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Resumo. O propósito deste artigo é descrever as etapas do projeto de pás para turbinas de energia eólica, utilizando aplicações da
Teoria de Momentos e análise do tipo “Vortex Lattice” para a validação do projeto.
Palavras chave: Teoria dos Momentos,Turbinas Eólicas,Vortex Lattice,Projeto.
1.Introdução
A utilização da energia eólica acompanha o ser humano há muito tempo, desde velas de barcos e cataventos, até hoje, com o desenvolvimento das turbinas eólicas para a geração de energia elétrica. Assim sendo, esse projeto, utilizando técnicas teóricas e computacionais, desenvolve o projeto de uma turbina eólica de alta eficiência, tomando como base a produção de energia elétrica para um gerador eólico de 24kW para a região rural do Vale do Paraíba. 2.Obtenção dos Parâmetros
2.1. Velocidade do Vento
Para a obtenção dos parâmetros que utilizaríamos para o projeto, era necessária uma pesquisa em certas fontes, para obter dois parâmetros principais e determinantes para o decorrer do projeto. Um deles era a velocidade do vento na região, que podia ser obtida facilmente em (INPE[Online],visitado em2008). Foram utilizados os dados para a estação de Guaratinguetá. Devido às alterações climáticas ao longo do ano na região, decidi tomar os dados para o período de 1 ano, e assim fazer a média aritmética. Assim sendo, obtive o valor de 3,97m/s.
2.2. Perfil Aerodinâmico
Para a escolha do perfil aerodinâmico, foram usadas duas fontes de pesquisa para aerofólios possíveis, uma lista de aerofólios ensaiados por (Risø National Laboratory[Online], visitado em 2008) e aerofólios de baixo Reynolds, encontrados em (UIUC Coordinate Database, visitado em 2008). Assim sendo, procurando o aerofólio que possuísse uma relação de Sustentação/Arrasto maior, seria utilizado.Tais ensaios foram realizados no DesignFoil.Assim, foi utilizado o aerofólio S814, que possui CLmáx=1,435 a um ângulo de ataque de 14°.
3. Obtenção da Geometria do Rotor 3.1 WT_Design
Foi fornecido, para estudo, um programa desenvolvido pelo GPTE/ITA ( Grupo de Pesquisa em Tecnologia Eólica do Instituto Tecnológico de Aeronáutica), que utiliza a teoria dos Momentos para fazer a predição da geometria da pá.
Anais do XV ENCITA 2009, ITA, Outubro, 19-22, 2009
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Figura 1- Interface do WT_Design.
Assim sendo, com uma razão entre o raio da raiz e da ponta da pá de 0,1 , e um λ=6, justificado pelo gráfico encontrado em (Burton, 2001, pág65), podemos rodar, através do MATLAB, o programa, e assim obter os resultados para a geometria, expostos na Tabela 1.
Tabela 1- Dados de Entrada do WT_Design:
Entrada Valor
Potência (W) 24000
Velocidade do Vento (m/s) 3,97
Densidade do Ar (kg/m³) 1,225
Lambda ( Razão entre a velocidade na ponta da pá e a velocidade do vento).
6
Razão Radial raiz/ponta 0,1
CLmáx 1,435
α(CLmáx) (°) 14
Número de Pás 3
Fator de Perdas Elétricas e mecânicas (%) 70
O programa fornece vários dados, mas os principais para o nosso estudo são: Ângulo de torção da Pá, Perfil de Corda e o Diâmetro da pá.
Figura 3- Torção da Pá.
Lembrando ainda que o diâmetro obtido foi de 4,6m. 3.2 Obtenção da Geometria Tridimiensional
Com os dados obtidos e utilizando uma macro no Excel, conseguimos obter um desenho 3D da geometria desejada, que é exposta abaixo:
Figura 4- Geometria da Pá Ótima
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Figura 5- Geometria da Pá Prática (Torção)
Figura 6- Geometria da Pá Prática (Torção) 4. Testes CFD
Para os testes CFD, foi utilizado um programa chamado AVL (Athena Vortex LAttice), encontrado em (AVL[Online],visitado em 2009.), e realizado o teste para a asa ótima. Para o procedimento do teste, utilizamos o escoamento na ponta da asa ao longo de toda a asa, obtendo assim os parâmetros aerodinâmicos ao longo das divisões feitas para a simulação. Os valores para o fluxo são encontrados na Tabela 2.
Tabela 2- Dados para o fluxo na ponta da pá.
Velocidade Absoluta Ângulo de Incidência
24,15 9,46°
As divisões foram feitas, ao longo da pá, mais frequentemente em regiões onde há uma concavidade maior, obtendo assim mais perfeição na simulação.
Figura 7- Malha Gerada no AVL.
Assim, obtivemos resultados aerodinâmicos expostos na tabela 3, para cada divisão. Tabela 3- Dados Aerodinâmicos para a seção.
