Desenvolvimento de pás em formato helicoidal para microgeradores eólicos verticais

Carlos Eduardo Levandowski

Jan Lucas Schegoscheski Michel

Mara Fernanda Parisoto

Maurício Romani

Universidade Federal do Paraná - Setor Palotina Paraná, Brasil

RESUMO

O trabalho visa o desenvolvimento aerodinâmico de um rotor de Savonius para a aplicação sobre uma turbina eólica vertical de pequeno porte. Tendo como principal objetivo desenvolver pás em formato helicoidal. O trabalho foca na preocupação em torno das questões ambientais devido aos impactos causados pelas formas de geração advindas de fontes fósseis. O desenvolvimento da energia eólica dentro do Brasil tem se destacado como geração complementar de maneira limpa. Com o intuito de desenvolver um projeto de turbina eólica para região oeste paranaense, foram feitas pesquisas bibliográficas sobre o uso da energia eólica e análises teóricas sobre o funcionamento da aerodinâmica helicoidal a ser testada, adquirindo-se uma base de conhecimento para a execução do projeto. São descritos os aspectos construtivos do modelo helicoidal, a metodologia utilizada para avaliação do desempenho do mesmo. Como se trata de um projeto em andamento ainda não se obteve nenhum resultado prático como a velocidade de rotação à uma certa velocidade ou sua geração, no entanto obteve um resultado positivo em relação a sua forma e desenho. A próxima etapa é a obtenção de resultados práticos tendo como base um pequeno gerador de 100Watts

Palavras chave: Turbinas eólicas, aerogeradores, aerodinâmica, helicoidal.

PROJETO DE EXTENSÃO

O presente projeto de extensão tem como princípio a união do ensino a pesquisa e

ao desenvolvimento, se espera que os alunos envolvidos percebam as relações entre os

conteúdos ministrados e a área de atuação dos mesmos e consequentemente desenvolver

habilidades como inovação, escrita e trabalho em equipe.

Os projetos são fundamentados na metodologia de Carl Rogers (1977), que se

constitui de seis partes: contrato de trabalho, apresentação do pré-projeto, apresentação do

projeto final, relatório, auto-avaliação e avaliação dos pares.

O principal objetivo é incentivar os alunos a participarem mais ativamente da

comunidade e desta forma possam identificar os problemas existentes na mesma, a fim de

dar às pessoas uma melhoria de vida de forma sustentável e eficiente. Para tal busca-se

resolver as dificuldades utilizando os conceitos e ferramentas adquiridos na instituição.

Isto se justifica pois quando os alunos estiverem formados e atuando na área,

encontrarão situações em que deverão tomar decisões ante a clientes, incertezas, falta de

dados e competições. Ao enfrentarem situações parecidas em projetos de extensão, estarão

aprendendo a lidar com estes inconveniências se preparando para atuar no mercado de

trabalho.

Por fim, o projeto tem como objetivo instigar os alunos a serem inovadores

contemplando a aprendizagem de conteúdos, articulando com a futura área de atuação

deles, incentivando-os a resolver problemas na comunidade e em toda região oeste

paranaense.

Outra ponto fundamental é o de aproximar a universidade de empresas que

possam patrocinar as ideias dos participantes e talvez até incentivar a criação de empresas

e patentes futuras advindas destes projetos.

Todos participantes deste projeto são motivados a publicar seus trabalhos,

contribuindo para uma formação profissional e intelectual dos mesmos.

Seguiu-se os procedimentos recomendamos , pois uniu-se o conhecimento

adquirido nas disciplinas de física e circuitos elétricos ao realizar a montagem do

aerogerador. Para um desenvolvimento mais avançado e técnico buscou-se o conhecimento

de profissionais e professores envolvidos na área da energia eólica. Estes foram de

fundamental importância pois nos apontaram qual a melhor direção a seguir para o

desenvolvimento deste projeto.

1 INTRODUÇÃO

A principal fonte energética mundial na atualidade advém de combustíveis fósseis,

o que contribui para uma elevada emissão de gases poluentes. Entretanto, vê-se o forte

desenvolvimento gradual de países motivados por maiores anseios por independência

energética, investindo em alternativas que tendem a minimizar a geração dos gases de

efeito estufa (GEE), impulsionando o estudo e o desenvolvimento de energias renováveis.

O objetivo geral é o de desenvolver um conjunto de pás em formato helicoidal para

microgeradores eólicos verticais. Tendo como objetivos secundários: desenvolver e construir

pás em formato helicoidal, realizar testes em condições com baixa incidência de ventos, e

formular um produto para atender o mercado consumidor residencial.

