CONSTRUÇÃO DE EMBARCAÇÃO SOLAR DE ALTO DESEMPENHO PARA COMPETIÇÃO Alexandre da Silva Machado Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica, Escola Politécnica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Naval e Oceânico. Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes Rio de Janeiro Janeiro de 2015
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CONSTRUÇÃO DE EMBARCAÇÃO SOLAR DE ALTO … · embarcação foi construída com a ajuda de 4 alunos do curso de Construção Naval da ... chegamos nas medidas e no desenho do casco
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CONSTRUÇÃO DE EMBARCAÇÃO SOLAR DE ALTO DESEMPENHO
PARA COMPETIÇÃO
Alexandre da Silva Machado
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Naval e Oceânica,
Escola Politécnica, da Universidade
Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro Naval e Oceânico.
Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes
Rio de Janeiro
Janeiro de 2015
CONSTRUÇÃO DE EMBARCAÇÃO SOLAR DE ALTO DESEMPENHO
PARA COMPETIÇÃO
Alexandre da Silva Machado
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DOCURSO DE
ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO.
Examinado por:
Orientadora: Prof. ªD. Sc. Marta Cecilia Tapia Reyes
Prof. Alexandre Alho
Prof. D. Sc. Severino Fonseca da Silva Neto
RIO DE JANEIRO, RJ- BRASIL
JANEIRO DE 2015
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Machado, Alexandre da Silva
Construção de embarcação Solar de alto desempenho
para Competição/ Alexandre da Silva Machado - Rio de
Janeiro: UFRJ/ ESCOLA POLITÉCNICA, 2014
VIII, 41 p.: il.: 29,7 cm.
Orientador: Marta Cecilia Tapia Reyes
Projeto de Graduação - UFRJ/ POLI/ Engenharia Naval e
Oceânica, 2014
Referências Bibliográficas: p.41.
1. A competição 2. Projeto da embarcação 3. Modelação
Computacional 4. Construção da embarcação 5. Analises Finais
I. Tapia Reyes, Marta Cecilia. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval e
Oceânica. III. Construção de embarcação Solar de alto
desempenho para Competição.
iv
AGRADECIMENTOS
Grande agradecimento ao querido professor Fernando Amorim, que apesar de não
estar mais conosco, deixou um imenso legado de conhecimentos e praticas para
muita gente.
Em segundo lugar, porem não menos importante, professora Marta Tapia e
professor Alexandre Alho por estarem dando continuidade aos projetos do professor
Amorim e por terem me proporcionado fazer esse trabalho de projeto, analise e
construção da embarcação até o final do processo.
Professor Severino e professor Luiz Vaz, sempre despostos a ajudar
incondicionalmente, sempre, sem palavras, muito obrigado.
Agradecimento especial para minha família que me apoiou por toda minha longa
trajetória na UFRJ, sempre fazendo o possível e o impossível para me apoiar.
Obrigado também especial para minha companheira e apoiadora Nathally Milese,
sempre dando forças quando mais foi preciso.
Por final, agradeço ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico (CNPq), que patrocinou todo o projeto e construção da embarcação
que foi objeto de analise desse relatorio.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e
Oceânico.
CONSTRUÇÃO DE EMBARCAÇÃO SOLAR DE ALTO DESEMPENHO
PARA COMPETIÇÃO
Alexandre da Silva Machado
Janeiro/2015
Orientadora: Marta Cecília Tapia Reyes
Curso: Engenharia Naval e Oceânica
O barco solar construído e analisado nesse projeto tem a função de participar do
desafio solar Brasil, competição com o objetivo de desenvolver tecnologia em
energia renovável. O projeto e construção da embarcação mais eficiente, faz toda
diferença na competição, associado com uma boa estratégia de consumo da energia
solar disponível. O projeto do barco teve como expectativas mais importantes: A
maior velocidade media (garantindo a menor resistência ao avanço) e ser o mais
leve possível (tanto o casco como todos os equipamentos utilizados). O processo de
construção escolhido para que a embarcação fique com o menor peso possível, será
explanado nesse trabalho, e algumas das características finais do casco e da sua
laminação serão analisadas no final do mesmo.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Naval Engineer.
