com dimensões 6 m x 6 m cada, e 40° de inclinação na parede frontal. Conta com dois conjuntos, gerador - turbina Wells, com capacidade de 250 kW cada. (HEATH, 2001).
Protótipo CAO
Considerando o principio de funcionamento de Coluna de Água Oscilante foi construído um protótipo, em escala de laboratório, conforme a representação esquemática da Fig. 3.
O processo de desenvolvimento do protótipo consistiu de três etapas principais: 1) Pré-projeto, 2) Aquisição de materiais e 3) Fabricação do dispositivo. Considerando estas três etapas o dispositivo foi construído em quatro diferentes partes que serão detalhadas a seguir.
DESCRIÇÃO DE MATERIAIS E MÉTODOS
Construção do Tanque de Ondas
Para reproduzir a propagação as ondas no oceano é necessário a construção de um tanque de ondas, conforme a Fig. 4. O tanque de ondas foi construído em acrílico, como é possível verificar na Fig. 4, o mesmo tem o formato de um paralelepípedo, onde na região mais a esquerda do tanque é construído o gerador de ondas, no lado da direita é inserido o dispositivo conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica e a parte superior é aberta. As dimensões do tanque de ondas construído são considerando a Fig. 4: CT= 1,5 m, LT = 0,3 m e HT = 0,5 m. A profundidade
de água é variável dentro dos limites de HT.
Figura 4: Representação esquemática do tanque de ondas.
É importante destacar que as dimensões do tanque de ondas foram definidas considerando a possibilidade da geração de ondas com comprimento (λ) de até um metro e com altura variável. Para construção do Tanque utilizaram-se os materiais apresentados na Tab. 1:
Tabela 1 – Materiais utilizados na construção do Tanque de Ondas.
Quantidade Tipo de material Dimensão 2 un. Chapa de acrílico 150 cm x 50 cm x 6 mm 2 un. Chapa de acrílico 50 cm x 30 cm x 6 mm 1 un. Chapa de acrílico 150 cm x 30 cm x 6 mm --- --- Cantoneiras, parafusos, silicone. --- ---
Para dimensionar as laterais e o fundo do tanque de ondas foram feitos recortes, uma vez que a chapa de acrílico tinha dimensões de 3,0 m x 1,0 cm x 0,06 m. As chapas foram fixadas umas nas outras através de parafusos e as cantoneiras serviram para reforçar as juntas. Para evitar vazamentos, usou-se uma camada de silicone nas emendas.
Construção do Gerador de Ondas
A onda é gerada de forma mecânica e manual, através de um gerador do tipo “Flap” (aleta, aba). Os geradores do tipo flap, vide Fig. 5, são utilizados para produzir ondas de águas profundas onde o movimento orbital das partículas é circular e decai exponencialmente com a profundidade, sendo que no fundo do tanque existe um movimento insignificante. As aplicações típicas deste tipo de gerador de ondas são a modelagem de estruturas flutuantes em águas profundas e na investigação física das ondas do oceano. A pá do flap é articulada na parte inferior ou superior do tanque, não necessariamente no fundo (CRUZ, 2008).
Figura 5: Gerador de ondas tipo Flap.
O gerador construído é composto por uma chapa de acrílico com 0,70 m de altura e 0,20 m de largura, por um pegador de tubos de aço e um eixo, este eixo está apoiado em dois suportes fixos no próprio tanque, vide Fig. 5. Os materiais utilizados para a construção do gerador tipo flap estão descritos na Tab. 2:
Tabela 2 – Materiais utilizados para fabricação do gerador de ondas (Flap).
Quantidade Tipo de material Dimensão 1 un. Chapa de Acrílico 70 cm x 20 cm x 6 mm 1un. Tubo retangular de aço 100 cm 2 un. Chapas de Aço 20 cm x 5 cm 2 un. Cantoneiras de aço 15 cm 1 un. Barra de ferro redonda 1 cm diâmetro/35 cm --- --- Parafusos. Porcas, Arruelas --- ---
O Gerador de Ondas é movimentado manualmente, sendo fixado na chapa de acrílico através de parafusos e porcas. Para acionar o gerador de ondas, basta empurrar e puxar o pegador em forma “U”, de modo que a velocidade deste movimento determina as características da onda, conforme é possível verificar em (DEAN e DALRYMPLE, 1991).
