ESTUDO DA EFICIÊNCIA DE PERFIS AERODINÂMICOS APLICADOS A AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE

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ESTUDO DA EFICIÊNCIA DE PERFIS AERODINÂMICOS

APLICADOS A AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE

Jerson Rogério Pinheiro Vaz

Universidade Federal do Pará – Faculdade de Engenharia Mecânica Av. Augusto Correa, s/n - Belém, PA, Brasil – 66075-900

jerson@ufpa.br

Dimitri Oliveira e Silva

Universidade Federal do Pará – Faculdade de Engenharia Mecânica Av. Augusto Correa, s/n - Belém, PA, Brasil – 66075-900

João Tavares Pinho

Universidade Federal do Pará – Faculdade de Engenharia Elétrica Av. Augusto Correa, s/n - Belém, PA, Brasil – 66075-900

Tadeu da Mata Medeiros Branco

Universidade Federal do Pará – Faculdade de Engenharia Elétrica Av. Augusto Correa, s/n - Belém, PA, Brasil – 66075-900

Alexandre Amarante Mesquita

Universidade Federal do Pará – Faculdade de Engenharia Mecânica Av. Augusto Correa, s/n - Belém, PA, Brasil – 66075-900

Abstract: This paper presents the results obtained in the study of 41 airfoils for use in the

construction of small wind turbine, using average speed of 3 m/s. The study corresponds to obtaining the optimum angles of attack for a given rotor and aerodynamic profile with pre-defined characteristics, i.e., determining the angle of attack to produce the best power coefficient to the rotor and wind characteristics mentioned, since the increase of the power coefficient is related to the viscous influence exerted on the blade, considering the dynamic stall. Copyright © 2009 CBEE/ABEE

Keywords: Aerodynamics profile, Wind turbine, Wind energy.

Resumo: Neste trabalho, apresentam-se os resultados obtidos no estudo de 41 perfis

aerodinâmicos para utilização na construção de rotores eólicos, aplicados a aerogeradores de pequeno porte, utilizando velocidade de vento de 3 m/s. O estudo realizado, corresponde à obtenção dos ângulos de ataque ótimos para um dado rotor e um dado perfil aerodinâmico com características pré-definidas, ou seja, determinação do ângulo de ataque que apresente o melhor coeficiente de potência para o rotor e característica de vento mencionados, uma vez que o aumento do coeficiente de potência está relacionado com a influência viscosa exercida sobre a pá, levando em consideração o descolamento aerodinâmico.

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1 INTRODUÇÃO

Em diversas regiões da Amazônia são comuns baixas velocidades de vento (Frade e Pinho, 2000), justificando, assim, uma busca por sistemas eólicos cada vez mais eficientes. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo, apresentar os resultados obtidos no estudo de 41 perfis aerodinâmicos mais utilizados para a construção de rotores eólicos (Mesquita, Silva e Quintana, 1994, Alves, 1997), aplicados a aerogeradores de pequeno porte, utilizando informações de vento da Região Amazônica como critério de avaliação para a escolha do perfil a ser adotado na construção de um rotor (Frade e Pinho, 2002). O estudo realizado, corresponde à obtenção dos ângulos de ataque ótimos para um dado rotor e um dado perfil aerodinâmico com características pré-definidas. Neste caso, o objetivo principal é determinar o ângulo de ataque que apresente o melhor coeficiente de potência para o rotor e característica de vento mencionados, uma vez, que o aumento do coeficiente de potência está relacionado com a influência viscosa exercida sobre a pá, levando em consideração o descolamento aerodinâmico (Alves, 1997; Eggleston and Stoddard, 1987). Os perfis aerodinâmicos são responsáveis em grande parte pelo bom desempenho dos rotores eólicos, tanto para bombeamento de água, quanto para geração de energia elétrica, uma vez, que as forças de sustentação e arrasto dependem da geometria do perfil. Na literatura existem inúmeros perfis aerodinâmicos, resultado de intensas contribuições da comunidade científica, ao longo dos anos, no sentido de melhorar a eficiência no aproveitamento energético.