SOLAR BOATBUILDING HIGH PERFORMANCE
FORCOMPETITION
Alexandre da Silva Machado
January/2015
Advisor: Marta Cecília Tapia Reyes
Graduation: Naval Engineering
The boat that was built and studied in this project is powered by solar energy. The
boats purpose is to take part in the Solar Challenge Brazil, a competition aimed at
developing technology in renewable energy. The construction of a more efficient solar
boat, coupled with a better strategy for solar energy capture, makes all the difference
in the competition. The boat project has important expectations like: the fastest
cruising speed (ensuring the least resistance moving forward) and the lightest weight
possible (minimizing the weight of the hull and all equipment used).
The construction process was chosen to ensure the vessel has the lightest possible
weight. In this paper the construction and completed characteristics of the hull will be
Trata-se do projeto e construção da embarcação mono casco, para participar do
Desafio Solar Brasil que aconteceu em Setembro de 2014, em Búzios. A referida
embarcação foi construída com a ajuda de 4 alunos do curso de Construção Naval da
Escola Técnica Henrique Lage, patrocinada pelo CNPQ, e usada na competição pela
equipe Henrique Lage.
Durante a competição, as embarcações são movidas com a energia solar, tendo
apenas o piloto a bordo, que se comunica em tempo real com o resto da equipe para
navegar com estratégia. Todas as equipes recebem o mesmo conjunto de placas
solares, esse é o único equipamento que iguala as equipes, todos os outros
equipamentos podem ser escolhidos livremente, dando prioridade aos equipamentos
mais leves e eficientes, destacando-se aquela equipe que alcançar uma melhor
estratégia energética e um melhor desempenho casco/motor, conseguindo finalizar
todas as corridas sem parar no meio dela.
No projeto da embarcação visualizasse as expectativas que acreditamos fazer o barco
vencer. As qualidades principais para esse barco serão projetadas e analisadas, dentro
das restrições da regra que guia o campeonato. Algumas dessas qualidades são: a
forma, que deve ser a mais fina e esbelta possível, para ter menor atrito com a água,
os equipamentos serão analisados, escolhidos e alocados no barco para garantir o
equilíbrio e segurança da embarcação e seus equipamentos.
Como algumas equipes do departamento de Engenharia Naval já participaram desta
competição antes, existem algumas referências de projeto de casco que atendem as
restrições da regra da competição e buscam minimizar a resistência ao avanço. Esses
barcos de referencia (Ipanema e Copacabana) nos fornecem algumas informações de
desempenho que são comparadas entre eles, e nos mostram a direção melhor para
onde variar as medidas da embarcação que vai gerar melhor resultado, com isso
chegamos nas medidas e no desenho do casco a ser construído.
Depois de projetada e analisada, a embarcação será construída, porem o
procedimento de construção vai influenciar no peso da embarcação final diretamente
e na precisão que a embarcação vai ter em relação ao desenho projetado. Existem
inúmeros métodos diferentes de construir um barco, sendo ele de qualquer tamanho e
para qualquer função, só precisamos atender da melhor maneira possível as
expectativas projetadas para a embarcação.
O procedimento de construção a ser escolhido irá garantir a melhor precisão em
relação ao barco projetado e também deve proporcionar a construção do barco mais
leve possível. Todo o procedimento de construção foi registrado e será explicado no
decorrer do relatório com fotos de todo processo.
Analisando o barco pronto e os dados registrados durante a construção da
embarcação, podemos chegar a conclusões que podem ajudar na construção de
outras embarcações iguais, o objetivo desse campeonato é realmente desenvolver
tecnologia.
2
2 A COMPETIÇÃO
A competição solar tem como maior objetivo e motivação o desenvolvimento do uso
da energia solar, para ser usada cada vez mais no nosso cotidiano e quem sabe um
dia substituir completamente os combustíveis foceis e nucleares. Está sendo visto
diariamente que nosso clima ficou descontrolado principalmente por conta do
aquecimento global, os combustíveis foceis tem grande percentual dessa culpa, novas
saídas estão sendo propostas.
