Metodologia ABP para projetos de engenharia: Turbina eólica de eixo vertical

A aprendizagem baseada em projetos é um dos métodos de ensino que gerou um impacto mais significativo nos novos modelos educativos, sua força reside no fato de que os alunos enfrentam problemas reais, orientados para o seu perfil de estudo, onde a busca por uma solução é feita de forma colaborativa entre os próprios alunos [1]. Na área da ciência, é uma das melhores formas de transmitir conhecimento, já que é o aluno quem, a medida que vai executando o projeto, vai descobrindo os princípios teóricos que são a base da engenharia. Durante este processo, os alunos não só geram aprendizagem na resolução do projeto, mas com a prática adquirem outras capacidades, porque estão expostos a resolver problemas, discutir, tomar decisões em grupo, entre outras situações [2]. Essa metodologia, ao contrário do modelo tradicional em que o professor aplica técnicas expositivas, apresenta melhores resultados; no entanto, ainda existem alguns aspectos para melhorar.

Esta metodologia foi implementada em Peru, na Universidade de Engenharia e Tecnologia (UTEC) para transmitir habilidades relacionadas ao desenvolvimento de projetos de engenharia, e sua implementação visa capacitar engenheiros inovadores, melhorar a aquisição de conhecimento e reduzir as taxas de abandono universitário. Desta forma, têm origem os projetos interdisciplinares I, II, III e IV, que são obrigatórios e devem ser concluídos antes da TCC, cada um realizado em 14 semanas.

Esses projetos têm o objetivo de fornecer soluções a problemas de baixa, média e alta complexidade. Em todos esses projetos, o pensamento crítico, o trabalho em equipe, a comunicação efetiva e a colaboração entre os alunos são enfatizados [3]. No final do semestre, os melhores projetos são apresentados num workshop chamado "Vivir la Ingeniería", que significa Viver a Engenharia; neste workshop, o departamento acadêmico e os profissionais do setor industrial são convidados a fornecer feedback aos alunos.

Não existe um limite na aprendizagem que pode ser obtida com base em projetos, e para demonstrar isso, neste documento vou expor o processo de aprendizagem com base na realização de um projeto que eu fiz em 2017, cujo objetivo era a construção de uma turbina de eixo vertical tipo savonius helicoidal que foi instalada num gerador de 500W.

Antecedentes

Este projeto foi concebido com o objetivo de aproveitar o recurso eólico existente na região de Barranco, Lima, caracterizado por baixas velocidades do vento, com uma média de 4 m/s e direção predominante sul-sudoeste.

Nas seguintes imagens é possível observar a frequência anual das velocidades de vento na zona e a direção predominante.

Esse nível de velocidade é baixo, no entanto, a frequência anual com que ocorre é alta, o que torna necessário desenvolver um design de turbina que seja mais sensível a essas velocidades.

As turbinas eólicas comerciais requerem velocidades de vento mais elevadas, na ordem de 10 m/s, por isso, a sua implementação é indicada em zonas estratégicas, onde existem esses níveis de velocidade do vento [4]. No Peru, a área sul-sudoeste é caracterizada por ventos locais de 10 m/s em pelo menos 4200 horas ao longo do ano, valores altamente recomendados para o desenvolvimento de parques eólicos, como é o caso de "Tres Hermanas" (Três Irmãs) em Marcona, com 97 MW de potência instalada [5].

Integração e trabalho do Equipe

Para realizar este projeto, a equipe foi formada. Eu queria integrar uma equipe com diferentes perfis para um trabalho mais proveitoso; estava procurando por habilidades de design, simulação e conhecimento básico de energia. Finalmente, sendo um tópico com uma tendência a tanta afinidade, houve muita vontade de realizar o projeto, e a equipe foi montada em menos de uma semana, formado por alunos de Engenharia da Produção, Mecânica e Engenharia da Energia.

Depois de organizar a equipe e distribuir as funções de cada membro, fizemos um estado da arte, para estudar o contexto sobre o assunto e decidir o tipo de turbina a ser projetada; e então, a etapa do design começou. Foi um desafio, mas depois de inúmeras tentativas de explodir a criatividade de cada membro da equipe, conseguimos projetar cada peça da turbina e simular a integração de todas; e mais importante, foi possível entender o motivo de cada decisão no design.