2 COMPORTAMENTO DE PERFIS

AERODINÂMICOS PARA

GRAN-DES ÂNGULOS DE ATAQUE

De acordo com Alves (1997), a qualidade dos resultados obtidos a partir de modelos baseados no método do momento do elemento de pá (do inglês:

Blade Element Moment - BEM), depende grandemente

de um preciso conhecimento das características do perfil aerodinâmico da pá, as quais, para pequenos ângulos de ataque antes do descolamento aerodinâmico, são bem determinadas, tanto teoricamente quanto por dados experimentais. Entretanto, a Figura 1 (obtida do original, Ostowari and Naik, 1984 a partir de Lissaman, 1994), mostra que a zona em que o escoamento permanece aerodinamicamente colado está geralmente

restrita a ângulos de ataque, de mais ou menos 15o,

enquanto que, durante a operação de um rotor eólico, os perfis podem experimentar ângulos de ataque muito mais elevados, entrando na zona onde se desenvolve a

separação (até 30o), ou até mesmo experimentando o

regime completamente separado, entre 30o e 90o, onde

normalmente não se conhecem as características do aerofólio.

Aparecimento do descolamento

Zona totalmente descolada

Regi ão sem descol amento

Ângulo de ataque - graus C o e f. d e s u s t e n t a ç ã o Cl Perfil: NACA 4415 Rec: 5 105 Razão de as pecto μ

Figura 1: Variação típica do coeficiente de sustentação com o ângulo de ataque e a razão de aspecto nas três regiões de

funcionamento de um perfil (Ostowari and Naik, 1984)

Este fato é especialmente importante na previsão da potência máxima desenvolvida por um rotor de pás fixas (vital para um dimensionamento seguro do sistema de potência da unidade eólica) na ocorrência de ventos fortes, quando grande parte da pá experimenta elevados ângulos de ataque. Pode-se perceber da Figura 2 (obtida de Hansen and Butterfield, 1993), que a não inclusão destes efeitos acarreta uma subestimação da potência máxima. P o t ê n c i a k W Velocidade do vento - m/s Experimental Previsão

Figura 2: Máxima potência gerada por um rotor eólico: Prevista e Experimental (Hansen and Butterfield, 1993)

Viterna e Corrigan (1981) propuseram um modelo empírico para modificar os dados dos perfis aerodinâmicos em todos os três regimes de operação, de modo a prever mais precisamente o comportamento de um rotor eólico.

As hipóteses de base do método são:

• No regime de operação sem descolamento, as forças aerodinâmicas geradas pelas pás do rotor podem ser calculadas de acordo com o modelo proposto, empregando-se as correções para os efeitos do número finito de pás, ou modificando-se os coeficientes de sustentação e arrasto dos perfis, através das fórmulas para correção dos dados obtidos em túneis de vento a partir de aerofólios com comprimento finito (Jacobs

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and Abbot, 1932), de modo a levar em consideração a razão de aspecto da pá, dispensando-se a correção para o número finito de pás. Os coeficientes de sustentação e arrasto para uma pá com razão de aspecto finita são corrigidos como segue:

/ l l C C = (1) πμ 2 / l d d C C C = + (2) πμ α α= /+57.3Cl (3)

onde C _l/,C_d/ são os coeficientes para razão de

aspecto infinita (perfis bidimensionais). C ,lCd são os

coeficientes para a razão de aspecto da pá e μ é a razão de aspecto da pá definida como:

) ( . r c r R− cub = perfil do Corda pa(span) da o Compriment (4) • Na zona de desenvolvimento do descolamento, a

força associada ao torque, também chamada de força de sucção no perfil, agindo no plano de rotação não varia com o aumento do ângulo de ataque.

• No regime completamente separado, o parâmetro dominante é o valor máximo do coeficiente de arrasto, determinado para a razão de aspecto da pá.

Quando o ângulo de ataque é igual ou superior àquele em que se inicia a separação, de acordo com as hipóteses acima, o modelo de Vitterna e Corrigan (1981) prevê os seguintes valores para os coeficientes de arrasto e sustentação dos perfis:

separacao α α≥ : α α α sen K sen C C l d l 2 max , cos 2 2 + = (5) α α cos 2 max , d d d C sen K C = + (6) s s s s d s l l sen sen C C K α α α α ₂ max , , cos ) cos ( − = (7) s s d s d d sen C C K α α cos 2 max , , − = (8) μ ≤ 50: Cd,max =1,11+0,018μ (9) μ > 50: Cd,max =2,01 (10)

onde Cd,maxé o máximo coeficiente de arrasto no regime

completamente separado.

