Componentes de um aerogerador

Um Parque Eólico é constituído por um conjunto de aerogeradores, sendo cada um dos quais constituído por vários elementos.

1) A Caixa Multiplicadora ou Multiplicador Mecânico de Velocidade tem a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até ao gerador e é composta por eixos, engrenagens de transmissão e acoplamentos.

2) Sistema de refrigeração. Existem 2 sistemas de refrigeração: um para a caixa multiplicadora que suporta os esforços mecânicos entre os dois eixos e outro para o gerador eléctrico. Este sistema trata-se de ventiladores ou de radiadores a água ou óleo.

3) O sistema de controlo electrónico gere o arranque da turbina, a orientação das pás e a paragem, bem como a orientação do conjunto face à direcção do vento.

4) O gerador eléctrico é responsável pela produção de electricidade. Transforma a energia mecânica de rotação em energia eléctrica através de equipamentos de conversão electromecânica. O tipo de gerador influencia o comportamento do aerogerador e as suas interacções com a rede e pode ser de dois tipos:

- Gerador Síncrono
- Gerador Assíncrono

5) Os instrumentos para medição do vento são de dois tipos:

- Sensor de Direcção
- Anemómetro (mede a velocidade)

Os dados são transmitidos à unidade de controlo que efectua a regulação do aerogerador de forma automática.

6) O sistema de orientação permite a orientação da turbina face à direcção do vento e a sua “fixação” através de um travão.

7) As pás ou captor de energia têm como função é captar a energia do vento e transferi-la para o rotor. A potência desejada depende do diâmetro das pás:

Diâmetro: 7 m Potência: 10 kW
Diâmetro: 27 m Potência: 0,2 MW
Diâmetro: 72 m Potência: 2 MW

O número de pás pode variar consoante os aerogeradores. Actualmente, o sistema de três pás é o mais utilizado pois permite limitar as vibrações, o barulho e o desgaste do rotor, sendo o que tem a maior potência.

8) O Rotor é o componente do sistema eólico responsável por captar a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica de rotação. A configuração do rotor influencia o rendimento global do sistema, existindo dois tipos de rotores:

- Rotores de Eixo Horizontal

- Rotores de Eixo Vertical

O cubo do rotor permite a orientação das pás de forma a regular a velocidade de rotação da turbina.

9) A Torre é necessária para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o seu funcionamento.

10) Eixo secundário. Está equipado de um travão (dispositivo de segurança) que limita a velocidade em caso de vento violento.


A implantação de um Parque Eólico, para além dos aerogeradores, implica a instalação no local de outros elementos tais como uma subestação de recepção da energia proveniente do aerogeradores e cabos subterrâneos de ligação para o transporte da energia eléctrica.

Fontes:
-http://e-lee.ist.utl.pt/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/eolien.htm
-http://aiacirca.apambiente.pt/Public/irc/aia/aiapublico/library l=/aia1868_necessidades/resumo_no_tcnico/rnt_aditpdf/_PT_1.0_&a=d
-http://elepot.dei.uminho.pt/Site_Elepot/simposios/apresentacoes/mafalda.pdf~

Os materiais mais utilizados na confecção de células fotovoltaicas

Os materiais mais utilizados na confecção de células fotovoltaicas são:

• Silício monocristalino (mono-Si)
• Silício policristalino (poly-Si)
• Silício amorfo (a-Si)

A melhor eficiência na transformação de energia solar em eléctrica é obtida com as células de silício monocristalino, o rendimento destas células é da ordem dos 18 %. Infelizmente, estas células são as mais caras.

As células de silício policristalino apresentam rendimento da ordem de 16% e são mais baratas que as anteriores devido à menor energia necessária para a sua fabricação e melhor aproveitamento de material.

As células de silício amorfo são as mais baratas mas o seu rendimento é baixo (da ordem de 8%).

