Sistema Mecânico do protótipo Zero

Tabela de densidade de materiais utilizados no projeto:

Material Densidade (g/cm³)
Alumínio 2,70
Aço sem liga 7,85

Escoras com tripé e abraçadeira

Este tipo de material você poderá encontrar em lojas de cosntrução, equipamentos de andaime e fabricas para de equipamentos de construção civil, são de baixo custo e amplamente utilizados para construção de pisos e sacadas em casas e prédios. O tripé possue uma base na forma de um triagulo isósceles com 120cm de lados e 80cm de base, a altura de escora pode variar de 2m a 3,5m.


(figura 1.0)

Perfil Aerodinâmico da Hélice


(figura 1.1)

A velocidade de giro das turbinas eólicas de eixo horizontal segue uma relação
inversa ao número de suas hélices. Ou seja, quanto menor o número de hélices do rotor, maior será sua velocidade linear na ponta da hélice. Utilizamos três pás devido principalmente ao seu melhor comportamento dinâmico (são mais simples de equilibrar) e a um maior rendimento.

Perfil aerodinâmico da hélice será definido através de um método simplificado de desenho, que define a forma de fabricação das pás considerando o mesmo ângulo de ataque para todos elementos de pá. Selecionamos o perfil aerodinâmico mais barato possivel e de fácil fabricação para obter uma boa relação em que o coeficiente de arrasto dividido pelo coeficiente de sustentação seja um numero pequeninho. Assim obtemos o coeficiente de sustentação de projeto e seu correspondente ângulo de ataque.

Este perfil aerodinâmico foi definido através do método de desenho simplificado de pás de turbina eólica, [que define o mesmo ângulo de ataque (inclinação)], que neste caso será de ~35º, para maximizar o coeficiente de sustentação que impulsionará o giro, para toda a área do rotor. A partir da definição da potencia a ser extraída pela turbina (gerador), e da quantidades de pás utilizadas (nesse caso 3), podemos calcular a área e raio das hélices que resulte no coeficiente de potencia das hélices. Sua fabricação foi feita através de um método com corte a lazer para garantir a mesma área e o paralelismo das pás. Depois o alumínio é calandrado como mostrado no tutorial.

Os parafusos utilizados para prender as pás no rotor possui um diâmetro de 4mm e comprimento de 10mm, sendo utilizado arruela e porca em cada parafuso.

Pás: captam o vento, convertendo sua potência ao centro do rotor. São construídas em processo praticamente artesanal a partir de materiais como madeira, plástico, fibra de carbono e a fibra de vidro. O desenho das pás emprega as mesmas soluções técnicas usadas pela Aeronáutica nos cálculos de engenharia das asas dos aviões.


Rotor de eixo horizontal


(figura 1.2)

O rotor horizontal é o componente de fixação das hélices que transmite o movimento de rotação para o eixo do gerador. Se caracterizam por fazer girar suas hélices em um plano perpendicular à direção do vento incidente (fluxo de vento). O primeiro protótipo foi projetado para funcionar na configuração de barlavento (quando o rotor se encontra diante da torre). Os parafusos utilizados para prender o rotor na peça de união possuem diâmetro de 4mm e comprimento de 20mm, sendo utilizado arruela e porca em cada parafuso.

O rotor de eixo horizontal que possui três hélices é a configuração mais comum, tanto nos modelos presentes no mercado, quanto nos grandes aerogeradores. Esta configuração também será utilizada aqui, pois é muito eficiente.

Fisicamente descrevemos: quando um corpo obstrui o movimento do vento, sofre a ação de forças aerodinâmicas perpendiculares ao fluxo de vento (forças de "lift", de sustentação) e de forças paralelas ao fluxo de vento (forças de "drag", de arrasto). Ambas as duas são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do vento. Forças de "lift" dependem fortemente da geometria do corpo e do ângulo entre a velocidade relativa do vento e o eixo do rotor, dito "ângulo de ataque".

