APLICAÇÃO DE GURNEY FLAPS EM GERADORES EÓLICOS

Pedro Augusto Pozzobon Cruz, Hernan Dario Ceron Muñoz

Universidade de São Paulo/Escola de Engenharia de São Carlos

pedro.cruz@usp.br, hernan@sc.usp.br

ResumoEsta pesquisa visa estudar a influência de Gurney Flaps (GFs) no desempenho de geradores éolicos. Os aerofólios DU93-W-210, FFA-W3-211, NACA 63215 e NACA 63415, comumente usados em pás de turbinas eólicas, serão testados em túnel de vento com três geometrias diferentes de GF: comum, serrilhada e perfurada. Com os dados levantados será feito um estudo do impacto da adição de GFs às pás de turbinas eólicas, calculando para isso o desempenho de geradores eólicos hipotéticos que usem os aerofólios em questão, concluindo assim se a adição de GFs é benéfica ou não.

Palavras Chaves: gurney flap, gerador eólico, energia eólica

AbstractThis research aims to study the influence of Gurney Flaps (GFs) in the performance of wind turbines. The DU93-W-210, FFA-W3-211 and NACA 63215 NACA 63415 airfoils, commonly used in wind turbine blades, will be tested in a wind tunnel with three different GF geometries: ordinary, serrated and perforated. With the collected data a study of the impact of the addition of GFs to wind turbine blades will be done by calculating the performance of hypothetical wind generators that use the airfoils in question, thus concluding if the addition of GFs is beneficial or not.

Key words: gurney flap, wind turbine, wind energy

SIICUSP 2014 – 22º Simpósio Internacional de Iniciação Científica e Tecnológica da USP

IntroduçãoO primeiro registro de uso do vento como fonte de energia data de 900 a.C, com o povo Persa. Seus moinhos de vento eram usados para moagem de grãos e bombeamento de água. Durante a Idade Média os moinhos de vento eram bastante comuns por toda a Europa, e eram usados para praticamente qualquer atividade mecânica. Os moinhos de vento seguiram como importante fonte de energia até a Revolução Industrial, quando foram gradualmente substituídos pelas máquinas a vapor e posteriormente pelos motores à combustão (MANWELL, 2008).

O reaparecimento da energia eólica ocorreu nos anos de 1960. Nessa época começaram as primeiras discussões sobre o dano ambiental causado pela queima de combustíveis fósseis e foi percebida a necessidade de diversificação da matriz energética. Nos anos 1970 ocorreu a conhecida crise do petróleo, que fez com que a pesquisa em novas fontes de energia deixasse de ser feita apenas por motivos ambientais, mas também econômicos. Nesse momento o governo dos EUA financiou várias pesquisas e ofereceu incentivos fiscais para a geração de energia eólica, fazendo esse setor experimentar um acelerado desenvolvimento (MANWELL, 2008). Apesar dos mais de 40 anos de pesquisa na área, muito ainda deve ser feito. É possível reduzir o custo de produção da energia eólica (MANWELL, 2008) — que ainda é a maior barreira para sua adoção em larga escala —, melhorando as turbinas eólicas. Essa melhoria pode ocorrer na aerodinâmica das pás, nos elementos mecânicos da turbina (gearboxes, eixos), na parte elétrica e nos materiais usados para a construção.

A presente pesquisa trata de um modo de melhorar a aerodinâmica das pás de um gerador eólico. Para isso propõe-se a adição de Gurney Flaps (GFs) nas pás. Gurney Flap é um dispositivo acoplado próximo ao bordo de fuga de uma asa de forma a aumentar sua sustentação. A geometria mais tradicional de GF é de uma placa fina, fixada exatamente no bordo de fuga com altura aproximada de 2% da corda da asa e perpendicular a ela. Outras geometrias, como o GF perfurado ou serrilhado, também são possíveis.

A partir do final da década de 70 os GFs começaram a ser estudados cientificamente e resultados animadores foram obtidos. Com eles foi possível obter um aumento de até 27 % de Cl (coeficiente de sustentação) em relação à um aerofólio limpo e se corretamente dimensionados podem também aumentar a razão Cl/Cd (WANG, 2008). É possível mostrar que a potência captada por um gerador eólico está diretamente relacionada à relação Cl/Cd do perfil aerodinâmico de suas pás (MANWELL, 2008; SPERA, 2009). Vê-se, então, que os GFs são dispositivos simples e tem grande potencial para aumentar a produção de energia de geradores eólicos.

ObjetivosO principal objetivo do projeto é determinar se a adição de GFs nas pás de geradores eólicos é benéfica para a produção de energia.

Para isso primeiramente deve-se estudar a influência de GFs de diversas geometrias no desempenho dos aerofólios DU93-W-210, FFA-W3-211, NACA 63415 e NACA 63215, comumente usados em pás de geradores eólicos, e determinar se de fato eles aumentam a razão Cl/Cd desses aerofólios.

Em seguida deve-se calcular o desempenho de geradores eólicos que utilizem esses aerofólios e por fim determinar se a adição dos GFs é benéfica ou não.

Materiais e MétodosForam feitos ensaios em túnel de vento com os aerofólios DU93-W-210, FFA-W3-211, NACA 63415 e NACA 63215, cada um deles testados nas configurações limpo (sem GF), com GF comum, perfurado e serrilhado.

