Projeto e desenvolvimento de torre móvel para turbina eólica / Design and development of mobile tower for wind turbine

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 65202-65209, sep. 2020. ISSN 2525-8761

Projeto e desenvolvimento de torre móvel para turbina eólica

Design and development of mobile tower for wind turbine

DOI:10.34117/bjdv6n9-088

Recebimento dos originais: 08/08/2020 Aceitação para publicação: 03/09/2020

Sérgio de Sousa Alves

Engenheiro Agrônomo pela Universidade Federal do Ceará (UFC) Instituição: Universidade Federal do Ceará

Endereço: Av. Mister Hull, 2977 - Bloco 847 - Campus do Pici - CEP 60356-001 - Fortaleza - CE E-mail: se.gimgba@gmail.com

Rafaela Paula Melo

Doutora em Engenharia Agrícola pela Universidade Federal do Ceará (UFC) Instituição: Universidade Federal do Ceará

Endereço: Av. Mister Hull, 2977 - Bloco 847 - Campus do Pici - CEP 60356-001 - Fortaleza - CE E-mail: rafinha2708@gmail.com

Priscila Alves dos Santos

Doutoranda em Engenharia Agrícola pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Instituição: Universidade Estadual de Campinas

Endereço: Av. Cândido Rondon, 501, Barão Geraldo, CEP 13083-875 – Campinas - SP E-mail: prikads@gmail.com

Daniel Albiero

Doutor em Engenharia Agrícola pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Instituição: Universidade Estadual de Campinas

Endereço: Av. Cândido Rondon, 501, Barão Geraldo, CEP 13083-875 – Campinas - SP E-mail: daniel.albiero@gmail.com

RESUMO

Os recursos renováveis sempre tiveram grande importância para a humanidade e atualmente vem ganhado um maior enfoque devido à eminência do esgotamento das fontes não renováveis. Na agricultura familiar observa-se frequentemente a falta tecnologias apropriadas, isso dificulta a qualidade de vida e produção do trabalhador. Uma solução para obtenção de energia limpa, barata e renovável que melhoraria a vida do produtor rural, é a implantação de turbinas eólicas de pequeno porte. Com esse trabalho objetivou-se desenvolver uma máquina a qual facilite o hasteamento e permita a mobilidade da torre para o gerador eólico de pequeno porte. O projeto da máquina foi desenvolvido no programa auto CAD 2007, a metodologia usada foi a de análise e síntese funcional. A máquina desenvolvida foi baseada no mecanismo de uma perfuratriz de solo, porém ao invés de mover hastes para baixo perfurando o solo, moverá para cima elevando a torre e o gerador. A haste é seccionada em partes rosqueáveis de 1,5 m. A sustentação da máquina é feita por estabilizadores hidráulicos laterais, o levante das secções que compõem a torre é acionado por sistema hidráulico e o movimento é transmitido por um sistema de correias e carretilhas. A máquina demostra ser

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compatível aos objetivos requisitados, permitindo mobilidade à torre eólica e agilizando o processo de hasteamento.

Palavras Chave: Energia Renovável, Máquina Agrícola, Geração de Energia ABSTRACT

Renewable resources have always had great importance for humanity and is currently gaining a greater focus because of the eminence of the depletion of non-renewable sources. In family farming often notes it is the lack of appropriate technologies, it hinders the quality of life and production worker. A solution for obtaining clean, cheap and renewable energy would improve the life of the farmer, is the deployment of small wind turbines. With this work aimed to develop a machine which facilitates the raising and allow mobility of the tower for wind generator. The machine has been developed based on the mechanism of a ground drill, but instead of moving rods for drilling soil down, moves up the tower and raising the generator. The conceptual design of the machine was developed in the auto CAD program. The Threaded rod is sectioned into pieces of 1.5 m. Support of the machine is made by lateral hydraulic stabilizers, the uprising of the sections that make up the tower is driven by hydraulic system and the movement is transmitted by a system of belts and reels. The machine demonstrates compliant to required goals, allowing mobility wind tower and streamlining the raising process.