Como se sabe a energia limpa tem sido cada vez mais procurada por empresas que
querem desenvolver tecnologia renovável e se associar com essa imagem, dessas
empresas que serão solicitados os equipamentos do barco, como patrocínios para
equipar essa embarcação, com as devidas propagandas coladas no casco.
O campeonato tem quatro percursos diferentes, com distancias também diferentes,
que são escolhidos na hora de acordo com as condições do tempo e do mar,
demarcados por boias (10, 15, 25, 30km). O vencedor de uma determinada classe é a
equipe que completar a distância total com o menor somatório de tempos. As corridas
são realizadas de manha 9h podendo ser a tarde de acordo com o tempo..
Outros eventos como esse acontecem em vários lugares do mundo, com o mesmo
objetivo de desenvolver meios limpos de energia, são como exemplos a pioneira Dong
Energy Solar Challenge no Norte da Holanda, Dutch Open Solar Challenge no sul da
Holanda e norte da Bélgica, Solar Splash nos Estados Unidos da América e Desafio
Solar Brasil organizado pelo Polo Náutico da UFRJ.
A competição é dividida em duas classes de embarcações: Classe catamarã A e Classe
monocasco B. A embarcação monocasco é capaz de operar de maneira bem eficiente
na condição de semi-planeio e deslocamento, podendo ter a ajuda de flutuadores
laterais para garantir a estabilidade, porem os flutuadores não podem tocar na agua,
pois seria um trimarã. O monocasco possuir a menor área molhada entre as
alternativas de casco, com isso menos resistência que o catamarã. Além de não ser
necessário comprar os seus próprios painéis solares é a mais numerosa e competitiva
classe.
Figura 1 – Local da Competição em Búzios
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2.1 REGRAS E RESTRIÇÕES DO CAMPEONATO
Na regra as equipes são divididas em 2 classes (A e B):
Classe catamarã (A):A classe catamarã é indicada para equipes iniciantes e menos
experientes, por serem embarcações com dois cascos podemos garantir maior
segurança na estabilidade, garantindo que nunca vá virar, por outro lado são
embarcações que arrastão mais na água por conta dos dois cascos, é mais pesada e
tem menor manobrabilidade.
Classe monocasco (B): A classe monocasco exige mais experiência e conhecimento da
equipe, porque como é uma embarcação com apenas um casco, o barco pode se
tornar instável em varias situações, podendo até girar e virar no mar, causando um
grande problema para os equipamentos em geral.
A classe B monocasco foi a escolhida para esse projeto, porque com apenas um casco
podemos construir uma embarcação mais leves e esbelta, com menos área molhada,
podendo diminuir bastante a resistência ao avanço e permitindo alcançar maiores
velocidades com a mesma energia.
Como o casco construído é bastante esbelto e trabalha no limite da sua estabilidade,
ele possui flutuadores laterais, um em cada bordo, que não podem tocar a água ao
mesmo tempo, apenas nas curvas mais acentuadas, por restrição da regra da classe
monocasco e para garantir a segurança da embarcação. Todas as características da
embarcação e o porque foram escolhidas, serão apresentadas no próximo tópico,
projeto.
O campeonato tem quatro percursos diferentes, com distancias também diferentes,
que são escolhidos na hora de acordo com as condições do tempo e do mar,
demarcados por boias. O vencedor de uma determinada classe é a equipe que
completar a distância total com o menor somatório de tempos. As corridas são
realizadas de manha 9h podendo ser a tarde de acordo com o tempo.
No item 2.1 do regulamento são estabelecidos o comprimento total máximo de 6
metros, boca máxima de 2.4 metros e altura acima da linha d’água máxima acima de
1.3 metros, além do número de tripulantes limitado em um, apenas o piloto.
No item 4.2 do regulamento o piloto com seu equipamento de salvatagem deve ter
um peso de pelo menos 70 Kg, caso o piloto esteja abaixo deste peso a diferença
deve ser compensada por lastro. Para melhorar o desempenho da embarcação o piloto
escolhido terá no máximo os 70 Kg e para fins de análise de equilíbrio e peso dele
será considerado esse.
O item 2.2.14 do regulamento estabelece uma borda livre mínima de 25 cm para os
primeiros 2m de comprimento da região da proa e de 20 cm para o resto da
embarcação.