Os rotores que giram, para uma mesma velocidade de vento, predominantemente sob forças de "lift", são ditos possuidores de um bom perfil aerodinâmico, e liberaram muito mais potência do que aqueles que giram sob o efeito de forças de "drag". Assim sendo, o rotor utilizado aqui, foi desenhado de modo a ser preenchido quase que totalmente com a área das hélices. A fim de, diminuir a ação de forças de arrasto e maximizar as forças de sustentação.

Com a finalidade de obter a máxima precisão na fabricação deste componente, visto que as hélices devem ser equidistantes, o mesmo foi desenhado em um software livre chamado FreeCAD (você poderá baixa-lo aqui) e cortado a laser. O desenho técnico deste componente está anexado na página, ele é constituído por uma chapa de 2mm de espessura, um diâmetro de 150mm, e furos de 4mm de diametro.


Peça de união entre o Rotor e Gerador


(figura 1.3)

A função desta peça que prende o Rotor ao Gerador, e foi fabricada em aço inox, devido suas propriedades de ser inoxidável, resistente e mais denso que o alumínio. Foi fabricada no torno em uma oficina mecânica. Os parafusos utilizado para prender a peça de união ao gerador possuem diâmetro de 4mm, comprimento de 10mm e são do tipo Allen sem cabeça.


Corpo de Sustentação


(figura 1.4)


(figura 1.5)


(figura 1.6)

É o componente central do Mini Aerogerador, pois nele se alicerçam todos os demais componentes. É nele que o rolamento da torre é conectado, o motor é preso com braçadeiras, e este último é conectado com o rotor e hélices, também é nele indexado a cauda com o leme. Além disso a Nacele cobre todo o corpo de sustentação e os componentes presos a ele.


Cauda Guia


(figura 1.7)


(figura 1.8)

É o elemento intermediário ao corpo de sustentação e o leme, capaz de aumentar a eficiência da rotação do mini aerogerador, tendo em vista que ele prolonga ainda mais a distancia do leme com o rotor facilitando assim que os ventos predominantes direcionem o rotor. Os parafusos que prendem a cauda guia ao corpo de sustentação possuem diâmetro de 3mm e comprimento de 10mm.


Função do Leme


(figura 1.9)

A função do leme do aerogerador, é direcionar o aerogerador para o fluxo de vento maior, assim possibilitando maior aproveitando, pois diminui o arrasto (drag) e maximiza a sustentação (lift). Este é um aspecto importante, pois o vento não tem sempre mesma direção e sentido que o mini aerogerador, o leme possibilita que as pás se direcionem por mais tempo na perpendicular do fluxo de vento, se não tivesse o leme, iria ter menos aproveitamento. Os parafuso que prendem a cauda guia ao corpo de sustentação possuem diâmetro de 3mm e comprimento de 10mm.


Encaixe da Torre + Rolamento


(figura 2.0)

A finalidade desta peça é unir o corpo de sustentação devidamente com a torre que manterá o Micro Aerogerador a uma altura de pelo menos 10m acima dos objetos mais altos ao seu redor, neste caso utilizaremos postes de iluminação pública, que foram solicitados pela direção do Instituto de Física da UFRGS e doados pela prefeitura municipal de Porto Alegre. Os parafusos que prendem o encaixe da torre no corpo de sustentação possuem diâmetro de 20mm e comprimento de 50mm, sendo utilizado arruela e porca em cada um.

torre.jpeg (12 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:48

peça_de_união_torno.jpeg (18.3 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:48

leme.png (322.7 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:48

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cauda_guia.jpg (14.4 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:48

corpo_de_sustentação1.3.jpg.png (206 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:48

corpo_de_sustentação1.2.jpg.png (228.5 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:48

corpo_de_sustentação1.1.jpg (37.4 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:48

rotor.jpg (43.6 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:48

hélice.jpeg (13.6 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:48

protótipo_zero_escora.jpeg (53.9 kB) Cristthian Marafigo Arpino, 27/08/2017 20:49