Artigo apresentado na ISA SHow 2013

1. GERADOR EÓLICO DE PEQUENO PORTE PARA ECONOMIA DE
ENERGIA: DESAFIO PARA APLICAÇÕES
Carlos Eduardo de Oliveira
carloseduardo1984@gmail.com
Centro Universitário Newton Paiva
Cláudio Castro Prado
ccprado@link1000.com.br
Instituto Nacional de Telecomunicações
Abstract
It has been proposed development and economic feasibility study of a small wind generator, using an
aero generator manufacturing craft and a simulation model that enables performance analysis using
mathematical tools and part of the circuitry in laboratory experiments. The wind system used comprises a
stepper motor that acts as a permanent magnet generator with a potential of up to 48 Watts associated
with a system processing power. The economic feasibility analysis is performed in employment in the
aero generator and battery charging in remote applications like boats and villas in places of difficult
access for power utilities, with the help of a program that processes the data and provides the winds
kinetic energy to the drive system.
Index terms: development, feasibility, wind generator.
Resumo
Foi proposto o desenvolvimento e estudo de viabilidade econômica de um gerador de energia eólico de
pequeno porte, utilizando um aero gerador de fabricação artesanal, um modelo de simulação, que
permite a análise do desempenho utilizando-se de ferramentas matemáticas, e parte dos circuitos em
experimentos de laboratório. O sistema eólico utilizado é formado por um motor de passo que
desempenha o papel de gerador de imã permanente com potencial de até 48 Watts, associado a um
sistema de processamento de potência. A análise de viabilidade econômica é realizada no emprego do
aero gerador em carregamento de baterias e em aplicações remotas como em barcos e moradias em
locais de difícil acesso das concessionárias de energia, com o auxilio de um programa que processa os
dados dos ventos e fornece a energia cinética ao conversor do sistema.
Palavras chave: desenvolvimento, viabilidade e gerador de energia eólico.
1. Introdução
Trata-se da montagem e análise de um sistema de geração online de energia composto por: um
captador eólico, gerador CC, inversor half-bridge e controlador de carga CC/AC senoidal.
2. Foco do desenvolvimento
A energia dos ventos já é utilizada há séculos pelo homem, porém sua utilização inicial focava-se em
aplicações domésticas para processamento de grãos, como conhecidos os moinhos holandeses, ou até
mesmo para bombear água em fazendas.
“Uma das formas de energia primária abundante na natureza é a Energia dos Ventos, denominada
energia Eólica. A técnica de conversão da energia dos ventos em energia mecânica primeiramente foi
explorada para utilização em propulsão de navios, moinhos de cereais, bombas de água e na idade
média para mover a indústria de forjaria No inverno de 1887-1888 Charles F. Brush colocou em
operação a primeira turbina eólica automática com diâmetro do rotor de 17m e 144 pás de madeira para
gerar energia elétrica.” [1]
Com a era das máquinas, o crescimento do uso das tecnologias relacionadas à energia elétrica e a


2. necessidade da Europa buscar fontes renováveis para substituição das Termoelétricas movidas a carvão
e combustíveis fosseis houve a ampliação do uso destes captadores de energia cinética para geração de
eletricidade no continente Europeu devido a sua característica geográfica favorável a este tipo de
captação de energia. Hoje podemos encontrar geradores com pás de 2(m) até aproximadamente 300(m)
de diâmetro.
Seguindo o princípio que os primeiros geradores eólicos eram utilizados somente para captação de
energia cinética de uso domiciliar nas fazendas, sendo devido a este conceito foi buscado um conjunto
de tecnologias para este gerador cujo custo fosse viável para proporcionar economia e não autonomia
durante seu uso. Visto a grande parcela dos fabricantes de geradores no Brasil trabalham na geração da
ordem de MW (megawatt), foi foco o estudo de um gerador inferior a 2,0 kW (quilowatt) especificamente
para uso residencial ou em aplicações de baixo consumo, por exemplo, em pequenas embarcações ou
para domicílios distantes da malha da rede elétrica nacional.