Para fazer o design foi usado o software SolidWorks, que permitiu fazer o design das superfícies das pás considerando uma altura da pá de 70 cm e uma largura da pá de 32 cm, com uma abertura de raio de 6 cm.

As turbinas savonius são geralmente de duas pás, mas para reduzir o cabeceio do eixo decidimos realizar este design de três pás. Finalmente, uma vez desenhada, foi simulada no Software Autodesk CFD.

Construção do Protótipo

Tendo o design simulado e aprovado, decidiu-se passar para a construção deste. A equipe fez uma proposta de construção para o protótipo, consultando especialistas no assunto e, após aprovação, o orçamento correspondente foi feito e enviado a pedido. É importante que sejam os alunos os que façam o orçamento, para estarem-nos cientes das despesas incorridas no projeto.

Depois que o orçamento foi aprovado, fizemos as compras. Os alunos não apenas ganhamos a experiência de realizar o projeto em sua totalidade, mas também somos forçados a abusar da nossa capacidade de organização e exercitamos as nossas habilidades interpessoais.

Com todos os materiais, a ação começou. Em UTEC existem diferentes espaços para a realização de projetos, e para fabricar a turbina, ocupamos o laboratório de manufatura. Para construir cada parte da turbina, duas máquinas de laboratório foram usadas: a fresadora Shopbot de três eixos para cortar as quatro estrelas que agiam como suporte para as pás helicoidais de acrílico de 6 mm de espessura, e a de cinco eixos para fazer o molde para as pás, que foram feitas com fibra de vidro de 800 g/m2.

A fibra de vidro foi trabalhada sob um molde technopor, que foi revestido com uma camada de alumínio para que os aditivos requeridos pela fibra de vidro não danificassem o molde. Fizemos quatro pás, cada uma melhor do que a anterior, das quais apenas três foram usadas.

O eixo que une as três pás consistia nm tubo de alumínio de 80 cm de altura e tinha flanges de apoio para ancorar as estrelas. A base da turbina foi feita numa única peça à base de alumínio, que foi usinada num torno industrial.

Finalmente juntamos as peças; para as pás, estrelas e suportes, usamos adesivos de alta fixação, enquanto que para conectar a turbina ao gerador, usamos oito parafusos 8/20.

Teste do Protótipo

Uma vez que a turbina foi construída, ela foi exposta ao exterior para ver seu comportamento frente a velocidades do vento, permitindo a geração de energia. Atualmente, a turbina chega a 60 RPM sendo exposta a ventos de 4 m/s, gerando 28 VDC. No seguinte vídeo é exposto o teste do protótipo:

https://www.facebook.com/EuniceVilliO/videos/10155981899076953/

Reflexão

Cada peça construída foi um processo de aprendizado completo; os alunos aprendemos a construir com fibra de vidro, e aqueles que não sabiam aprenderam a usar também as fresadoras.

Finalmente, o aprendizado obtido com base em projetos é indescritivelmente vantajoso; os alunos, com a prática, aprendem a teoria dum jeito que os engaja e gera maior comprometimento com o projeto. Os projetos não só permitem aos alunos deduzir as lições teóricas, mas estimula a criatividade de cada um, a capacidade de liderança e organização, e nos prepara para enfrentar o mundo real.

Fontes de informação:

[1] K. A. Bruffee, The Principles of Quantum Mechanics. The Johns Hopkins University Press; second edition edition, 1999.

[2] M. Prince and R. Felder, “The many faces of inductive teaching and learning,” Journal of College Science Teaching, vol. 36, no. 5, pp. 14–20, 2007. [Online]. Available: http://www.jstor.org/stable/42992681

[3] C.Flores, E. Villicaña, Interdisciplinary Projects as Active Learning Method for Strengthening of Technical and Soft Skills of UTEC Students. II IEEE World Engineering Education Conference (EDUNINE 2018).

[4] http://www.windturbinestar.com/500wh-wind-turbines.html

[5] https://goo.gl/8tBxys