J Yle Chord Area c cl ai cl_norm Cl cd
1 0,2415 0,1619 0,0037 0,1725 0,0757 2,2491 1,0652 0,2460 2 0,2645 0,2594 0,0060 0,2829 0,2757 2,3024 1,0905 0,2887 3 0,2875 0,3146 0,0072 0,3795 0,5928 1,2296 1,2062 0,3174 4 0,3105 0,3275 0,0075 0,4423 0,5921 1,3767 1,3505 0,3536 5 0,3335 0,3337 0,0077 0,4882 0,5892 1,4630 1,4630 0,3711 6 0,3565 0,3333 0,0077 0,5208 0,5586 1,5627 1,5626 0,3834 7 0,3795 0,3306 0,0076 0,5440 0,5273 1,6505 1,6458 0,3864 8 0,4025 0,3256 0,0075 0,5601 0,4929 1,7250 1,7201 0,3845 9 0,4255 0,3198 0,0074 0,5706 0,4595 1,7942 1,7846 0,3783 10 0,4485 0,3130 0,0072 0,5769 0,4267 1,8532 1,8433 0,3704 11 0,5175 0,2926 0,0336 0,5800 0,3514 1,9933 1,9826 0,3379 12 0,6325 0,2585 0,0297 0,5400 0,2388 2,1001 2,0888 0,2530 13 0,7475 0,2291 0,0263 0,4827 0,1566 2,1130 2,1070 0,1732 14 0,8625 0,2043 0,0235 0,4232 0,1006 2,0778 2,0719 0,1144 15 0,9775 0,1833 0,0211 0,3671 0,0607 2,0054 2,0027 0,0697 16 1,0925 0,1662 0,0191 0,3179 0,0368 1,9149 1,9122 0,0422 17 1,2075 0,1516 0,0174 0,2745 0,0206 1,8118 1,8105 0,0206 18 1,3225 0,1394 0,0160 0,2359 0,0139 1,6931 1,6919 0,0167 19 1,5525 0,1214 0,0419 0,1891 0,0096 1,5585 1,5581 0,0093 20 1,8975 0,0975 0,0336 0,1305 0,0041 1,3386 1,3382 0,0032 21 2,0987 0,0824 0,0047 0,0999 -0,0050 1,2123 1,2114 -0,0033 22 2,1563 0,0761 0,0044 0,0823 0,0091 1,0815 1,0807 0,0031 23 2,2137 0,0618 0,0036 0,0620 0,0014 1,0116 1,0022 0,0034 24 2,2713 0,0395 0,0023 0,0375 -0,0149 0,9565 0,9477 0,0013
Anais do XV ENCITA 2009, ITA, Outubro, 19-22, 2009
, Assim, façamos as comparações aerodinâmicas devidas, salientando que, teoricamente, o coeficiente de sustentação é o mesmo para o caso teórico.
Figura 8- Comparação dos resultados. 5.Conclusão e Comentários Finais
Podemos observar que há, na simulação feita, uma aproximação com o valor de 1.435, previsto teoricamente, para a sustentação. Podemos atribuir esses erros tanto à diferença de métodos utilizados para a obtenção ( aproximação utilizada para a simulação, por exemplo), ao fato de os ensaios no DesignFoil terem sido feitos em Reynolds diferentes. De uma maneira geral, o trabalho foi muito bem conduzido e pudemos obter resultados expressivos para os testes. 6. Agradecimentos
Em primeiro lugar a Deus, razão pela qual tudo existe. Agradeço também ao apoio da minha família, não excluindo amigos e namorada. Agradeço especialmente ao ITA pelo embasamento teórico que me fornece além do preparo suficiente para aprender o que almejar, com a obstinação e sede de sucesso que essa escola nos condiciona a ter. Sou bastante grato ao professor Maurício pela oportunidade de participar desse projeto empolgante e que me ajuda a situar meus anseios profissionais e a ter contato com uma área que talvez não tivesse sem realizar esse projeto. Por fim, agradeço ao CNPq não só pelo incentivo que recebo, mas pela oportunidade que o mesmo semeia por todo o país, desenvolvendo a educação superior e o aparato tecnológico do nosso país.
7. Referências
AVL. [Online] http://web.mit.edu/drela/Public/web/avl/.
Burton, T.,Sharpe, D.,Jenkins, N., Bossanyi, E.. Wiley,2001. “Wind Energy Handbook”. Londres. INPE. CPTEC. [Online],2008.www.cptec.inpe.br.
Risø National Laboratory. Wind turbine Airfoil Catalogue. Risø National Laboratory Website. [Online],2009. http://www.risoe.dtu.dk/Risoe_dk/Home/Research/sustainable_energy/wind_energy/projects/Profcat/download.aspx.