Atualmente há uma grande preocupação sobre o consumo de energia elétrica, pois

muitas das suas formas de produção geram grande quantidade de compostos poluentes.

Pinto (2017) cita que entre as fontes renováveis, a eólica ganhou certo destaque mundial,

principalmente pela boa experiência ocorrida em países como Dinamarca e Alemanha.

Desta forma, a energia gerada pelos ventos é uma alternativa para a geração de

energia, pois é considerada uma abundante fonte de energia renovável, limpa e disponível

em vários lugares, que pode ser obtida pela energia cinética contida nas massas de ar em

movimento (NIPO, 2007).

A experiência dos países líderes do setor de geração eólica mostra que o rápido

desenvolvimento da tecnologia e do mercado têm implicações socioeconômicas. A formação

de recursos humanos e a pesquisa científica recebem incentivos com a finalidade de

fornecer suporte necessário para a indústria de energia eólica em formação. Na atualidade,

diversos estudos apontam a geração de emprego e o domínio da tecnologia como fatores

tão importantes quanto a preservação ambiental.

No Brasil, a capacidade instalada ainda é muito pequena quando comparada aos

países líderes em geração eólica. No entanto, políticas de incentivos estão começando a

produzir os primeiros resultados e espera-se um crescimento da exploração deste recurso

nos próximos anos (SANTOS et al. 2006). No entanto, nem todas as regiões brasileiras

possuem potencial eólico e neste sentido, o presente artigo propõe o desenvolvimento de

microgerador eólico vertical de formato helicoidal, adaptado para as condições de vento da

região oeste paranaense.

2 REVISÃO DE LITERATURA

A energia eólica se destaca como a tecnologia de energia renovável com o maior

crescimento nos últimos anos.

Segundo Magalhães (2009), “A energia eólica é a energia obtida pelo movimento

do ar, ou seja, o vento”. Esta energia pode ser aproveitada de várias formas como a

moagem de grãos, bombeamento de água e também a geração de energia elétrica entre

outras aplicações menos conhecidas.

A transformação da energia dos ventos em energia elétrica ocorre através da

utilização de equipamentos eletromecânicos e eletromagnéticos cujo principal componente é

o aerogerador, que é basicamente composto por uma torre de sustentação, um gerador

elétrico e um conjunto de pás que são responsáveis pela captação do vento e acionamento

do gerador elétrico.

Por meio de literaturas especializadas, dados e gráficos recentes analisou-se os

resultados observados em testes de aerogeradores com pás de diferentes modelos.

A universidade de Tarapacá do Chile desenvolveu testes com 5 modelos diferentes

de pás de aerogeradores Savonius e publicou os resultados na revista chilena de

engenharia. Utilizou-se a análise computacional com 80 horas (h) de duração para identificar

qual destes modelos possuía a melhor relação entre o coeficiente de torque (Cm) e o

coeficiente de potência (Cp). Os gráficos 1 e 2, demonstram os testes de coeficiente de

potência e torque aplicados a 5 tipos de pás diferentes. (UNIVERSIDAD DE TARAPACÁ,

2015).

GRÁFICO 1- Coeficiente de potência. GRÁFICO 2- Coeficiente de torque. FONTE: Universidad de Tarapacá (2015) FONTE: Universidad de Tarapacá (2015)

Na análise dos dados apresentados nos gráficos 1 e 2, conclui-se que o modelo

helicoidal em ambos testes é superior aos demais, permanecendo com um Cp superior em

relação a velocidade de ponta (TSR). E no caso do Cm, possui uma maior constância em

todos os períodos expostos a rotação da turbina.

A forma helicoidal é fruto do desenvolvimento no decorrer do tempo, pois desde a

invenção do rotor Savonius em forma de S, uma quantidade significativa de pesquisas têm

sido realizadas na tentativa de projetar novas formas para as pás, tornando-as mais

eficientes do que o perfil semi-circular convencional. Custódio (2009), afirma que o perfil

helicoidal tem características superiores, incluindo os maiores coeficientes de potência e

torque.

Muitos estudos vêm sendo realizados sobre o conceito de pás helicoidais, em que ao

invés de as pás serem colocadas de forma perpendicular ao chão, elas são colocadas em

ângulo. Isto tem sido feito para melhorar as habilidades de auto-partida do rotor, ou seja, a

necessidade de uma menor velocidade do vento para fazer o modelo entrar em movimento,

entre outras vantagens. (SILVA, 2011).