Keywords:

1 INTRODUÇÃO

Os principais meios de geração de energia no Brasil e no mundo são através de recursos poluentes, esgotáveis e que causam grande impactos ambientais, em vista disso é necessário buscar soluções que viabilizem o uso de fontes alternativas de energia. O vento é uma fonte de energia renovável que provem das massas de ar em movimento, esse tipo de energia é denominado energia eólica (ANEEL 2005). A geração de energia eólica não faz uso de combustíveis fósseis, não polui o ar, não causa efeito estufa e não se utiliza da água ou outro recurso natural (González-Ávila et al. 2006). A agricultura familiar é um setor de grande importância no Brasil, porém enfrenta dificuldades como a falta de tecnologias, isso dificulta a qualidade de vida e produção do trabalhador (D Albiero et al. 2015). Os recentes desenvolvimentos tecnológicos como sistemas avançados de transmissão, melhor aerodinâmica, estratégias de controle e operação de turbinas eólicas entre outros, vem melhorando o desempenho de turbinas e reduzindo seus custos (ANEEL, 2005), hoje a instalação de geradores eólicos é acessível a pessoas com pouco poder aquisitivo, tornando esta, uma opção para obtenção de energia limpa, barata e renovável a qual pode melhorar a vida do produtor rural, que precisa aumentar seu nível tecnológico para poder aumentar sua renda (D. Albiero et al. 2019).

O relevo e o clima das regiões onde serão instaladas as turbinas também interferem no seu aproveitamento e contam como fatores determinantes para a introdução das mesmas. Outros fatores

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importantes a serem considerados para a realização dos estudos é quanto ao tipo de vegetação ou construções presentes no local previsto para a instalação (Miranda de Mendonça et al. 2019)

A micro e minigeração distribuída possibilita ao cidadão brasileiro gerar a energia elétrica que irá consumir, por meio de fontes renováveis ou cogeração qualificada. Com a Resolução Normativa nº 482/2012 foram estabelecidas as condições gerais para o sistema de compensação de energia elétrica. Esse sistema consiste na geração de energia elétrica por fontes renováveis pelas unidades consumidoras e conectadas à rede (Silva Batista Cordeiro and Isadora Fernandes Braga 2020).

No entanto existe um grande desafio para a efetivação da energia eólica para a agricultura familiar no Ceará: a adequação às condições operacionais de baixo vento (ventos < 6 m s-1). Se não bastasse a natureza estocástica do vento que é altamente errático, esclarecem que o regime do fluxo de ar sobre um aerofólio é caracterizado por pequeno número de Reynolds nas regiões aonde a agricultura familiar se desenvolve, da ordem de 104 a 105, o que difere significativamente das condições normais de operação dos aerofólios próprios para aerogeradores que são ensaiados em números de Reynolds da ordem de 105 a 106 (Daniel Albiero et al. 2014)

Geradores de pequeno porte geralmente utilizam de alguma fonte para armazenamento de energia as quais podem ser baterias ou na forma de potencial gravitacional com o uso de caixas d’águas, podendo ser usado também no bombeamento de água para irrigação, aquecimento ou resfriamento de ambientes, além do uso da energia em eletrodomésticos e afins.

Pode-se constatar que o projeto eólico para residências é denominado como microgeração/minigeração e difere-se em alguns aspectos dos parques eólicos, dentre as principais diferenças destaca-se o modelo do aerogerador que são projetados de acordo com as especificações e melhor adequação ao meio urbano, a fim de proporcionarem eficiência e conforto acústico e visual (Silva Batista Cordeiro and Isadora Fernandes Braga 2020).

Daniel Albiero et al. (2014) desenvolveram um projeto de um sistema de geração elétrica através da energia eólica para agricultura familiar na região semiárida do Estado do Ceará culminando em uma turbina eólica inovadora e adequada às necessidades a que se propôs atender. No entanto a densidade energética ainda assim se apresenta como um problema muito sério (Rocha et al. 2015).

Assim o obstáculo da imobilidade de torres, o equipamento quando erguido permanece fixo, sendo a modificação do lugar de instalação uma atividade laboriosa. Uma torre eólica de pequeno porte, com mobilidade, regulação de altura e fácil hasteamento pode otimizar o processo de geração de energia eólica dessa forma com esse trabalho objetivou-se desenvolver uma máquina a qual

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facilite o hasteamento, permita a mobilidade e a regulação da altura da torre para aerogeradores de pequeno porte. Assim é essencial desenvolver tecnologias adequadas para a mobilidade de geradores de pequeno porte que possam atender a necessidade de movimentação das turbinas de forma flexível afim de atender requisitos de densidade de energia e questões aerodinâmicas (Rocha et al. 2018).

