análise, seleção e dimensionamento de sistema mecânico para transmissão de potência em um ...

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ANÁLISE, SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA MECÂNICO PARA
TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA EM UM CONVERSOR DE ENERGIA DE ONDAS
OCEÂNICAS

Sudá de Andrade Neto

Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.

Orientador: David Alves Castelo Branco
Coorientador: Eliab Ricarte Beserra

Rio de Janeiro
Fevereiro de 2017
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ANÁLISE, SELEÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA MECÂNICO PARA
TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA EM UM CONVERSOR DE ENERGIA DE ONDAS
OCEÂNICAS

Sudá de Andrade Neto

PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:
________________________________________________
Prof. David Alves Castelo Branco, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Eliab Ricarte Beserra, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Luiz Antonio Vaz, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz D.Sc.
________________________________________________
Prof. Rodrigo Klim M.Sc

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
FEVEREIRO DE 2017
Neto, Sudá de Andrade

Análise, seleção e dimensionamento de sistema mecânico
para transmissão de potência em um conversor de energia
de ondas oceânicas
– Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.

VII, p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: David Alves Castelo Branco
Coorientador: Eliab Ricarte Beserra

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de
Engenharia Mecânica, 2017.
CITAÇÃO

“Só há felicidade se não exigirmos nada do amanhã e aceitarmos do hoje, com
gratidão, o que nos trouxer. A hora mágica chega sempre.”
Hermann Hesse
“O mistério da existência humana não reside apenas em permanecer vivo, mas
em encontrar algo pelo qual valha a pena viver. “
Fiódor Dostoievski

“Everything should be as simple as it can be, but not simpler”
Albert Einstein

ii
AGRADECIMENTOS

Dedico este trabalho aos meus familiares e amigos. Primeiramente, às
minhas imensamente amadas Mãe e irmã. Mãe, você sempre me diz que na vida
a gente precisa de sorte “até pra nascer”. Essa sorte, algo difícil de explicar e
que ás vezes foge da razão, eu agradeço diariamente por ter tido. O convivío traz
momentos nem sempre harmoniosos, mas tanto em nossas diferenças quanto
em nossas afinidades e semelhanças o amor sempre se faz presente. Na
elaboração deste trabalho, vocês duas foram incansáveis em me dar suporte
intelectual, emocional, mental e qualquer outra forma de apoio. O resultado
deste projeto não seria o mesmo, caso não pudesse contar com vocês. Amo
vocês, mesmo com minhas limitações, com o maior amor que sou capaz de dar.
Ao meu pai, in memoriam, não sei se algum dia imaginou um filho engenheiro,
mas acredito que estaria ou está orgulhoso neste momento. Se nosso tempo
juntos aqui foi curto, foi também intenso. Obrigado pelos ensinamentos e, caso
exista algo além da morte, espero encontrá-lo para mais algumas conversas
sobre história, política, filosofia e, é claro, também para algo mais leve como
assistirmos juntos as partidas de futebol do Vasco e do Fluminense.
Aos meus amigos Gabriel Saramago e José Ururahy, presentes na minha
vida há mais de 13 anos, devo a vocês um agradecimento por todos os momentos
de felicidades e tristezas compartilhados. Neste trabalho, em especial, serei
eternamente grato pela motivação que me deram e por acreditarem em mim
mesmo quando eu duvidei. Sinto que sou parte de vocês e vocês de mim. Juntos
somos mais fortes. Mais uma vez obrigado.
Aos meus grandes amigos da graduação, em especial Rodrigo Metne,
Rafaell Caldas, Pedro Gruzman, Júlio Lobo, João Barreto, Rodrigo Sudá, Daniel
Cipriano, Pedro Caetano e Bernardo Cassar. As incontáveis horas que passamos
juntos, tanto dentro quanto fora da universidade, me tornaram o engenheiro
que sou hoje e uma pessoa melhor. Respeitando nossas peculiaridades, pontos
fortes e fracos de cada um, nos unimos não apenas em torno da Engenharia
Mecânica, mas também, e principalmente, pelos momentos de dificuldades que
enfrentamos juntos ao trilhar um objetivo comum.
Aos meus queridos amigos do intercâmbio. Obrigado pelo melhor ano de
nossas vidas. Conhecê-los e conviver com vocês em Liverpool foi uma das
melhores coisas que já me aconteceu. Marcos Magnus, Arthur Távora, Vinicius
iii
Oliveira, Pedro Barros, Clóvis Bona, Rafael Nunes, Pedro Victor, Gilberto de
Martin, George Hambling entre muitos outros, deixo registrado aqui meu muito
obrigado.
Aos meus queridos amigos da Petrobrás, especialmente ao meu
supervisor Ernani, ao meu gestor Meyrelles e aos meus tutores e agora colegas
engenheiros Bianco, Pedro, Fabiana, Isabela, Igor, Thiago Maioli, Thiago Moura,
Toscano, Quintierie e Aline. Depois de um ano e meio de convívio e aprendizado,
sinto um enorme orgulho e privilégio ter feito parte desta equipe e levarei um
pouco de cada um comigo a partir de agora para minha vida profissional e
pessoal.
Ao meu orientador Prof. David Branco e ao meu coorientador Prof. Eliab
Ricarte. Obrigado por terem me dado a oportunidade de trabalhar com vocês e
a liberdade de explorar este tema. Suas dicas foram sempre valiosas e sempre
tiveram paciência comigo mesmo nas fases em que eu não conseguia avançar.
Deixo também meus agradecimentos ao resto da equipe do projeto, em especial
para o Prof. Luiz Vaz e para o Rodrigo Klim, que compuseram minha banca, e
para os graduandos Bernardo Kahn e Alexander Kataoka. Nossas diversas
discussões ao longo do tempo de elaboração do trabalho enriqueceram e muito
este projeto.
Finalmente, à UFRJ e a todo o corpo técnico e administrativo, aos
professores do departamento da mecânica, ao coordenador Prof. Flávio Filho e
ao Tito José, responsável administrativo. Carrego comigo agora, de forma
definitiva, o nome desta instituição que me orgulho tanto de ter feito parte.