A figura 1, apresenta um modelo de turbina eólica helicoidal, de 100Watts,

comercializado pela empresa AMG power solutions , com sede na China.

FIGURA 1- Turbina eólica Savonius helicoidal FONTE: AMG (2017).

A escolha do modelo de pás helicoidais foi realizada com base nos conceitos

teóricos e nas explanações gráficas da universidade de Tarapacá do Chile. Este modelo se

adequa às características de vento encontradas no oeste paranaense, pois em testes

realizados entre os diferentes tipos de modelos, observou-se que o atual modelo utilizado

demonstrou possuir uma melhor auto-partida em baixas velocidades de vento, ter menor

oscilação de torque, ter baixa vibração e ruído, além de ter baixo estresse cíclico.

Outra justificativa para a escolha seria a eficiência alcançada pelo modelo, que

pode variar de 20 a 30%, ou seja, a quantidade de energia proveniente do vento que é

convertida em energia elétrica. Existe um limite para tal eficiência, o qual foi calculado e

demonstrado por Albert Betz, que segundo seus estudos, concluiu que o máximo de

eficiência possível de ser extraída seria de 59,3%.

A eficiência de um gerador pode ser calculada através de seu coeficiente de

potência, cuja equação é definida através da divisão entre potência extraída pela turbina e

pela potência disponível no vento. Observa-se no gráfico 2 que o modelo helicoidal possui

um coeficiente maior que os demais.

Após reuniões e conversas com professores da instituição (UFPR - Setor Palotina) e

também buscando orientações em outras instituições de ensino, projetou-se uma pá

helicoidal no programa “AutoCad”, conforme figura 2.

FIGURA 2- Desenho detalhado da pá helicoidal FONTE: Os autores (2017)

3 METODOLOGIA

Esta pesquisa define-se em quali-quantitativa, relacionando referências teóricas

sobre o conceito de aerogeradores e o desempenho aerodinâmico do rotor helicoidal.

4 DESENVOLVIMENTO

Após o desenho do projeto da pá helicoidal, imprimiu-se em uma escala real em um papel

tamanho A0.

Utilizou-se como molde para transferir as medidas e locais de furação para a chapa de

galvalume (figura 3), garantindo precisão à peça final a ser utilizada no protótipo. O mesmo

processo foi realizado para o molde da outra pá.

FIGURA 3- Marcação para chapa de galvalume FONTE: Os autores (2017)

FIGURA 4- Chapas recortadas FONTE: Os autores (2017)

Prosseguiu-se o desenvolvimento ao dimensionar o eixo central, utilizando um tubo

galvanizado de 27mm, e 1,20m de altura, que serve de sustentação para as buchas de

acoplamento (figura 5 e 6).

FIGURA 5 - Bucha de acoplamento FIGURA 6 - Bucha de acoplamento FONTE: Os autores (2017) FONTE: Os autores (2017)

As buchas de acoplamento são peças fundamentais, pois são acopladas e fixadas ao

eixo central por um parafuso allen, possuem a função de realizar a variação de ângulo de

22.5° entre uma bucha e outra.

Foram necessários 4 buchas, para realizar uma torção de 90º entre a base e o topo.

As buchas também realizam a fixação das pás, dando suporte e robustez ao conjunto,

conforme figura 7.

FIGURA 7 - Bucha de acoplamento FONTE: Os autores (2017)

Após o desenvolvimento de cada peça, realizou-se a montagem do protótipo (figura

8). Para as pás realizarem o formato de concavidade, utilizou-se 8 barras roscadas fixadas

na parte externa de cada pá e, no centro, nas buchas de acoplamento.

Com a junção do corte das pás, da variação de ângulo, e também da concavidade é

possível verificar a torção que acontece nas pás, representado um sistema helicoidal, no

qual o sólido que gira em torno de um eixo e se desloca ao longo deste eixo.

FIGURA 8 - Protótipo montado FONTE: Os autores (2017)

Na figura 9, através da vista superior, é possível verificar a variação de angulação

formada pelas próprias pás, em torno do eixo central.

FIGURA 9 - Variação de ângulo FONTE: Os autores (2017)

Os testes serão realizados em Marechal Cândido Rondon- PR, em local aberto, com

altura de 1m em relação ao solo. Para obtenção de dados serão utilizados um anemômetro

para medir a velocidade do vento e também um tacômetro para medir a rotação do eixo

central.