3. Potencial eólico brasileiro
“O Brasil, diferentemente de muitos países desenvolvidos, possui um grande potencial eólico,
principalmente no litoral do nordeste. Nessa região foram constatadas velocidades médias anuais entre
6,0 e 8,5 m/s a 50 metros de altura, de direção predominantemente nordeste e pouca turbulência durante
o ano, sendo os estados do Ceará e do Rio Grande do Norte os que possuem as áreas de maior
potencial do país. Além destes, foi verificado que no estado de Minas Gerais, mesmo a 100 km de
distância do mar, possui um bom potencial eólico”. [2]
Tal fato foi comprovado em pesquisa do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica, órgão do Ministério de
Minas de Energia em 2001 onde foi citado que o Brasil possui um potencial de mais de 140 (GW) de
geração de energia.
Fig. 1. Potencial Eólico Brasileiro - Atlas do Potencial Eólico Brasileiro CEPEL 2001.
4. Tecnologia e viabilidade
Como mencionado anteriormente às tecnologias dos geradores atuais são voltadas para escalas na
ordem de centenas ou milhares de quilowatts (kW), onde devido à magnitude certas perdas tornam-se
consideráveis, porém já com recursos e soluções, mas ao citar aplicações de baixa escala temos
condições que se tornam menos favoráveis, como: a mecânica pouco desenvolvida, a área de captação
menor, o alto custo das torres em relação a quantidade de energia gerada, enfim uma relação custo
benefício crítica, porém, como proposto soluções ainda pouco exploradas e desenvolvidas para redução
de custos e viabilização em relação a estes fatores acima descritos.

3. Fig. 2. Evolução dos aerogeradores desde 1985 até 2005 (DEWI, 2005).
A Figura 2 mostra a evolução da escala em grandes proporções, entretanto aplicações de baixo
potencial, inferior a 3,0 (kW) de geração, a relação custo benefício tende a ser crítica, conforme será
mostrado adiante.
TABELA I
CUSTO DE ENERGIA ELÉTRICA GERADA R$/KW H (M. M. REIS -2003).
Curva de potência do fabricante
Curva de potência simulada
Carregamento de baterias Bombeamento
Carreg. de baterias Bombeamento
Litoral 0,96
0,42
0,68
0,36
Interior 1,86
0,80
1,58
0,68
Levando em consideração que no período em que o levantamento dos dados da Tabela 1 foi
realizado, o custo médio do kWh era de R$0,56. Fica claro que o custo somente é viável em situações
de uso no litoral, onde a incidência dos ventos é mais constante. Para as demais condições, segundo o
fabricante, tem-se uma condição fora do ponto de equilíbrio.
Utilizando estes dados e o perfil de exploração em âmbito nacional obtém-se uma condição favorável
para aplicações de pequeno porte. Porém a tecnologia para esta magnitude no Brasil possui pouca
exploração, sendo um número restrito de empresas atuando atualmente no mercado brasileiro com
equipamentos 100% nacionais. Numa breve consulta entre 10 empresas do seguimento, foi constatado
que todas trabalham com pelo menos em 90% das instalações de aerogeradores com tecnologias vindas
da Europa, onde é grande o desenvolvimento de equipamentos neste setor e consequente diferencial de
custo. Somente o bloco de baterias e os cabos são de origem nacional em alguns casos e com potencial
para competitividade no valor de venda.
Para tal cenário o desenvolvimento demonstrou ser de grande valia, sendo o aerogerador proposto na
ordem de 100,0 (W), podendo ser redimensionado para até 2 (kW). O projeto pode ser descrito em sete
blocos, sendo: captadores (pás de fluxo axial – direto ou frontal), controlador de velocidade (freios aero
mecânicos - por força centrífuga), gerador (motor de passo – até 12Vdc/10A ou 120W), controlador de
carga (circuito com LM338), bateria (12Vdc/40Ah) , inversor e sincronismo de rede.