Os GFs foram dimensionados conforme a literatura (GUIGUÈRE, 1997) de forma a terem o melhor desempenho.

O ensaios foram feitos em um dos túneis de vento didáticos do departamento Engenharia Aeronáutica. Os túneis didáticos são do tipo circuito aberto e possuem uma seção de ensaios de 460mm x 460 mm x 1200 mm, podendo atingir uma velocidade de até 25 m/s.

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O objetivo dos ensaios foi tomar a curva de Cl, Cd e Cm dos aerofólios com e sem GFs. O número de Reynolds dos ensaios ficou em torno de 200 000, o que torna os resultados válidos para geradores eólicos de pequena escala.

Para a segunda parte do trabalho foi feita uma rotina no software MATLAB para calcular o desempenho de geradores eólicos. Ela consiste na implementação das equações da teoria de momento e da teoria de elemento da pá.

Essa rotina foi utilizada para calcular o desempenho de geradores eólicos que usem os aerofólios ensaiados em túnel de vento e suas configurações com e sem GFs. Nesses cálculos foram usados os dados experimentais levantados anteriormente.

A partir dos resultados desses cálculos foi possível inferir o impacto da adição de GFs às pás de geradores eólicos.

ResultadosApós os ensaios com os aerofólios em túnel de vento foram definidas as geometrias de geradores eólicos que usassem os aerofólios ensaiados e prosseguiu-se ao cálculo de desempenho. Devido à problemas ocorridos nos ensaios de túnel de vento, foi possível aproveitar somente os dados dos perfis DU-93-w210. Sendo assim, prosseguiu-se a análise e usou-se o código MATLAB descrito para fazer uma previsão do Cp (coeficiente de potência) desses geradores eólicos. O algoritmo não convergia para todo valor de λ (razão de velocidade de ponta). Assim, nas figuras os pontos são os valores de Cp em que houve convergência e a linha contínua é uma interpolação entre esses pontos.

O resultado não foi exatamente o esperado, contradizendo as referências usadas. O que esperava-se eram curvas que acompanhassem a tendência das curvas de Cl/Cd determinada para o aerofólio. Nesse caso, esperava-se que o rotor com o aerofólio com GF serrilhado apresentasse os maiores Cp e o com GF perfurado os piores Cp. No entanto, ocorreu justamente o contrário.

Figura 1: Gráfico do coeficiente de potência contra a razão de velocidade de ponta para rotores

com aerofólios simulados no XFOIL

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Diante dessa situação tentou-se determinar a origem desse erro, se estava nos dados experimentais ou no código MATLAB. Para isso usou-se o software XFOIL para levantar os dados aerodinâmicos de aerofólios com diferentes razões Cl/Cd. Com esses dados, utilizou-se o código MATLAB para fazer os cálculos de Cp com esses aerofólios. Os resultados podem ser vistos na figura 1.

Cada linha do gráfico da figura 1 representa um rotor com aerofólio com razão Cl/Cd diferente. A tendência observada é quando maior essa razão, maior o coeficiente de potência do rotor, o que está de acordo com toda a literatura consultada. Conclui-se assim que o erro estava nos dados experimentais usados, que não tinham a precisão adequada (TANGLER, 2002), especialmente os dados de arrasto.

ConclusõesA tese que buscou-se comprovar com esse trabalho foi se a adição de GFs às pás de turbinas eólicas seria benéfica.

Apesar das dificuldades encontradas com os dados experimentais levantados, pode-se dizer sim que a adição de GFs às pás de turbinas eólicas é benéfica. No entanto, há ressalvas a serem feitas. Como pode ser visto na figura 1, o benefício ocorreu em baixos valores de λ, o que significa altas velocidades do vento. Como as velocidades mais altas de vento são estatisticamente menos comuns, tal melhoria talvez não seja impactante na produção energética anual do gerador.

Entretanto, infelizmente não foi possível concluir qual das geometrias de GF é a mais benéfica, devido aos problemas nos dados experimentais. Já se concluiu de uma revisão da literatura que os GFs são capazes de aumentar a razão Cl/Cd de um aerofólio (WANG, 2008) e consequentemente Cp (MANWELL, 2008; SPERA, 2009). No entanto, não foi encontrado na literatura um estudo que comparasse diversas geometrias de GFs para determinar qual a mais vantajosa, que foi o que tentou-se fazer nesse trabalho.

Referências BibliográficasMANWELL, James F.; MCGOWAN, Jon G.; ROGERS, Anthony L. Wind Energy Explained. John Wiley & Sons, Ltd, 2008.

SPERA, David A. Wind Turbine Technologie: Fundamentals concepts of Wind Turbine Engineering. ASME Press, 2009

TANGLER, James L. The nebulous art of using wind-tunnel airfoil data for predicting rotor performance. In: ASME 2002 Wind Energy Symposium. American Society of Mechanical Engineers, 2002. p. 190-196.

WANG, J. J.; LI, Y. C.; CHOI, K.-S. Gurney flap—Lift enhancement, mechanisms and applications. Progress in Aerospace Sciences, 2008, 44.1: 22-47.

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