Entretanto, a metodologia utilizada, não representará de forma precisa os dados

obtidos nos testes. Estamos a procura de parceiros para realizar os testes através da

correta metodologia, que simula experimentalmente o desempenho de turbinas eólicas sob

condições reais de funcionamento, somente pode ser realizada em um túnel de vento,

através do qual e com o apoio de uma ferramenta computacional específica, é possível

realizar diferentes testes analisando diversos perfis aerodinâmicos e desta forma, obter

valores realistas sobre o gerador.

5 RESULTADOS

Através da leitura e estudo dos materiais, observa-se que o modelo se adequa às

características do vento encontradas no oeste paranaense, demonstrando ser o melhor

perfil aerodinâmico para a região.

Entretanto, não pôde-se realizar testes com o modelo pronto, tendo-se somente

como produto final o protótipo e sua respectiva montagem. Através da observação visual do

mesmo, notou-se que atendeu em sua maioria ao desejado, necessitando somente de

pequenos ajustes no formato das pás, pois houve retorcimento do material devido à má

localização dos furos, e também à falta da torção de 90° entre a base e o topo das buchas

de acoplamento.

O projeto e fabricação do protótipo apresentado, tem por finalidade avaliar o

desempenho do perfil aerodinâmico do rotor, assim como o levantamento da curva de

potência das turbinas quando acopladas a um gerador elétrico. Entretanto, falta a execução

destes testes, pois este modelo ainda se encontra em desenvolvimento pelos autores.

6 CONCLUSÃO

Com o crescente aumento do consumo de energia elétrica e das altas taxas

tarifárias, observa-se a importância de fontes renováveis para a redução de impactos

ambientais e custos para a sociedade. Portanto, aerogeradores eólicos, com preços

acessíveis, podem reduzir o consumo energético e auxiliar na diminuição da utilização de

combustíveis fósseis.

O presente artigo tem por finalidade, desenvolver e avaliar o desempenho

aerodinâmico do rotor composto por pás em formato helicoidal. Assim, foram realizadas

diversas pesquisas bibliográficas procurando entender o funcionamento básico dos

aerogeradores, que contribuíram para um melhor entendimento dos conceitos físicos e

mecânicos envolvidos na área de energia eólica.

Todas as etapas previstas estão sendo realizadas com sucesso assim como a

confecção do protótipo projetado, o que permite uma análise empírica do modelo em estudo.

Até o momento são satisfatórios os resultados, criando uma boa expectativa para os testes

em campo que são a próxima etapa do presente projeto.

Neste projeto foram elaboradas algumas propostas para trabalhos futuros com o

intuito de complementar o estudo sobre as turbinas eólicas de eixo vertical.

Uma forma de complementar o andamento deste, é utilizar o que foi analisado e

desenvolvido até o momento, e realizar o desenvolvimento de um gerador de energia de

imã permanente, procurando desenvolver por completo uma turbina eólica de eixo vertical

helicoidal, tendo desta forma a base para a formação de um produto de mercado.

REFERÊNCIAS

AMG power solutions. Disponível em: < http://amgpowersolutions.com/index.php/product/index/g/e/id/4.html >. Acesso em: 27 dez. 2017. CENTRO BRASILEIRO DE ENERGIA EÓLICA. Energia Eólica no Brasil. Disponível em: http://www.cresesb.cepel.br/. Acesso em: 26 dez.2017. CUSTÓDIO, Ronaldo dos Santos. Energia eólica para produção de energia elétrica. Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2009. ENERGIA, Portal. Vantagens e desvantagens da energia eólica. 2015. Disponível em: <https://www.portal-energia.com/vantagens-desvantagens-da-energia-eolica/>. Acesso em: 07 out. 2017. MAGALHÃES, M.V. Estudo de utilização da energia eólica como fonte geradora de energia no Brasil. Florianópolis, SC, Brasil, 2009. NIPO, D.F. Controlador de carregamento de baterias para turbinas eólicas de pequeno porte. 123 F. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2007. PINTO, Milton. Fundamentos de energia eólica. Rio de Janeiro: Ltc, 2017. 368 p. REVISTA CHILENA DE INGENIERÍA. Arica: Scientific Electronic Library Online, v. 23, n. 3, 2015. Anual

ROGERS, C. R. Liberdade para aprender . Belo Horizonte: Interlivros.1977.

SANTOS, A. A.; Et al. Projeto de Geração de Energia Eólica, Curso de Engenharia Industrial Mecânica. 2006. SILVA, G. B. D. O. E. Desenvolvimento de uma Turbina Eólica de Eixo Vertical. Universidade Técnica de Lisboa. 2011.