O regulamento no item 2.2.5 estabelece um critério de estabilidade estática a ser
atendido pela embarcação. Este critério é avaliado durante um teste de estabilidade
em que um aparato de alumínio é fixado na cabine na posição do piloto e seu peso
produz um momento de 150 N*m, em seguida o angulo de banda é medido e deve
ser inferior ao valor de 12,5º.
No regulamento item 2.2.3.Nas baterias temos uma carga inicial garantida no inicio
da prova, e cada equipe pode usar a sua própria bateria, com isso as mais leves são
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as preferidas. O regulamento apenas restringe a capacidade de energia em
1000w*h.A.
2.2 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS E SISTEMA ELÉTRICO
O sistema energético é composto por equipamentos elétricos e eletrônicos, com o
propósito de desenvolver o maior aproveitamento energético, desenvolver a maior
velocidade da embarcação através do percurso, no menor tempo possível,
armazenando e transmitindo os dados de desempenho instantâneo da embarcação.
Figura 2 – Sistema Elétrico
MPPT: Aparelho eletrônico que recebe a tensão das placas solares e das baterias,
estabilizando todo o sistema durante o funcionamento do motor, que ao funcionar
gera uma queda de tensão natural no sistema, e o mppt estabiliza e monitora as
informações de carga e descarga da bateria, e a tensão nas placas. As informações
são enviadas para o monitor que fica na cabine do piloto, e também são transmitidas
em uma frequência pré ajustada, assim a equipe em terra consegue receber os dados,
o software fazer os cálculos de quanto resta de bateria com a insolação naquele
momento, melhor orientar o piloto se ele pode acelerar ou se deve diminuir a
velocidade para economizar energia e não parar. Esta embarcação tem de ser capaz
de gastar toda a energia que tiver disponível, ou seja, durante longos percursos em
tempo nublado deve economizar energia, porém deve possuir um sistema propulsivo
capaz de utilizar toda a energia disponível em pequenos espaços de tempo com altos
valores de potência sendo produzidos pelos painéis solares.
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Figura 3 - MPPT
Bomba: A bomba é um equipamento de segurança obrigatório para todas as
embarcações, ela é automática e funciona assim que o nível da água sobe.
Figura 4 - Bomba
Placas Solares: São fornecidas pela organização do campeonato, todas as equipes
recebem 6 unidades da mesma placa solar que tem a função de receber e transformar
os raios solares em impulsos elétricos enviados para o MPPT. Cada placa tem a
potencia de 240w, da marca Kyocera modelo KD240GH-2PB.
Figura 5 – Placas Solares
Ventilação: A ventilação é obrigatória e faz parte do sistema de segurança para
refrigerar e ventilar o compartimento das baterias e mppt, os aparelhos geram calor e
as baterias normalmente trocam gases, por ser uma reação química.
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Figura 6 – Ventilação das caixas
Motor: Cada equipe é responsável pelo seu próprio motor e transmissão caso precise
usar. Analisando os motores mais usados podemos ver alto torque e transmissão
mecânica, baixa rotação por terem maior eficiência, facilidade de manutenção (por
ficar fora da água) e maior eficiência hidrodinâmica. Isso se compararmos aos
motores capsulados que ficam submersos. O motor da marca Brushless DC motors
modelo hpm500b, tem sido muito usado pela alta eficiência de 91% e alto
desempenho.
Figura 7 - Motor
Baterias: Nas baterias temos uma carga inicial garantida no inicio da prova, e cada
equipe pode usar a sua própria bateria, com isso as mais leves são as preferidas. A
função das baterias é absorver flutuações no valor de potência produzida pelos painéis
devido a variações instantâneas da irradiação solar incidente neles e armazenar uma
pequena quantidade de energia captada pelo painel antes da largada de cada etapa.
Com o banco de baterias ligado em paralelo com os painéis fotovoltaicos, a potência
exigida pelo motor vem dos painéis e bateria caso esta seja maior do que a potência
produzida pelos painéis. No caso dos painéis estarem produzindo mais energia do que
o motor está consumindo, o excedente de energia é armazenado na bateria até que
esta atinja a sua capacidade máxima.