iv
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro
Mecânico.
Análise, seleção e dimensionamento de sistema mecânico para transmissão de
potência em um conversor de energia de ondas oceânicas

Sudá de Andrade Neto
Fevereiro/2017

Orientador: David Alves Castelo Branco
Curso: Engenharia Mecânica

Este projeto final de graduação apresenta uma análise dos principais sistemas
de transmissão de potência para conversão de energia das ondas ocêanicas com
fins de gerar eletricidade a partir deste recurso. Fundamentada nesta análise, é
feita a seleção por um sistema hidráulico em circuito fechado para um modelo
específico de conversor desenvolvido pela COPPE/UFRJ, do tipo ponto
absorvedor para águas de profundidade médias e rasas. O conversor é
constituído por um flutuador que oscila verticalmente com a passagem das
ondas, suportado por uma estrutura fixa. A escolha por um sistema hidráulico
é baseada em critérios como custo, peso, facilidade de fabricação, eficiência,
adaptabilidade ao ambiente marinho entre outros. Após definição do sistema, é
realizado o dimensionamento dos componentes de acordo com resultados
computacionais premilinares e a Teoria Linear de Ondas. O dimensionamento é
proposto em escala real e em 1:10, correspondentes, respectivamente, ao
protótipo e ao modelo experimental.

Palavras-chave: energia das ondas, ponto absorvedor, sistema mecânico, sistema
hidráulico
v
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial
fulfilment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer.

Analysis, selection and sizing of mechanical system for power-take-off system
in an ocean wave energy converter

Sudá de Andrade Neto

February/2017

Advisor: David Alves Castelo Branco

Course: Mechanical Engineering

This undergraduate project presents an analysis of the main power
transmission systems for the conversion of energy from ocean waves in order to
generate electricity from this resource. Based on this analysis, a closed circuit
hydraulic system is selected for a specific converter model developed by
COPPE/UFRJ, a point absorber type for medium and shallow depth waters. The
WEC consists of a float which oscillates vertically with the passage of the waves
while supported by a fixed structure. The choice for a hydraulic system is based
on criteria such as cost, weight, ease of manufacturing, efficiency, adaptability
to the marine environment among others. After defining the system, sizing of
the components is developed from premillary computational results and the
Linear Wave Theory. Designs are proposed in real scale and in 1:10, respectively,
prototype and experimental model.