4. Fig. 3. Blocos do aerogerador proposto
Fig. 4. Blocos do aerogerador de base para o projeto
A energia cinética ou Potência captada pelas pás é definida por:
Pv =
1
Lc 2
ρA
v
2
2
(1)
Onde:
Pv: potência do vento em Watts;
ρ: densidade do ar;
A: área das pás;
Lc: comprimento das pás;
v: velocidade do vento.
Sendo ρ ao nível do mar e a 15 °C, de acordo com a ISA (International Standard Atmosphere), o ar tem
uma densidade de cerca de 1, 225 kg/m³.
Para mensurar a velocidade dos ventos pode-se utilizar um equipamento digital denominado
anemômetro para avaliar a condição ambiental do local onde se deseja aplicar o gerador.
O ideal são ventos acima de 5,0 m/s para uma condição favorável de geração, conforme figura 5,
assim é possível conseguir a potência desejada neste projeto (100,0 W), o que já é considerado
satisfatório para geração de baixa escala de potência devido as limitações da captação como pequena
área das pás e baixa altitude das torres, sendo que para sistemas de grande porte as torres são acima de
50 metros em relação ao solo.
Fig. 5. Curva de potência de um aerogerador (Fonte: IVONI, C. Acunha Jr, 2006-FURG- RS)
Para o controle de carga, foi simulado o controlado LM338, com capacidade até 5,0 A, sendo
dimensionado para 4,0 A, visando evitar danos à bateria utilizada nos testes, nesta escala de regulação
é necessário o dimensionamento de dissipadores de potência, sendo utilizado um perfil de alumínio,
onde sua área é calculada por:
Q = hA(Ts −Tf )
Onde:
Q = Taxa de calor dissipado (ºC/W);
h=coeficiente de transporte de calor (W/m²K);
A= área do dissipador (m²);
(2)

5. Ts= Temperatura da superfície de contato (ºC);
Tf= Temperatura do fluido (do ar).
O dissipador foi calculado para faixa 20% acima da nominal de operação do inversor, ou seja, 120(W)
para assegurar pleno funcionamento, o mesmo se aplica aos elementos chaveadores do circuito
inversor.
Fig. 6. Controlador de carga (Datasheet LM338-Texas Instruments -2012)
O circuito inversor em estudo foi o da configuração de meia-ponte foi desenvolvido com a
tecnologia de microprocessamento para controle de dois Mosfets, cuja finalidade é a substituição das
chaves S1 e S2,sendo controladas pelo microcontrolador Risc PIC16F913 para o controle do inversor
de frequência, onde a partir de um sinal contínuo (fornecido por baterias – tipo estacionária
12Vdc/40Ah) é possível fornecer um sinal alternado (senoidal – 120Vac/60Hz) aplicando um processo
de derivação e integração para gerar o sinal da rede elétrica, baseado no conceito matemático de
Transformada Rápida de Fourier, dado por:
1 N −1
F (u ) = ∑ f ( x)WNux
N x= 0
(3)
Fig. 7. Inversor de meia-ponte (ESPINOZA, Jose R., Power Electronics Handbook, 2001 – pág.227).
Sendo um processo de somatória dos sinais que compõem a onda senoidal fundamental de 60(Hz),
que por sua vez é integrada e amplificada no inversor de meia-ponte para resultar no sinal equivalente
ao da rede elétrica de 127,0 (Vac)/60(Hz), onde o sinal de controle pode ser observado pela figura 8, a
seguir:

6. Fig. 8. Formas de onda de um inversor de meia ponte (ESPINOZA, J. R, Power Electronics Handbook,
2001 – p.228)
Um recurso adicional ao projeto foi o captador de cruzamento de zero, cuja finalidade foi de indicar ao
processamento qual instante deverá ser liberado o sinal elétrico para saída, visando evitar falta de
sincronismo com a rede elétrica acoplada ao gerador, caso seja utilizado em conjunto com a rede para
redução de consumo, conforme ilustrado na Figura 8.