Uma indicação da importância deste método pode ser vista na Figura 3, que mostra a curva de potência para uma turbina de pás fixas, com distribuição de corda constante e razão de aspecto igual a seis, obtida do trabalho de Viterna e Corrigan (1981).

De acordo com as considerações dos itens anteriores, percebe-se que os modelos baseados no método do momento do elemento de pá agregam uma grande carga de informações advindas da experiência acumulada nas últimas décadas no estudo da aerodinâmica para aplicações aeronáuticas, constituindo-se numa

abordagem ao mesmo tempo simples e precisa no estudo de um assunto complexo como a aerodinâmica de rotores eólicos. Por esta razão, este método ainda é o mais utilizado pela maioria dos projetistas desses rotores. Experimental Previsto Ra zão de aspecto = ∞ Ra zão de aspecto = 6 Velocidade do vento - m/s P o t ê n c i a k W

Figura 3: Impacto da utilização do modelo de Viterna e Corrigan (1981) sobre a previsão da potência máxima.

3 OBTENÇÃO DOS ÂNGULOS DE

ATAQUE ÓTIMOS

No presente item são mostrados os resultados do estudo dos diversos perfis utilizados para projeto de rotores eólicos. Foram selecionados os que possuem maior coeficiente de sustentação e menor coeficiente de arrasto, visto que, quanto maior a relação entre os coeficientes de arrasto e de sustentação do perfil, mais intensa é a diminuição do coeficiente de potência pela perda viscosa (Alves, 1997). A Tabela 1 apresenta os perfis estudados.

Tabela 1: Alguns perfis aerodinâmicos utilizados para o projeto de rotores eólicos.

Perfis Aerodinâmicos

E387 NACA23012 NACA64-221

S822 NACA63-209 NACA64-421

SD2030 NACA63-412 NACA65-415

FX63-137 NACA63-415 NACA652-415

S834 NACA63-615 NACA65-418

SH3055 NACA63-218 NACA653-418

NACA1412 NACA63-418 NACA65-618

NACA2408 NACA63-618 NACA653-618

NACA2415 NACA64-412 NACA654-421

NACA4412 NACA64-415 NACA747A315

NACA4415 NACA64-418 NACA747A415

NACA4418 NACA64-618

Na simulação, utilizou-se o modelo do momento do elemento de pá, considerando a correção de Glauert (1935) e o fator de Prandt (Eggleston and Stoddard, 1987), para as seguintes condições:

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Pá = 1,75 m de raio Cubo = 0,15 m de raio

Velocidade média local de vento = 3 m/s Número de pás = 3

Rotação = 130 rpm

Número de estações = 100

Tabela 2: Resultado da simulação para cada perfil aerodinâmico. Perfis Aerodinâmicos Coeficiente de Potência Máximo Ângulo de Ataque (o) E387 0,4019 7,96 S822 0,3946 7,96 SD2030 0,4039 5,57 FX63-137 0,3998 9,61 S834 0,3808 6,20 SH3055 0,3827 12,36 NACA1412 0,4376 5,08 NACA2408 0,4424 13,34 NACA2410 0,4590 14,93 NACA2412 0,4411 3,30 NACA2415 0,4395 4,79 NACA4412 0,3507 7,04 NACA4415 0,4582 4,04 NACA4418 0,4452 5,08 NACA23012 0,4521 15,83 NACA63-209 0,4412 11,36 NACA63-412 0,4524 3,00 NACA63-415 0,4506 3,45 NACA63-615 0,4527 3,00 NACA63-218 0,4537 3,73 NACA63-418 0,4487 4,38 NACA63-618 0,4535 4,59 NACA63-221 0,4454 4,59 NACA63-421 0,4511 5,12 NACA64-412 0,4554 16,02 NACA64-415 0,4446 3,00 NACA64-418 0,4519 4,38 NACA64-618 0,4572 4,55 NACA64-221 0,4452 3,89 NACA644-421 0,4660 6,59 NACA65-415 0,4509 3,00 NACA652-415 0,4536 3,44 NACA65-418 0,4610 4,34 NACA653-418 0,4563 3,44 NACA65-618 0,4598 16,91 NACA653-618 0,4581 18,26 NACA65-221 0,4463 4,34 NACA65-421 0,4565 5,69 NACA654-421 0,4660 18,42 NACA747A315 0,4482 5,24 NACA747A415 0,4535 5,24

4 RESULTADOS E CONCLUSÕES

Da Tabela 2, os perfis mais eficientes, para ventos com velocidades de 3 m/s são mostrados na Tabela 3.