Construção da Câmara CAO
A câmara Coluna de Água Oscilante (CAO) são estruturas ocas, parcialmente submersas, abertas para o mar abaixo da superfície livre da água, conforme descrito no capitulo II. Na Fig. 6 apresenta-se a câmara CAO construída em acrílico. É importante destacar que as dimensões da mesma foram definidas com base nas recomendações teóricas de que a largura da câmara deve ser a metade do comprimento da onda incidente e a altura da câmara deve ser aproximadamente duas vezes a altura da onda incidente (GOMES, 2014).
Figura 6: Câmara CAO.
Para a fabricação da Câmara CAO, utilizaram-se os materiais apresentados na Tab. 3:
Tabela 3 – Materiais utilizados para construção da Câmara CAO.
Quantidade Tipo de material Dimensão 2 un. Chapa de acrílico 30 cm x 25 cm x 6 mm 2un. Chapa de acrílico 30 cm x 20 cm x 6 mm 1un. Chapa de acrílico 25 cm x 20 cm x 6 mm
1 un. Garrafa PET 500 ml/ 7 cm diâmetro 2 un. barras quadradas alumínio 50 cm x 25 cm x 6 mm 1un. Cola p/ plástico --- --- --- Parafusos, porcas, arruelas --- ---
As quatro chapas de acrílico maiores formam o quadro e a parte superior é formada pela chapa menor, que contém um furo no meio do diâmetro da chaminé. As chapas são fixadas com parafusos que são isolados com silicone, a fim de evitar vazamentos. A chaminé é fixada na câmara com cola. Para construção da chaminé utilizou-se uma garrafa PET, cortou-se o fundo e o topo da garrafa, deixando-a uniforme e sem curvaturas. A câmara foi fixada no próprio tanque, através das duas barras de alumínio, que foram parafusadas na câmara e no tanque, vide Fig. 6.
CONSTRUÇÃO DA Turbina Wells e do Gerador de Energia
Elétrica
A diferença de pressão gerada na câmara CAO pela incidência da onda faz com que o ar acelere em dois sentidos dentro da chaminé: de baixo para cima quando a onda incide e de cima para baixo quando a onda regressa. Para aproveitar os movimentos opostos, normalmente, utiliza-se a turbina do tipo Wells, que possui a propriedade de manter o sentido de rotação, independentemente do sentido do escoamento (RAMALHAIS, 2011).
A turbina construída é do tipo wells, é composta por uma cruzeta em acrílico, uma folha redonda de garrafa PET do tamanho da cruzeta e um pedaço redondo de lona, vide Fig. 7.
Figura 7: Turbina Wells fixada no eixo de rotação.
Para construção da turbina utilizou-se a garrafa PET, lona e o fio de cobre para solda. O fio de cobre serviu como eixo da turbina, cortando-se um círculo na garrafa PET, pouco menor que o diâmetro da chaminé (quanto menor for essa diferença será melhor, para evitar perda de pressão)
e fixando-a transversalmente ao eixo, em seguida são recortados 4 triângulos da turbina, conforme a Fig. 7.
Posteriormente foi colado um círculo de lona em cima do círculo de PET, ambos do mesmo tamanho, fazendo quatro cortes na lona de modo que eles fiquem livres para movimentar-se para cima e para baixo. Assim, quando o ar subir pela chaminé, essas aletas elevam-se e fazem com que a turbina gire, quando o ar descer pela chaminé, essas aletas descem e fazem com que a turbina continue girando no mesmo sentido, de acordo com os detalhes destacados na Fig. 8.
Figura 8: Esquema de construção da turbina Wells.
A função do Gerador de Energia Elétrica é fazer com que uma turbina movimente-se através do fluxo de ar formado na chaminé e transformar esse movimento mecânico da turbina em Energia Elétrica. Ele é composto por uma turbina do tipo Wells, um gerador eletromagnético e um painel de luzes. Para isto, utilizaram-se os materiais descritos na Tab. 4.