7. Fig. 9. Circuito de cruzamento de zero (Fonte: AN05- Sound.westhost - 2012)
Pode-se ainda utilizar o aerogerador como fonte isolada de energia, limitando-se a autonomia do
sistema. Para esta aplicação o circuito cruzamento de zero pode ser descartado, reduzindo o custo do
projeto. Um exemplo que pode ser mencionado é o de aplicação em pequenas embarcações para
utilização de eletrodomésticos a bordo.
5. Ensaios, simulações e custos
O desempenho de cada bloco, sua eficiência e compatibilidade ao sistema como um todo foi avaliado,
onde o melhor desempenho constatado foi no bloco inversor com uma eficiência de 76% da potência
entregue, ou seja, ao se fornecer uma potência de 100,0(W), foram necessários 124,0(W), sendo 24,0
(W) consumidos pelo sistema de geração. Isso devido ao calor produzido pelo fluxo de corrente intenso
causado pelo bloco inversor half-bridge. O controlador de carga demonstrou-se eficaz sendo que mesmo
para variações de tensão na faixa de 6,0 a 26,0 (Vdc) o fluxo de corrente permaneceu abaixo do ponto
de proteção dimensionado. O circuito de cruzamento de zero foi simulado em ferramentas virtuais e
avaliou-se que seu funcionamento e eficácia para sinalização do ponto de sincronismo com a rede
aplicada possibilitaria o uso em um sistema de suprimento para falhas da rede elétrica já existente.. A
isolação galvânica do transformador utilizado no inversor half-bridge é outro ponto relevante, pois
proporciona mais segurança devido sua isolação física da rede.
A somatória do conjunto caixa, pás, gerador (motor de passo), bateria (12Vdc/40Ah-automotiva),
circuito inversor, circuito controlador de carga e cross-over, resultou em um custo final de R$517,00, se
considerarmos que para aumentar sua capacidade para 250,0 (W), que é o valor dos geradores
comercializados atualmente, resulta no custo de aproximadamente R$700,00. Em comparação com um
Aerogerador de 250,0(W) de distribuição nacional, obtém-se um diferencial de custo de R$2300,00, ou
seja, uma taxa de atratividade de mais de 200%, demonstrando um panorama favorável para abertura
de um empreeendimento. Porém vale ressaltar o custo periódico das baterias, no caso uma bateria
estacionária no conjunto resultaria num custo somatório de R$550,00, o que para o custo final de
produção seria R$1250,00, ainda dentro de uma faixa de atratividade para comercialização acima de
150%.
Avaliando o projeto no aspecto econômico para abertura de um empreendimento na prática temos o
seguinte panorama: investimento inicial, somando-se uma estimativa de 25 peças/mês, gastos fixos e
variáveis totalizando aproximadamente R$42.000,00. Sendo o preço unitário inicial para este panorama
de R$1500,00/unidade e decaindo cerca de 7% ao ano, com este perfil o negocio atingiria a taxa interna
de retorno em cerca de 8 meses sendo financiado o capital total inicial para 60 .
Fig.10 Formação de custo do aerogerador.

8. Avaliando a composição de custos e como ilustrado na Figura 9, o preço unitário foi formado
considerando os valores fixos como materiais e mão de obra e custos variáveis como juros (CPMF, IPI e
salários).
“Os custos iniciais podem referir-se aos gastos com o estudo de viabilidade técnica, negociações e
desenvolvimento, projetos de engenharia, custos dos equipamentos, infraestrutura e despesas diversas.
Já os de operação e manutenção correspondem aos gastos com operação, reparo e reposição de
equipamentos, arrendamento do terreno, entre outros [7].”