Tabela 3: Perfis mais eficientes para ventos com velocidades médias de 3 m/s. Perfis Aerodinâmicos Coeficiente de Potência Máximo Ângulo de Ataque (o) NACA644-421 0,4660 6,5918 NACA653-418 0,4610 4,3469 NACA654-421 0,4660 18,4285

O perfil NACA654-421 está destacado, pelo fato de que

para baixas velocidades o coeficiente máximo de potência só é atingido para um ângulo de ataque em

torno de 18,4285o, onde, segundo Alves (1997), o

descolamento aerodinâmico já iniciou, provocando assim perda de sustentação e o aparecimento do fenômeno de estol (ver Fig. 4). Desta forma, o perfil

NACA644-421 é o mais eficiente para baixas

velocidades de vento.

A Figura 5 mostra que o melhor coeficiente de potência (46,6%) ocorre para um ângulo de ataque em torno de

6,6o. Entretanto, para valores maiores que este a

eficiência decai bruscamente, o que revela, de acordo com a Figura 8, uma perda de rendimento, também brusca, para velocidades de vento a partir de 3,7 m/s. Neste caso, como o perfil da Figura 5 se mantém praticamente constante com eficiência em torno de

45,5% para ângulos de ataque entre 3 e 6o, calculam-se

os parâmetros geométricos da pá para um ângulo de

ataque nesta faixa. No presente trabalho utiliza-se 4o.

Como resultado, na Figura 10 tem-se um perfil suavizado, onde o inicio da queda brusca é deslocado para 4,2 m/s, caracterizando uma faixa de velocidades maior que aquele apresentado na Figura 8.

Figura 4: Coeficiente de sustentação em relação ao ângulo de ataque para o perfil NACA 654–421.

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Figura 5: Coeficiente de potência em relação ao ângulo de ataque para o perfil NACA 644–421.

Para um ângulo de ataque de 4o (ver Fig. 6) o

coeficiente de sustentação encontra-se suficientemente antes do inicio do descolamento aerodinâmico, resultando na possibilidade do rotor eólico experimentar velocidades de vento maiores. A Figura 7 corresponde à pá desenvolvida a partir dos dados analisados pelo código numérico implementado neste trabalho.

Figura 6: Coeficiente de sustentação em relação ao ângulo de ataque para o perfil NACA 644–421 (Abbot and Doenhoff,

1959).

A utilização de ângulos de ataque calculados para um rendimento máximo nem sempre produzirá o melhor rotor eólico para um dado regime de vento; é necessário analisar a continuidade da curva estabelecida para o coeficiente de potência.

Figura 7: Pá em 3D construída a partir do perfil NACA 644– 421, utilizando o código numérico implementado no presente

trabalho.

A resposta imediata de que o ângulo de ataque utilizado é apropriado, verifica-se nas curvas da razão de velocidade na ponta da pá (do inglês: Tip Speed Ratio - TSR) e do coeficiente de potência em função da

velocidade de vento. Quando ocorrem fortes decaimentos nas curvas, como observado nas Figuras 8 e 9, isso significa que provavelmente o rotor projetado para o ângulo de ataque, ao experimentar velocidades de vento maiores, perde sustentação rapidamente.

Figura 8: Coeficiente de potência em relação a velocidade de vento para o perfil NACA 644–421.

Figura 9: Coeficiente de potência em relação à TSR para o perfil NACA 644–421.

As diferenças mostram-se consideráveis nas Figuras 12 e 13, justificando a importância da utilização dos estudos realizados neste trabalho. Os resultados são expressivos quanto à ampliação da faixa de velocidade de vento.

Figura 10: Coeficiente de potência em relação a velocidade de vento para o perfil NACA 644–421, utilizando um ângulo de

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Figura 11: Coeficiente de potência em relação à TSR para o perfil NACA 644–421, utilizando um ângulo de ataque de 4

o .

Figura 12: Comparação entre as curvas do coeficiente de potência em relação a velocidade de vento para o perfil NACA 644–421. Ângulos de ataque de 4o e 6o.

Figura 13: Comparação entre as curvas do coeficiente de potência em relação à TSR para o perfil NACA 644–421. Ângulos de ataque de 4o e 6o.

5 REFERÊNCIAS

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