Figura 8 – Bateria de ÍonLítio
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3 O PROJETO DA EMBARCAÇÃO
No projeto da embarcação são definidas suas funções e de que maneira isso vai
acontecer, definindo expectativas e respeitando as restrições já comentadas. A
embarcação projetada (monocasco) deve navegar usando apenas energia solar
captada pelas placas solares e uma bateria totalmente carregada, somada com a
estratégia da equipe e uma embarcação leve, construída com novos procedimentos e
matérias mais leves.
A velocidade de projeto que garante a melhor performance da embarcação, deve ser a
máxima que permita que o casco permaneça na agua todo o tempo, não queremos
que o barco plane (descolar o fundo do barco da agua), porque isso gera um gasto
maior de energia e ainda diminui bastante a manobrabilidade. Analisando os barcos
semelhantes e os resultados de arrasto do casco final, temos que 12 nós será uma
ótima velocidade dentro da restrição do fundo permanecer molhado.
As placas solares e o piloto são os equipamentos mais pesados e importantes da
embarcação, e esse peso precisa ser distribuído da melhor maneira possível,
começando pelo piloto que precisa ter boa visão do mar na sua frete, sendo
posicionado o mais a frete possível da embarcação, ajudando também na sua entrada
e saída da cabine, por ser a parte do barco com menor largura. Já as placas solares
começam a ser posicionadas logo atrás do piloto, uma ao lado da outra, posicionadas
transversalmente ao barco, com seus pesos tabelados e equilibrados sobre o convés
da embarcação sempre com uma folga para o ar passar por baixo das placas solares e
esfria-las, aumentando bastante a sua eficiência. Todos os pesos e posições estão na
tabela apresentada mais a frete e foram calculadas no software hidromax.
Uma outra estratégia permite ficar com a embarcação ainda mais leve e com menos
arrasto na água, porem diminuindo também a estabilidade da embarcação, por isso
essa embarcação conta com dois flutuadores, um em cada bordo, presos embaixo da
placa solar, porem os dois flutuadores devem ficar fora da água durante a navegação,
primeiramente porque a regra é clara, se os cascos tocarem na agua teremos um
trimarã e não um monocasco, por isso os flutuadores devem tocar na agua apenas
nas curvas mais acentuadas, garantindo a estabilidade.
Com tudo definido, é confeccionada uma planilha, com todos os equipamentos
utilizados na embarcação e seus devidos pesos, apresentado mais a frente. Com a
posição das placas e do piloto definidas, podemos distribuir os equipamentos pela
embarcação de acordo com os seus pesos, sempre calculando o melhor equilíbrio para
a embarcação no software hidromax.
No projeto iniciasse a estratégia de visualizar o melhor barco possível, usando dados e
conceitos já observados em outras embarcações, porem para qualquer embarcação de
competição, a velocidade e o peso são as principais características para ser
competitivo, porem aqui também temos a estratégia energética, ou seja, como vamos
trabalhar com a energia captada durante a operação da embarcação, com sistema de
transmissão de dados gps, temos em terra as informações gerais e instantâneas dos
medidores de consumo e captação de energia, podendo fazer uma planilha que calcule
a velocidade ótima instantânea de acordo com as medições naquele momento. Essa
estratégia faz com que a embarcação use o máximo da energia disponível sem que
tenha problemas de ficar sem energia no meio da corrida por gastar tudo de uma vez
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só, o objetivo é passar pela linha de chegada zerando a bateria, tendo um
aproveitamento total da energia.
3.1 EXPECTATIVAS DE PROJETO
Após a explanação das atividades da embarcação e suas restrições, serão definidas as
expectativas que acolhem as qualidades requisitadas, para uma melhor visualização,
dai podemos realmente começar a definir valores a serem calculados, testados e
comparados para chegarmos as medidas e conceitos da melhor embarcação para essa
função.
- A embarcação deve se locomover apenas com a energia captada pelas placas
solares,
- Flutuadores laterais permitem um casco mais fino e garantem a estabilidade, (porem
os flutuadores não podem tocar na água durante a navegação, citado antes)
- A velocidade media da embarcação deve ser máxima, aproximadamente 12 nós,
- O casco e equipamentos devem ter o peso mínimo,
- Sempre terminar a corrida zerando o total de energia, aproveitamento máximo,
- Sistema de telemetria para transmissão dos dados para terra em tempo real,
- Procedimento de construção com foco na otimização do peso,
- Piloto deve ter visão ampla e condições boas para acessar a cabine, por isso será
alocado no inicio da proa, onde é mais fino, facilitando o acesso e a visibilidade.