Para tal podemos citar ainda que: “Os fatores acima citados referem-se principalmente ao estudo da
viabilidade de grandes parques eólicos. Neste caso, algumas das características e custos envolvidos
podem ser alterados ou, até mesmo, desconsiderados, dependendo da localização e tamanho.”
Outra avaliação que pode ser citada seria que para um gerador eólico de 1,0 (kW) funcionando de
forma autônoma temos: “os gastos iniciais reduzidos como: despesas com avaliação do potencial eólico
do local, instalação do gerador, custos de equipamento.” [7]
Relembrando que custos de operação e manutenção são provenientes da manutenção “preventiva” e
que possíveis reposições de componentes, como é o caso das baterias poderão ser necessárias, pois
sua vida útil é de apenas três anos, segundo informações de alguns fabricantes. Para avaliação do
potencial eólico o estudo das velocidades e da variação da direção dos ventos por um período mínimo
de um ano faz-se necessário podendo ser realizado com auxilio das fontes meteorológicas nacionais e
equipamentos como anemômetros (medidor de velocidade dos ventos) e avaliação do terreno ao qual o
equipamento será instalado. Estes custos não estão inclusos nos cálculos citados anteriormente já que
se trata de custos de serviços e não do projeto em si e que provem de uma fonte secundária de renda a
contribuir para a abertura do negócio como diferencial a ser oferecido.
Fig. 11. Potência em função dos ventos [7]
Outro ponto que vale ressaltar é que a aerodinâmica das pás acaba por ser o grande impasse do
processo, pois exige ferramental de precisão para uma boa eficiência e no caso este custo foi adotado
como mão de obra terceirizada, numa faixa de 3 horas de trabalho de um marceneiro convencional. No
entanto este antigo aborda somente a avaliação dos blocos eletroeletrônicos.
Partindo para o perfil do cliente, um exemplo de redução de consumo que pode ser utilizado para
entendimento da aplicação do sistema seria: o custo do kWh fornecido pela CEMIG para classe
residencial (B1) de R$ 0,40423 avaliado em dezembro de 2012, onde para um consumo de um conjunto
TV + uma lâmpada fluorescente + Notebook+ ventilador pequeno por 5h/dia, sistema com consumo
médio de 249(W), tem ao final do mês um consumo de 37,35kWh/mês resultando num valor de
R$15,0979. Para que o Aerogerador de 250(W) seja pago, teríamos de aguardar 96 meses (8 anos),
avaliando a economia de consumo numa aplicação na poupança a 0,55% a.m. , considerando ainda que
não tenhamos manutenção e levando em consideração a vida útil da bateria que é em média 3 anos,
nesses 3 anos teríamos mais de R$625,00 de rendimento na poupança a uma taxa média de 8%a.a.,
suficiente para troca da bateria, além destes fatores ainda temos o fator de mercado deste tipo de
equipamento, ainda pouco explorado para aplicações domiciliares, que pode ser considerado mais um
fator adverso a viabilidade de fabricação como uma barreira comercial a ser vencida.
6. Conclusões
O sistema de conversão apresentou grande eficiência, acima de 75%, estabilidade, com frequência fixa
e custo médio atrativo para empreendimento comercial, pois considerando o custo de confecção é

9. possível obter lucro na fabricação deste tipo de equipamento. Estima-se que em um período oito anos o
sistema deverá apresentar retorno econômico ao cliente. Do ponto de vista do consumidor final, e em
relação à vida útil das baterias encontradas no mercado (três anos em média) teríamos um custo
intermediário na troca destas acima do ideal para tornar a aplicação viável, porém aplicando o valor
pago na energia anteriormente a companhia de energia em uma poupança com média de rendimento
de 8% a.a. é possível anular o gasto com a troca da bateria. Um fator que pode ser considerado um
opositor para comercialização é a adaptação e falta mão de obra especializada para instalação da torre
em residências e do sistema como um todo, somando mais um custo ao sistema, porém em edificações
temos um perfil favorável e avaliando o conceito cultural ainda não se pode considerar a gestão da fonte
de energia a cargo do consumidor, pois atualmente o mercado advém de uma estrutura baseada na
terceirização, ou seja, a comodidade de se ter serviços de reparo e manutenção na responsabilidade das
concessionárias de distribuição de energia.
