UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA
Aideé Amélia Torres Sampaio Barros
ESTUDO NUMÉRICO DE UM AEROGERADOR PROJETADO COM A METODOLOGIA BEM E DA UTILIZAÇÃO DE UM INTENSIFICADOR DE
POTÊNCIA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO NUMÉRICO DE UM AEROGERADOR PROJETADO COM A METODOLOGIA BEM E DA UTILIZAÇÃO DE UM INTENSIFICADOR DE
POTÊNCIA
Dissertação submetida à
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE como parte dos requisitos para a obtenção do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA
AIDEÉ AMÉLIA TORRES SAMPAIO BARROS
PROF. ORIENTADOR: ANDRÉ JESUS SOARES MAURENTE CO-ORIENTADOR: SANDI ITAMAR SCHAFER DE SOUZA
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Barros, Aidee Amelia Torres Sampaio.
Estudo numérico de um aerogerador projetado com a metodologia BEM e da utilização de um intensificador de potência / Aidee Amelia Torres Sampaio Barros. - 2018.
132f.: il.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica, Natal, 2018.
Orientador: André Jesus Soares Maurente. Coorientador: Sandi Itamar Schafer de Souza.
1. Aerogerador - Dissertação. 2. Fluidodinâmica Computacional - Dissertação. 3. Blade Element Momentum - Dissertação. 4. Intensificador de Potência - Dissertação. I. Maurente, André Jesus Soares. II. Souza, Sandi Itamar Schafer de. III. Título. RN/UF/BCZM CDU 621
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO NUMÉRICO DE UM AEROGERADOR PROJETADO COM A METOLODOLIA BEM E DA UTILIZAÇÃO DE UM INTENSIFICADOR DE POTÊNCIA
AIDEÉ AMÉLIA TORRES SAMPAIO BARROS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA AO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE.
APROVADA POR:
_________________________________________ Prof. Dr. André Jesus Soares Maurente – Orientador
_________________________________________ Prof. Dr. Sandi Itamar Schafer de Souza- Coorientador
_________________________________________ Prof. Dr. Eduardo José Cidade Cavalcanti
_________________________________________ Prof. Dr. Luís Morão Cabral Ferro
i RESUMO
A preocupação com o efeito estufa e com a degradação que o meio ambiente vem sofrendo, devido a utilização de fontes de energia não renováveis, como os combustíveis fósseis, tem despertado um interesse especial na utilização de fontes renováveis de energia. Diante disso, a energia eólica vem se destacando no cenário energético atual do Brasil. Os aerogeradores, responsáveis pela conversão da energia eólica em energia elétrica, são intensamente estudados, visto que se busca formas de aumentar a eficiência dos mesmos. Uma possível solução para o aumento da potência de saída fornecida pelo aerogerador é a utilização de difusores flangeados. A ideia é gerar um gradiente de pressão, que causaria a passagem de uma maior de massa de ar a uma maior velocidade, através do rotor. Como a potência de saída de um aerogerador é diretamente proporcional ao cubo da velocidade, a mesma aumentaria. Com isso o presente trabalho teve como objetivo principal investigar a utilização de um difusor flangeado, acoplado a um aerogerador de baixa potência, visando aumento de potência convertida. Para isso foi desenvolvido o projeto e a modelagem 3D do rotor de um aerogerador com capacidade de conversão de 300 W utilizando o Blade Element Momentum (BEM). Foram realizadas simulações numéricas transientes do escoamento turbulento que age sobre os domínios estudados, empregando um software CFD. Dois modelos diferentes foram consideradas, o primeiro foi a turbina eólica envolta sem o elemento intensificador e o segundo com o elemento intensificador, possibilitando então uma comparação entre as duas configurações. Como objetivo secundário efetuou-se comparações dos resultados numéricos com os resultados analíticos da metodologia de projeto adotada (BEM), visando identificar se os dados obtidos através do projeto (coeficiente de indução axial, ângulos, triangulo de velocidade) estão próximos da solução numérica. Ao final da análise dos resultados, foi possível verificar que o difusor aumenta a velocidade do ar que passa pelo rotor eólico em aproximadamente 50%, causando um aumento de cerca 330% da potência de saída. Diferenças máximas na ordem de 10% foram encontradas entre a solução analítica (obtidas com o BEM) e a solução numérica. Além disso, pôde-se observar que com o aumento da velocidade da massa de ar, e sem o aumento da velocidade de rotação, o triângulo de velocidades acaba sendo modificado o que gera o fenômeno do stall. Por fim foi feita uma nova análise, com a velocidade de rotação corrigida, onde pôde-se observar que o triângulo de velocidade volta a se estabilizar.
Palavras Chave: Aerogerador; Fluidodinâmica Computacional; Blade Element Momentum; Intensificador de potência.
ii ABSTRACT
Concerns about the greenhouse effect and the ill-treatment of the environment due to non-renewable energy sources, such as fossil fuels, has aroused a special interest in the use of renewable energy sources, such as wind energy. Wind energy has been standing out in Brazil’s current energy scenario. The conversion of wind energy into electricity is accomplished with wind turbines. Wind Turbines, which are responsible for the conversion of wind energy into electricity, are intensively studied, since they are a powerful system for energy conversion, but still have a low efficiency when compared to other systems. One way to increase efficiency is using flanged diffusers in order to create a pressure gradient which would result in a larger flow of air, in the rotor, at a higher speed. As the output power of a wind turbine is directly proportional to the velocity, the power would increase. Therefore, the present work investigates how the use of a flange diffuser coupled to a low power wind turbine can influence its power output. In order to achieve this objective, the design and 3D modeling of the rotor of a wind turbine with a conversion capacity of 300W was done using the Blade Element Momentum (BEM). Transient numerical simulations of the turbulent flow using CFD software were accoplished. Two different 3D models were considered, the first one was only the wind turbine and the second was the wind turbine with an element to increase power, thus allowing a comparison between the two configurations. As a secondary objective, comparisons of the numerical results with the analytical results of the adopted design methodology (BEM) were carried out to identify whether the data obtained through the design (axial induction factor, angles, velocities triangle) are present in the numerical solution. The analysis allowed to verify that the diffuser increases the velocity of the air, passing through the wind rotor, by approximately 50%, causing an increase of 330% in the output power. Maximum differences of about 10% were found between the analytical solution and the numerical solution. In addition, it was observed that with the increase of the velocity of the mass of air, and without the increase of the speed rotation, the velocities triangle ends up being modified which generates the stall phenomenon. Finally, a new analysis was done, with the corrected speed rotation, where it can be observed that the speed triangle stabilizes.