A tendência do custo das células é cair, devido à melhoria na tecnologia de fabricação e ao aumento, em larga escala, da sua utilização

A imagem a seguir mostra células fotovoltaicas feitas com diferentes materiais

Fonte:
http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/casa_solar/visitavirtual.htm

Perdas e rendimentos dos painéis solares

O rendimento do painel depende da radiação solar, da temperatura, da tensão e da sujidade do painel. O valor nominal do rendimento é fornecido pelos fabricantes. Caso não seja fornecido directamente pode ser deduzido a partir da potência de pico e da área do painel. A potência de pico é a máxima potência que o painel consegue debitar em condições de teste standard.
hp=100 * (p / A)
hp - rendimento do painel (%)
p - potência de pico do painel (kW)
A - área do painel (m2)
O rendimento e a potência de pico devem ser calculadas para as condições STC (standard test conditions) radiância solar de 1kW/m2 e a uma temperatura de 25C. As perdas na bateria são devidas essencialmente a dois factores: auto descarga da bateria e nível de tensão demasiado alto, impedindo que o painel esteja no seu ponto de funcionamento de máxima potência. Para corrigir este último tipo de perdas deve proceder-se a um correcto dimensionamento do regulador de carga.

Construção da Maquete

Esta mensagem foi elaborada pelos alunos Vitor Viana e Vitor Soares.

Sistema de aquecimento solar de água

O sistema para utilização da energia solar como fonte para o aquecimento de água é constituído basicamente por dois elementos:

• Colector de energia solar
• Depósito acumulador de água quente

O funcionamento deste sistema é bastante simples. A água que provém do sistema de abastecimento é desviada para serpentinas que passam através de um colector solar. Este capta a radiação solar e transfere essa energia em forma de calor à água.

Uma vez aquecida, a água fica menos densa e sobe indo para a parte superior do reservatório. Ao mesmo tempo, a água mais fria desce para parte inferior do reservatório. A água quente, pronta para o consumo, é retirada da parte superior do reservatório, e uma nova quantidade de água é introduzida na parte inferior.

Na imagem a seguir podes observar um esquema elucidativo de um sistema solar térmico

Fontes:

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/meio-ambiente-energia-solar/energia-solar-6.php

http://www.esolar.pt/solar_termico.htm

http://www.liversol.com.br/cfun.htm

http://turma1422.files.wordpress.com/2008/09/solar40.gif

http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/casa_solar/visitavirtual.htm

Breve história dos aerogeradores

O moinho de vento (com eixo vertical) é o antecessor do aerogerador, tendo surgido na Europa durante a Idade Média.

Fig.1 - Fotografia de dois moinhos de vento

Posteriormente, surgiram moinhos que se orientam no sentido do vento e são equipados com velas de forma a captar melhor a energia eólica.

Fig.2 - Fotografia de moinho de vento com velas

O primeiro moinho equipado com pás, utilizado na bombagem de água e moagem de grãos, apareceu no século XII.
Foi por volta do século XIX, com a Revolução Industrial, que o rendimento dos moinhos aumentou devido ao aparecimento de novos materiais, como por exemplo os metais que permitiram redesenhar a estrutura destas “eólicas”.

Fig.3 - Moinho de vento (Norte da Alemanha)

No século XX, com a chegada da electricidade, surgem os primeiros modelos de aerogeradores. O perfil das pás é objecto de estudos e os engenheiros buscam inspiração nos perfis das asas dos aviões.

Fig.4 - Eólica moderna

Actualmente, os aerogeradores são quase na sua totalidade de eixo horizontal. As últimas inovações tecnológicas permitem que estes funcionem a velocidade variável, isto é, que a velocidade da turbina possa ser regulada em função da velocidade do vento.

Fonte: http://e-lee.ist.utl.pt/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/eolien.htm

Geometria do colector e radiação solar

Para rentabilizar o aproveitamento da radiação solar é necessário ter um bom controlo da inclinação e da orientação dos painéis, dependendo a sua inclinação directamente da latitude e do dia do ano. Para se maximizar o aproveitamento no verão a superfície deverá estar inclinada um pouco mais na vertical. Apesar de terem uma grande importância estes factores não são críticos.

A radiação directa recebida é dada em função :da hora do dia; latitude; dos três ângulos e da declinação.