Key-words: WEC, wave energy, point absorber, mechanical system, hydraulic
system

vi
LISTA DE FIGURAS

Figura 1-1. Participação de renováveis na geração elétrica - matriz nacional e global (Ano
Base 2015)
Figura 1-2. A oferta interna de energia (Ano Base 2015)
Figura 1-3. Mapa global das iniciativas e inovações no setor de energia de ondas, de acordo
com o European Marine Energy Center (EMEC)
Figura 1-4. Modelo em escala 1:10 do conversor do tipo Ponto Absorvedor. O flutuador à
esquerda movimenta-se devido às forças de excitação das ondas, gerando potência e
oscilando verticalmente em relação a uma estrutura fixa parcialmente submersa, mostrada
à direita.
Figura 1-5. Parques de Energia offshore com fontes híbridas podem ser a solução para dar
a energia das ondas maior viabilidade econômica
Figura 1-6. Movimento das partículas da água em uma onda
Figura 2-1. Grandezas básicas das ondas
Figura 2-2. O surgimento das ondas através dos ventos
Figura 2-3. Classificação dos conversores a partir de sua localização
Figura 2-4. Comparativo entre localidades e energia disponível
Figura 2-5. Tipos de Conversores classificados devido à interação com a onda incidente
Figura 2-6. AWS usa o princípio de diferenciais de pressão para extrair energia das ondas
Figura 2-7. Conceito do conversor Wavegen's Limpet, em Islay, Escócia.
Figura 2-8. Estruturas flutuantes e os diferentes graus de liberdade
Figura 2-9. O conceito do Wave Dragon se baseia no "overtopping" -
Figura 2-10. As diversas categorias de conversores de onda
Figura 2-11. Estágios para conversão de energia de ondas oceânicas
Figura 2-12. Princípio de Operação de Pelamis
Figura 2-13. Sistemas Hidráulicos no WaveStar
Figura 2-14. Configuração de sistema PTO hidráulico básico sugerido por Ferri et al []:
circuito fechado com pistão de duplo efeito, válvulas de controle, acumuladores, motor
hidráulico e gerador.
Figura 2-15. Technologia usada em sitemas hidráulicos para produzir energia das ondas
Figura 2-16. Representação esquemática de um motor hidráulico de deslocamento variável
com pistão axial e eixo curvado
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Figura 2-17. Vista cortada mostra características-chave de um cilindro hidraulico típico,
neste caso, de duplo efeito com construção padrão tie-rod tirante
Figura 2-18. Modelo de um Gerador Linear
Figura 2-19. Princípio de Operação de AWS
Figura 2-20. Gerador linear do AWS durante montagem
Figura 2-21. Tecnologia usada em sistemas de conversão direta para gerar eletricidade
através das ondas
Figura 2-22. Esquema e projeto conceitual de conversão de energia das ondas por geradores
lineares
Figura 2-23. Conversor de Lysekil (dir.) e da Universidade de Oregon (esq.)
Figura 2-24. Esboço de Conversor de Ondas com gerador Linear
Figura 2-25. Circuito equivalente de Gerador Linear
Figura 2-26. Gerador Linear Tubular air-cored é uma solução para reduzir peso
Figura 2-27. Sistemas de Transmissão mecânicos por cremalheira e pinhão: À esq.
cremalheira dupla com pinhão único, ao centr. e à dir. sistema com pinhão duplo e dois
geradores da OPT.
Figura 2-28. OPT PowerBuoy
Figura 2-29. Conversor Mecânico por Cremalheira-Pinhão
Figura 2-30. Testes no laboratório e no mar acionam uma lâmpada de 3W
Figura 2-31. Conversor de Ondas com sistema mecânico da CorPower
Figura 2-32. Conversor Mecânico de Singapura, com trava para os dentes e rotacionamento
unidirecional
Figura 2-33. Sistema Cursor Manivela para Energia das ondas
Figura 2-34. Volante de inércia para diminuir a flutuação de velocidade no eixo
Figura 2-35. Esquema do Projeto de Pico OWC Plant.
Figura 2-36. Turbina Wells na versão com palhetas-guia na esq. e turbina de impulso na dir.
Figura 2-37. Turbina a ar Denniss-Auld. As pás do rotor pivotam rapidamente entre as
posições extremas quando o fluxo de ar é revertido
Figura 2-38. Turbinas hidráulicas para conversores de ondas. Turbina Pelton na esq. Turbina
Kaplan no meio e Turbina Francis na dir.
Figura 2-39. Oyster da Aquamarine Power envia água pressurizada para rotacionar uma
turbina tipo Pelton localizada na costa
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