2 MATERIAL E MÉTODOS

Foi utilizada a metodologia de análise e síntese funcional, conforme as recomendações de (Pahl et al. 2005) e CARVALHO et al., (2007), o método consiste na extração, a partir de um sistema técnico existente, de sua estrutura funcional, já a síntese funcional é o processo de criação de um novo sistema comparando-o com um sistema já existente. Utilizou-se o equipamento de perfuração MGBU "Sigma-M" da empresa russa KAMTEH como sistema técnico existente, o qual é usado para perfuração de poços semiartesianos. (Figura 1).

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A síntese funcional é feita a partir de cinco fases, a primeira é a aplicação das etapas iniciais do processo morfológico, (definição do problema de forma exata e busca de formas do processo morfológico (Ritchey 2002). O problema proposto foi, como adaptar uma perfuratriz de solo fazendo com que a mesma se torne uma torre móvel para turbina eólica, as formas do processo morfológico foram qual o mecanismo para elevar e regular a altura da haste do gerador, como dar estabilidade ao conjunto quando a turbina estiver hasteada, fonte de potência para o sistema, mecanismos de transmissão de potência e controle das operações do sistema e a partir de qual material seria feito a estrutura de chassi. Segunda etapa, definir a lógica do funcionamento do sistema, independente de soluções. A haste para elevação do gerador será constituída por secções acopláveis de 1,5m, estas secções serão erguidas por uma plataforma a qual deslizará verticalmente pelo chassi da máquina, correias movidas por uma bomba hidráulica movimentarão a plataforma, estabilizadores laterais não permitirão o tombamento da torre quando hasteada, a fonte de potência do conjunto será um motor ciclo otto, o hasteamento será regulado por um controle remoto hidráulico com três válvulas e o material do chassi será constituído de aço 1020. A terceira etapa foi normalizar o projeto, a quarta foi a subdivisão em módulos e a quinta etapa foi a definição dos sistemas a serem desenvolvidos. Para o desenvolvimento do modelo conceitual apresentado nos resultados desse trabalho só foram necessárias as duas primeiras etapas sendo a maquete computacional da máquina gerada pelo programa Auto CAD versão 2007 (AutoDesk 2019).

3 RESULTADO E DISCUSSÃO

A Figura 2 apresenta o desenho conceitual da torre móvel JMS para turbina eólica, onde é possível observar que a estrutura do chassi original sofreu poucas alterações e nela foram inseridos uma plataforma para elevação, estabilizadores laterais, correias, motor hidráulico, tanque de óleo, motor ciclo otto, tanque de combustível e controle remoto hidráulico acionado manualmente.

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Figura 2 - Torre móvel JMS para turbina eólica

A plataforma para elevação e regulação da altura do gerador deslizará pelo chassi segundo o movimento do motor hidráulico transmitido pelas correias elevando ou rebaixando as hastes acopladas na região central da plataforma. Os estabilizadores hidráulicos laterais terão por função nivelar a torre e oferecer estabilidade ao sistema. O controle remoto hidráulico será constituído por válvulas de controle de fluxo manuais, a partir dele será possível coordenar as funções da torre. O tanque e bomba de óleo receberá a potência do motor ciclo otto e a transmitirá por fluxo de óleo em mangueiras. O motor ciclo otto transformará a energia química em energia cinética que moverá a bomba de óleo. Na Figura 3 observa-se os detalhes das hastes acopláveis, verifica-se que na parte inferior de cada haste acoplável existe um furo onde se encaixa um pino passante para evitar o rebaixamento do gerador quando a plataforma estiver descendo.

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Figura 3 - Detalhe da haste da torre

4 CONCLUSÃO

A torre móvel para turbina eólica JMS será de grande auxílio na implantação de aero-geradores de pequeno porte, agilizando o processo de hasteamento, permitindo a regulagem da altura de receptação dos ventos além de facilitar o transporte do equipamento para diferentes locais, o que poderá viabilizar o maior uso de energia eólica em pequenas propriedades.

AGRADECIMENTOS

Ao MEC-SESU pela concessão da bolsa pelo Programa de Educação Tutorial, ao CNPQ pelo fornecimento de recursos e aos integrantes do NERAS (Núcleo de Energias Renováveis na Agricultura do Semiárido) e GEMASA (Grupo de Pesquisas em Energia e Máquinas para a Agricultura do Semiárido) pela orientação e ajuda no processo de criação.

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REFERÊNCIAS

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Rocha, P.A.C., J.W. Carneiro de Araujo, R.J.P. Lima, M.E. Vieira da Silva, D. Albiero, C.F. de Andrade, and F.O.M. Carneiro. 2018. “The Effects of Blade Pitch Angle on the Performance of Small-Scale Wind Turbine in Urban Environments.” Energy 148. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.01.096.

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