Mesmo com diversos fatores adversos a energia eólica ainda tem demonstrado ser um recurso em
crescimento e desenvolvimento, sendo incentivado pelas comunidades cientificas e governamentais,
oferecendo concorrência com as atuais tecnologias de geração de energia. Visando um campo em
escassez nacional de potencial para exploração um mercado de grande potencial a ser explorado seria o
de geradores para pequenas embarcações, cujo mercado brasileiro vem crescendo segundo dados do
jornal Estadão, em notícia do dia 10 de outubro de 2010: “Brasil vira mercado emergente de iates” no
caderno de Economia e Negócios, demonstrando o interesse de empresas do setor no mercado
brasileiro. Neste setor o investimento é necessário e os custos são mais competitivos para aplicação de
aerogeradores, além de ser mais eficiente devido à constância de fluxo ventos marítimos. Com este
estudo fica ainda mais evidente a capacidade de utilizar a energia eólica no cenário brasileiro, dado a
variedade de tecnologias e de aplicações.
Como propostas para continuação e avanço deste projeto, podem ser desenvolvidos estudos de
melhorias para os recursos acumuladores (baterias), tecnologias alternativas para o processo inversor
CC/CA e até mesmo no processo mecânico de confecção de pás para captação dos ventos, todo como
premissa para melhoria da eficiência.
Espera-se que este estudo possa auxiliar novos projetos e estudos para a aplicação de sistemas
sustentáveis e melhoria da qualidade do ambiente das gerações futuras.
7. Discussão
Em uma avaliação das simulações realizadas em laboratório o Aerogerador demonstrou grande
eficiência, porém ainda distante para tornar o sistema viável para comércio. Fatores como aquecimento
por efeito Foucault, efeito Joule, mecânica para aerodinâmica ainda são condições adversas para
utilização deste recurso no processo de integração e amplificação do inversor de pequeno porte. Como
mencionado por M. M. Reis “o custo dos geradores eólicos é influenciado por diversos fatores, tais como:
características do sistema e características dos ventos no local da instalação.” Considerando isto se
pode dizer que este trabalho trás novos dados para auxiliar os estudos de novos sistemas geradores. O
Atlas da Energia Brasileira divulgado pela Aneel em 2006 – 2ª edição ainda trás uma noticia de incentivo
a exploração desta tecnologia: “No Brasil, a participação da energia eólica na geração de energia elétrica
ainda é pequena.” Espera-se com isso que novos estudos sejam realizados somando mais recursos para
a comunidade cientifica.”
Agradecimentos
É com imensa gratidão que cito minha companheira, Miqueline Pivoto F. Dias pelo apoio e paciência na
longa jornada para conclusão deste trabalho e aos colegas Engenheiros Cláudio Castro Prado e Reinaldo
Andrade pelo apoio e discussões sobre o tema das quais resultaram no fechamento deste trabalho.
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Simulador de consumo de energia –COPEL – retirado do site http://www.copel.com/hpcopel/simulador/em 10 de
dezembro de 2012.
Dados dos Autores
Carlos Eduardo de Oliveira, Esp., Bsc. - Centro Universitário Newton Paiva - Campus Buritis: Rua José Cláudio
Rezende, 26 e 420 – Estoril – Belo Horizonte – Minas Gerais – CEP: 30411-325 – Tel.: (31) 9497-0689.
Cláudio Castro Prado, Dr., Msc., . Instituto Nacional de Telecomunicações - Av. João de Camargo, 510 – Centro CEP Santa Rita do Sapucaí - Minas Gerais – CEP: 37540-000 - Tel.: (35) 3471-9200.