- As quatro placas solares serão alocadas logo depois do piloto, onde a embarcação já
começa a alargar e ter maior flutuabilidade para apoia-las sem gerar trim nem banda,
posicionadas lado a lado, transversalmente a embarcação.
3.1.1 Forma
A forma é analisada como principal característica para termos uma embarcação
rápida nesse projeto. Para atender a expectativa associada velocidade ser máxima, é
preciso estabelecer características principais para forma, e testar a resistência ao
avanço de algumas embarcações com pequenas variações dessa forma, com objetivo
de chegar no casco com menor resistência ao avanço calculada pelo software CFD,
sempre respeitando as restrições e as características físicas projetadas e podem ser
citadas como:
-Proa Fina (Baixa resistência de onda),
-Seções do fundo arredondadas (diminuindo a área molhada e por consequência
diminuindo a resistência friccional),
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- Borda livre mínima e forma bem fina, diminuindo o peso (a estabilidade é garantida
pelos flutuadores),
Com o software CFD, Computational Fluid Dynamics,que por sua vez faz uma analise
hidrodinâmica do escoamento da agua pelo casco e seus efeitos de resistência
friccional, resistência de onda, dependendo de como for configurado. Com isso pode-
se analisar as ondas geradas por cada determinado casco e saber se o barco vai
arrastar mais ou menos na agua. Com isso conseguimos determinar a velocidade de
cruzeiro que o barco deve ter para navegar nessas condições.
Para o casco permitir a maior velocidade, partindo das características já citadas da
forma do casco, foram feitas algumas pequenas variações de casco, criadas e
analisadas, o casco que apresentou os melhores resultados dentro das restrições já
vistas e com os equipamentos embarcados, após avaliados pelo software está
representado.
Figura 9 – Resultado Analise CFD
Na imagem anterior temos o resultado da melhor embarcação avaliada no CFD, com
uma legenda com uma variação de cores de azul escuro (resistência
negativa),passando pelo verde (resistência zero) indo até vermelho escuro
(resistência positiva). Assim podemos analisar a imagem, na proa da embarcação
temos o corte da agua com a proa fina e uma pequena resistência friccional
representada em vermelho e amarelo, logo depois podemos ver um par de ondas
azuis que ajudam no embalo da embarcação e logo depois da popa temos um par de
ondas vermelhas afastadas da embarcação, mostrando a resistência de onda gerada
por ele, uma curto período de onda em vermelho. Esse foi o casco com os melhores
resultados na resistência ao avanço.
3.1.2 Posição E Peso Dos Equipamentos
Para atender a expectativa da embarcação de ser movida a energia solar, temos
muitos equipamentos elétrico eletrônicos responsáveis pela gestão da energia da
embarcação e pelo funcionamento de todo o sistema, por conta disso foi feito uma
tabela com os pesos e posições de todos os equipamentos da embarcação, para ser
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analisado no mesmo momento que o casco, verificando estabilidade e equilíbrio,
lembrando que temos os flutuadores garantindo a estabilidade.
Tabela 01 - Tabela de pesos
Item Peso [Kg]
Cx [m] Cy [m] Cz [m]
Equipamento Salvatagem 0,65 3,44 0 0,45
Piloto +Colete +Roupas 76,00 3,44 0 0,34
Motor e Transmissão 16,00 0,40 0 -0,15
Sistema de direção 1,00 4,24 0 0,35
Painéis e estrutura 80,00 2,67 0 0,40
Bomba de porão 1,00 2,00 0 0,05
Casco e convés 23,00 2,76 0 0,25
Bateria e caixa 8,50 1,25 0 0,10
Fios elétricos 23,00 2,50 0 0,05
Assento 0,60 3,24 0 0,10
Extintor 1,00 3,94 0 0,25
MPPT 5,80 2,10 0 0,20
GPS 0,40 3,64 0 0,20
Radio 0,20 3,84 0 0,35
Remo 0,20 3,84 0 0,35
Peso e Centro de Gravidade total 232,35 2,71 0 0,28
As placas solares também são fatores muito importantes, são instaladas no convés da
embarcação, logo atrás do piloto, são quatro placas no total com o peso considerável
de 80kg, e por isso a preocupação com o posicionamento dos equipamentos da
embarcação, no software hidromax foi feita essa distribuição de pesos e averiguado o
equilíbrio da embarcação sem gerar banda nem trim.