Oângulo de Zénite pode exceder 90º no início da manhã ou no início da noite, quando o sol está perto do horizonte do observador. Nestes casos, a radiação incide na parte de trás do painel (considerado fixo);

Optimização da inclinação do painel

• orientação azimutal;

• orientação em altura.

Inclinação igual à latitude.

O painel solar deve estar sempre orientado para os raios solares. A orientação óptima de um painel fixo não é óbvia.

A orientação mais conveniente é o colector (considerado fixo) virado para o equador com uma inclinação igual à latitude. Desde que cós ângulo) =30º, a variação de mais ou menos 30º no azimute ou na inclinação têm um pequeno efeito no total da energia recebida.

Em suma, tanto a inclinação como a orientação são dois factores bastantes importantes para se obter uma radiação solar máxima ou mínima de incidência no painel, traduzindo-se assim num maior ou menor rendimento do painel. Seguir o sol custa dinheiro, mas para largos campos de células, o custo da célula pode facilmente ultrapassar o custo do equipamento, mas se aumentarmos a potência de saída direccionando a luz nos painéis podemos diminuir o número de células requerido para determinada potência e diminuir assim os custos.

Os painéis podem capturar mais luz se eles forem adaptados para rodar em ambos os eixos. A rotação E-W, torna possível alinhar o painel com a trajectória do sol. A rotação N-S, permite ao painel compensar as mudanças, desde que o sol se levanta até que se põe, compensando assim, obrigatoriamente, as alterações das estações. Os máximos ganhos de seguir o sol são obtidos durante as 2 horas seguintes ao nascer do sol e as duas horas seguintes ao pôr-do-sol. Alguns projectos no entanto, estão preparados para seguir apenas o sol na direcção E-W e estão fixos em relação à altura do sol (distância angular ao horizonte) num ângulo de compromisso, que é permanente ou manualmente ajustado ao longo do tempo. As perdas da saída de luz do painel para certos seguimentos devem ser pesadas em relação aos custos do complexo equipamento de seguir o sol.

Um painel solar activo tem que ter dois graus de liberdade para poder seguir as variações do sol em azimute e em altura. Para seguir o sol em duas dimensões existem basicamente três suportes possíveis: Turntables, pedestais e cremalheiras, possuindo cada um os seus prós e contras. Os Turntables podem suportar painéis pesados, mas é o processo mais caro. Pedestais são razoáveis para instalar, mas tem uma capacidade limitada de peso. Cremalheiras são baratas e fáceis de instalar, mas limita a capacidade de abertura do painel.

Todos os suportes têm como é lógico problemas de limitações de peso. Nalguns casos os tamanhos dos painéis devem ser divididos em segmentos mais pequenos e cada segmento deverá poder rodar em concordância com o outro, segmentando-se os painéis elimina-se a necessidade de gigantescos suportes e mecanismos de condução, mas expande-se o problema de área disponível. Cada segmento provoca sombra, que será muito grande quando o segmento estiver virado para o sol.

A posição do sol no céu em qualquer instante do dia é tipicamente conhecida, podendo o painel ser então virado para a posição onde o sol poderá estar nesse preciso instante de tempo. O controlo do painel pode ser feito recorrendo a um microsistema. Este é programado para seguir as variações do sol. O seguimento é conseguido usando um programa que calcule a posição do sol para um determinado instante e local transmitindo impulsos para o mecanismo de condução, que são dois motores de passo. Os motores de passo movem o painel para a posição correcta em azimute e em altura. Depois de instalado, o seguidor continuará a seguir o sol e pára com o anoitecer. Só no período em que o sistema está inactivo é que é requerido um relógio para saber quando é que acaba a noite e começa o amanhecer. Alguns controladores trazem incorporados um regulador com a respectiva engrenagem para ajustar o ângulo de declinação e a equação do tempo.

Exemplo de seguidores automáticos

Fonte: Painéis Solares Activos

Trabalho Final de Mecatrónica

Luís Manuel Gonçalves Almeida, Marina Mendes Sargento Domingues Perdigão, Nuno Manuel Torrado Francisco

Departamento de Engenharia Electrotécnica da Universidade de Coimbra