Tabela 4 – Materiais utilizados para construção do gerador elétrico.
Quantidade Tipo de material Dimensão 1 Kg fio de cobre --- 6 un. imãs de neodímio 1.0 cm x 1.0 cm x 0.5 cm 1 un. barra roscada 1 m
1 un. barra de cobre (solda) 30 cm 1 un. 1 un. garrafa PET/ tubo de PVC --- 40 mm 25 un. 1 un. leds protoboard --- ---
O Gerador Eletromagnético é composto basicamente por uma bobina de fio de cobre esmaltado e imãs. A geração de Energia Elétrica dá-se pela variação do fluxo magnético, causado pelo movimento dos imãs, no interior da bobina.
Para construir a bobina, foi utilizado um pedaço de 0,15 m de tubo de PVC de 0,04 m de diâmetro e passou-se um cano de alumínio no meio do tubo, para que sirva de guia para o eixo da turbina. Em seguida fez-se o enrolamento no tubo de PVC com fio de cobre esmaltado, foram 2000 voltas, de maneira que os fios ficassem trançados. O Gerador Elétrico e seus componentes finalizado e encapado estão apresentados na Fig. 9.
Figura 9: Gerador elétrico e seus componentes.
Para o suporte da bobina utilizou-se duas barras roscadas como coluna (que são fixados na câmara oca) e uma base de acrílico em forma de aro, a bobina fica em cima desta base. Fixados no eixo e dentro da bobina estão os imãs, que com seu movimento de rotação gerado pela turbina, faz variar o fluxo magnético no interior da bobina e assim gerando energia elétrica.
O painel de luzes acendido é composto por lâmpadas de LED fixadas em um protoboard. A transmissão de energia é feita da bobina para o protoboard através de fios de cobre.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para verificação da energia gerada utilizou-se um protoboard e alguns
led’s. Estes led’s foram associados em série para que houvesse uma queda
de tensão, visto que a energia elétrica gerada era muito maior do que a tensão máxima suportada por um led. Na apresentação foram acesos 25 led’s, visto que cada um necessita de uma tensão de 1,5 V para acender, verifica-se que a tensão gerada pelo dispositivo foi de 37,5 V, mas em testes realizados com um aparato de medição, verificou-se que a tensão gerada teve picos de até 56,8 V.
Na Fig. 10 é possível observar todo o conjunto do protótipo conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica construido.
Figura 10: Protótipo CAO.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho teve como objetivo a construção de um dispositivo conversor de energia das ondas do mar em elétrica, para que fosse aperfeiçoado o entendimento do principio de conversão, sendo possível assim planejar o desenvolvimentodeum protótipo em escala real.
As principais considerações refletem principalmente nos materiais e processo de elaboração do protótipo. Muitos testes foram realizados, principalmente com as turbinas Wells, que foram desenvolvidas sem a utilização de equipamentos industriais ou ferramentas específicas. A fabricação do tanque apresentou problemas de vazamentos e fixação de seus componentes, vedados posteriormente com silicone e papel contact. Entretanto, a parte que mereceu um maior esforço está relacionada à
confecção do gerador elétrico. Dentre as dificuldades, o atrito do eixo de rotação com a bobina, a intensidade dos imãs de neodímio, número de enrolamentos da bobina, torque mínimo para rotação da turbina, baixa velocidade angular, dentre muitas outras complicações.
Com a conclusão da fabricação do projeto foram acesos led’s associados em série para que houvesse uma queda de tensão, visto que a energia elétrica gerada era muito maior do que a tensão máxima suportada por um led. Na apresentação foram acesos 25 led’s, visto que cada um necessita de uma tensão de 1,5 V para acender, verifica-se que a tensão gerada pelo dispositivo foi de 37,5 V, mas em testes realizados com um aparato de medição, verificou-se que a tensão gerada teve picos de até 56,8 V.
Por tudo isso entende-se que a montagem deste protótipo contribui de forma significativa para o desenvolvimento de conhecimento que possibilitará além e construir dispositivos conversores de energia das ondas do mar em escala real também propor novos princípios.
REFERÊNCIAS
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