Com o equilíbrio de todos os pesos testados e analisados, e por ser uma barco de
competição, precisamos trabalhar nos limites, por isso a estabilidade é a mínima
garantida pelo software, consequentemente por esse motivo temos os flutuadores
garantindo que a embarcação não vire nas manobras.
Figura 10 – Configuração placas e piloto
11
3.1.3 Performance E Estratégia Energética
A performance desejada para embarcação depende de atender a todas as
expectativas já citadas e também que todos os sistemas funcionem em perfeita
comunhão entre eles, sem falhas nem quebras, juntamente com a estratégia
energética e com a maior eficácia possível.
A estratégia energética é muito importante, conseguindo monitorar em tempo real a
energia instantânea que entra na placa solar, a energia que está sendo consumida e a
energia que está sendo armazenada na bateria (sobrando), podemos fazer uma
estratégia para aproveitar ao máximo a energia disponível, lembrando que quanto
mais acelera a embarcação, a resistência ao avanço cresce exponencialmente,
portanto só vale a pena acelerar ao máximo se tiver muita certeza que a captação de
energia solar naquele momento está sendo máxima.
Levando em consideração que todo equipamento utilizado tem eficiência máxima e
peso mínimo, podemos fazer um calculo de energia consumida e energia captada
somada a bateria, com isso consideramos que o piloto deve cruzar a linha de chegada
zerando a carga da bateria e andando apenas com a captação da placa.
Normalmente esse estratégia é instantânea, a equipe desenvolve um programa no
software excel, que vai calcular a velocidade ideal instantânea, todos os dados são
enviados do barco para terra em tempo real (telemetria), e em terra a equipe recebe
esses dados que são analisados e inseridos no programa, que faz as contas
automaticamente de qual velocidade o piloto pode acelerar naquele momento com
aquela insolação. Isso acontece em terra porque seria muita função para o piloto fazer
sozinho no barco, em terra a equipe com computadores podem gerar resultados muito
melhores, confiáveis e discutível entre os integrantes da equipe.
3.1.4 Embarcação Projetada
Com a embarcação definida, dentro das expectativas projetadas e analisadas,
chegamos aos valores principais de forma e algumas outras características da
embarcação, que podem ser observadas a seguir.
Tabela02 – Dimensões principais
Comprimento – L 6,00 m
Boca – B 0,71 m
Espelho de popa – Bt 0,60 m
Calado – T 0,15 m
Área Molhada – Wsa 0,66 m²
Resistencia ao avanço (4m/s) 121,45 N
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O desenho da embarcação modelado no software Rhino3D, Rhinoceros, atendeu as
expectativas da analises de resistência ao avanço, que foi feita com a ajuda
ferramenta software CFD,Computational Fluid Dynamics, como já foi explicado no
item anterior quando foi feita essa analise de forma.
Já a distribuição de pesos e arranjo geral dos equipamentos, apresentados na figura
11, com todas as coordenadas de todos os equipamentos da embarcação definidos,
foram analisados com a ajuda da ferramenta Maxsurf, Modeler advanced software,
com resultados analisados garantindo o equilíbrio e a estabilidade, com a ajuda dos
flutuadores laterais, assim como já foi explicado na analise dos pesos dos
equipamentos.
Figura 11 – Desenho do barco balizado
3.1.5 Estrutura
O tipo de estrutura escolhido para o caso desta embarcação é a estrutura de
compósitos em sanduiche com núcleo de espuma de alta densidade. Este é um dos
tipos de estrutura mais eficientes que existe, garantindo rigidez com um baixíssimo
peso, comumente usado em embarcações de competição a remo.
