PROJETO DAS PÁS DE UMA TURBINA EÓLICA

DIEGO DE SOUZAGUSTAVO LUIZ SIMÕES GORSKI

Janeiro/2013

Com a crescente demanda de energia limpa e renovável, os desafios de novos projetos capazes de atender a demanda energética mundial vem se tornando uma das vertentes de mais pesquisa e desenvolvimento nas áreas afins da engenharia. O forte apelo ambiental que estes projetos devem atender, faz com que os desafios de novos métodos de geração de energia elétrica se tornem de extrema importância.

INTRODUÇÃO

GERAL

- Projeto das pás de uma turbina eólica, capaz de produzir 10kW de potência a partir de ventos na ordem de 10m/s.

OBJETIVOS

ESPECÍFICOS

• Escolha de um perfil aerodinâmico para as pás da turbina;• Determinação do número de pás;• Cálculo das características da turbina;• Cálculo das características do perfil aerodinâmico;•Determinação dos ângulos de ataque e saída do perfil aerodinâmico;• Projeto e esboço de um sistema eólico de geração de energia.

OBJETIVOS

CÁLCULOS

Após uma análise aprofundada dos conceitos apresentados nas duas bibliografias principais estudadas, optou-se por utilizar primeiramente a tabela presente na figura 5.45 do livro Wind Turbines, de Erich Hau, que estabelece dentro de alguns dos perfis mais utilizados em turbinas eólicas, uma relação entre o lambda e o coeficiente de potência do rotor. Optou-se por trabalhar-se com um rotor de 3 pás (construção mais robusta com menos problemas de vibração). Logo, de acordo com Sadhu, a melhor relação de velocidade periférica ou fator de celeridade para um rotor de 3

pás seria 4,5. Com base no gráfico, optando-se pelo perfil NACA0015, temos um valor de Cpr (Rotor power coeficient) de 1.8.

CÁLCULOS

Figura 1 - Influência dos tipos de aerofólio no coeficiente e potência do rotor.

CÁLCULOS

De posse desses dados, sabendo-se que o aero gerador precisa gerar 10 kW de potência, tendo em mãos as propriedades do ar, logo podemos, através da equação da Potência no rotor (página 98 do livro Wind Turbines), encontrar a área útil do rotor a ser utilizado. Utilizou-se da velocidade de vento w=10m/s.

CÁLCULOS

Estimando-se um diâmetro interno de 2 metros (para cobrir o alternador e a estrutura da pá, teremos o seguinte valor para o diâmetro externo:

CÁLCULOS

Com um diâmetro interno de 2 metros, é possível atender a potência requisitada com um perfil NACA0015 com um diâmetro de 10,931 metros, o qual foi arredondado para 11 metros (para facilitar a modelagem). Esta relação de diâmetros atende a determinação de cubos prevista no Henn

CÁLCULOS

Figura 2 - Esboço inicial dasáreas.

CÁLCULOS

Com os diâmetros estabelecidos, o valor de lambda e da velocidade de vento, pode-se estimar a velocidade de rotação específica, assim como, encontrar o número de pólos do alternador.

CÁLCULOS

A faixa de rotação encontrada está condizente com os dados do Henn (30 a 50rpm para aero geradores com diâmetro de 30 a 60 metros), sendo que menores, caso deste, pode ser uma rotação maior.

Em seguida, calculou-se o diâmetro do eixo, utilizando-se uma tensão de cisalhamento admissível de 40Mpa.

CÁLCULOS

Agora, dividiu-se a geometria para encontrar os pontos nos quais iremos calcular os ângulos e tamanhos dos perfis.

CÁLCULOS

Figura 3 - Pontos de análie.

CÁLCULOS

Com os 5 pontos escolhidos, pode-se realizar as análises em cada diâmetro, começando pelas velocidades:

CÁLCULOS

Cálculo dos ângulos β∞ em função dos diâmetros (foi considerado β para permitir o lançamento no software de cálculo).

CÁLCULOS

Cálculo do passo (t) entre as pás:

CÁLCULOS

Largura inicial e final das pás:

CÁLCULOS

Com os raios de referência e os diâmetros internos e externos, é possível realizar um desenho das pás, estimando assim, a largura em todos os pontos analisados. Optamos por referenciar esses valores de largura de pá a fim de facilitar a construção, utilizando para isso, pás retas:

CÁLCULOS

Considerando que Ypá para aerogeradores é zero,α=0, encontramos o valor de W∞ para cada ponto analisado:

CÁLCULOS

Calculam-se os coeficientes de sustentação para cada ponto escolhido, utilizando o rendimento hidráulico de 0.8.

CÁLCULOS

CÁLCULOS

Ângulo de deslizamento e rendimento do perfil:

CÁLCULOS

Obs. O valor de ԑ foi reaplicado no cálculo dos coeficientes de sustentação. Os valores acima devem estar próximos do rendimento hidráulico (segundo Henn), logo, os valores apresentam coerência com a teoria.

CÁLCULOS

Torque no eixo:

Conforme o livro "Guidelines for design wind turbines", para o cálculo do torque de uma pá, segue a seguinte expressão:

Das considerações que possuímos, isolando os termos necessários e aplicando a integral definida ao longo da pá, a partir do raio de 2m até o fim da pá em 11m. segue-se o cálculo:

CÁLCULOS

CÁLCULOS

Determinação do ângulo de ataque:

Através dos coeficientes de sustentação encontrados para cada ponto, na tabela dos perfis NACA, podem-se encontrar os ângulos de ataque (βp) de cada caso:

CÁLCULOS

Figura 6 - Coeficiente de sustentação x ângulo de ataque.

CÁLCULOS

MODELO

Figura 7 - Vista frontal da pás em escala.

MODELO

Figura 8 - Modelo tridimensional das pás em escala.

MODELO

Figura 9 - Modelo tridimensional - Comparação com o tamanho de uma pessoa (1.7m)

Figura 10 - Vista superior das pás.

GENERAL DESCRIPTIONRated Power output 10KW @ 9 m/s

Turbine Designed standard AWEA,MCS,IEC-61400 Wind class 2

Annual Power Production Approximately 20000 kwh @ annual average wind speed of 5 m/s

Approximately 30000 kwh @ annual average wind speed of 6 m/s

Approximately 37000 kwh @ annual average wind speed of 7 m/s

Start up Wind speed 2.5 m/s

Cut in Wind speed 3.5 m/s

Cut out wind speed 25 m/s

Survival wind speed 59.5 m/s

Anemometer Ultrasonic

Rotor blade diameter 9.8m

• HAU, Erich. Wind Turbines. 2 ed. Munich: Springer, 2005.

• HENN, Érico Antônio Lopes. Máquinas de Fluxo. UFSM, 2001.

• JACOBS, Eastman N.; WARD, Kenneth E.; PINKERTON, Robert M. The Characteristics of 78 Related Airfoils Sections from Tests in the Variable-Density Wind Tunnel – NACA. Washington D.C, 1935.

• VERITAS, Det Norske. Guidelines of Design of Wind Turbines. Jydsk Centraltrykkeri, Denmark 2002.

REFERÊNCIAS