Por se tratar de um tipo de estrutura de altíssima rigidez e a forma do casco ser bem
favorável a resistência estrutural do mesmo.
De modo a garantir a rigidez local do painel laminado, utilizamos como referência os
requisitos da regra para Fiber Reinforced Plastics da sociedade classificadora ABS[12]
para estruturas do fundo com os seus parâmetros definidos nesta planilha.
13
Figura12 – Parâmetros da Regra da ABS– Reinforced Plastic Vessels – 1978- pg68
Para estes valores dos parâmetros, encontramos a espessura requerida de 4,71mm
(Core+Skin).
Tabela 03 – Espessura do tecido
s 710 mm
k 0,028 -
v 16 Kts
u 1,05 N/mm²
0,11 kg/mm²
De moda a garantir que o projeto se adapte perfeitamente a construção, foi
construída uma tabela de espessuras comerciais para podermos visualizar melhor as
opções e suas características físicas de espessura real.
[ABS – Reinforced Plastic Vessels – 1978- pg68] 7.1.3 Sandwich Panels b - Planing Vessels Where sandwich construction is used for a bottom shell in a planing vessel, the moment of inertia of both skins of a strip of the sandwich panel 25 mm (1 in.) wide is to be not less than the moment of inertia of an equal-width strip of a single-skin laminate that satisfies 7.1.2.b. The total thickness of the sandwich panel is to be not less than obtained from the following equations. 1 Where speed of vessel is less than or equal to 31 knots d = 0.00041*k2*V*s/u mm d 0.586*k2*V*s/u in.
d = total thickness in mm or in.
k2 = coefficient that varies inversely to the relative thickness of the
core as shown in Figure 7.8, where t and t1 are the thicknesses in mm or in. of the outer and inner skins
v = sea speed of vessel in knots
S = span of shorter side of sandwich panel in mm or in.
u = shear strength of plastic core in kg/mm² or psi
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Tabela 04 - Espessuras de Espuma Comercial
Espessura de Espuma Comercial (Core – d1)
f K2 d
4 mm 4,60 0,78 0,569mm 6 mm 6,90 0,75 0,547mm 8 mm 9,20 0,73 0,532mm
10 mm 11,50 0,71 0,518mm
Porém a regra determina que a inércia do sanduiche deve ser ao mínimo igual à
inercia equivalente de uma estrutura de casca com a espessura determinada pela
Na tabela conseguimos observar melhor os valores calculados de inercia requerida.
Tabela05 - Inércia Requerida
s 710 mm
k 0,028 -
v 16 Kts
t 4,71 mm
u 1,05 N/mm²
Inercia/L 5,624 mm³
0,11 kg/mm²
[ABS – Reinforced Plastic Vessels – 1978- pg69] 7.1.2 Single-Skin Laminates b. Planing Vessels The thickness of the bottom shell plating in planing vessels is to be not less than either required by 7.1.2a or obtained from the following equations.
1 Where speed of vessel is less than or equal to 31 knots
t = 0.0384*s*(k*V)^1/3 mm or in.
t = thickness in mm or in.
s = span of shorter side of plating panel in mm or in.
k = coefficient that varies with bottom shell plating panel aspect ratio
as shown in Table 7.1
V = sea speed of vessel in knots
u = shear strength of plastic core in kg/mm² or psi
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Logo o plano de laminação calculado e escolhido que atende a esses dois requisitos
está mostrado na tabela a seguir:
Tabela06 - Inércia do Laminado
Plano de Laminação
Peso Específico
[g/m²]
Espessura
[mm]
T120 351,66 0,323
Divinycell H80 6mm 930,00 6,000
T120 351,66 0,323
Acabamento 600,00 -
Total 2243,32 g/m²
Inércia/L 6,512 mm³
Como o plano de laminação foi dimensionado com a orientação de uma regra, que por
sua vez oferece um modelo para dimensionamento da espessura necessária de cada
camada do painel para garantir sua rigidez, espero que esta escolha estrutural possua
a resistência estrutural local necessária para toda a embarcação.
O peso de projeto da embarcação pode ser calculado, sabendo que a embarcação tem
13,5 m²e que a densidade da laminação foi calculada como 2243,33g/m². Com isso o