Key Words: Wind Turbines; Computational Fluid Dynamics; Blade Element Momentum; Power Intensifier
iii LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1- Estimativa do potencial eólico mundial. (Fonte: Grubb e Meyer, 1993) ... 2
Figura 1.2- Potencial eólico estimado para vento médio anual igual ou superior a 7,0 m/s. (Fonte: Amarante, Zack e Sá, 2001) ... 3
Figura 3.1-Movimento do ar em uma Terra sem o movimento de rotação. (Fonte: Adaptado de Lutgnes e Tarbuck, 2013) ... 16
Figura 3.2- Ilustração do efeito de Coriolis.(Fonte: Adaptado de Lutgnes e Tarbuck, 2013) .. 16
Figura 3.3- Movimento da massa de ar. (Fonte: Lutgnes e Tarbuck, 2013) ... 17
Figura 3.4- Homens e animais trabalhando em conjunto. (Fonte: Rodrigues, 2016) ... 18
Figura 3.5- O moinho de vento holandês. (Fonte: Dutra, 2008) ... 19
Figura 3.6- Desenvolvimento da energia eólica entre o Século XII o Século XIX. (Fonte: Dutra, 2008) ... 19
Figura 3.7- Primeira turbina eólica instalada no Brasil. (Fonte: ANEEL, 2015) ... 20
Figura 3.8- Gráfico mundial de novas instalações para conversão de energia eólica em 2015. (Fonte: GWEC, 2016) ... 22
Figura 3.9- Gráfico mundial de capacidade instalada de energia eólica em 2015. (Fonte: GWEC, 2016) ... 22
Figura 3.10- Matriz Energética Brasileira em novembro de 2016 em GW. (Fonte: Abeeólica, 2016) ... 23
Figura 3.11- Evolução da capacidade instalada da energia eólica no Brasil. (Fonte: Abeeólica, 2016) ... 24
Figura 3.12- Subdivisão dos parques, de geração de energia eólica, nos estados do Brasil. (Fonte: Abeeólica, 2016) ... 24
Figura 3.13- Velocidade do vento a 50 m de altura. (Fonte: Cosern, 2003) ... 25
Figura 3.14- Velocidade do vento a 100 m de altura (Fonte: Cosern, 2003) ... 25
Figura 4.1- Evolução dos aerogeradores desde 1985 até 2005. (Fonte: IEA, 2013) ... 26
Figura 4.2- Exemplos de aerogeradores de eixo horizontal (HAWT) e de eixo vertical (VAWT). (a), (b) e (c) representam as turbinas HAWT e (d) e (e) representam as turbinas VAWT. (Fonte: Coutinho, 2012) ... 27
Figura 4.3- Tipos de turbinas de eixo vertical: (a) Darrieus; (b) Savonius; (c) Solarwind; (d) Helicoidal; (e) Noguchi; (f) Maglev (g) Cochrane. (Fonte: Tong, 2010)... 28
iv
Figura 4.5- Componentes de um aerogerador de eixo horizontal. (Fonte: Wekken, 2006) ... 30
Figura 4.6- Turbina eólica envolta por um difusor. (Fonte: Ohya, 2008) ... 33
Figura 4.7- Comportamento da superfície de controle durante o escoamento de ar. (Fonte: Burton, 2001) ... 34
Figura 4.8- Interação entre vento e o aerogerador. (Fonte: Adaptado de Hansen, 2008)... 35
Figura 4.9- Volume de controle em torno do rotor. (Fonte: Adaptado de Hansen, 2008) ... 36
Figura 4.10- Coeficiente de empuxo e de potência em função do fator de indução axial. (Fonte: Adaptado de Hansen, 2008)... 40
Figura 4.11- Definição de ângulo de ataque (α) num perfil. (Fonte: Adaptado de Gundtoft, 2009) ... 41
Figura 4.12- Fenômeno do Stall. (Fonte: Toledo, Cuminato e Souza, 2006) ... 42
Figura 4.13- Coeficiente de arrasto e de sustentação em função do ângulo de ataque. (Na direita o ângulo varia entre 0°-90°; Esquerda o ângulo varia entre 0°-20°) (Fonte: Gundtoft, 2009) . 43 Figura 4.14- Velocidades e Ângulos de um elemento da pá. (Fonte: Adaptado de Hansen, 2008) ... 44
Figura 4.15- Rotação da esteira a jusante. (Fonte: Hansen, 2008) ... 45
Figura 4.16-Triângulos de velocidades em uma seção da pá. (Fonte: Adaptado de Hansen, 2008) ... 45
Figura 4.17- Variação da velocidade relativa. (Fonte: Adaptado de Hansen, 2008) ... 46
Figura 4.18- Forças na pá. (Fonte: Hansen, 2008) ... 51
Figura 4.19- Discretização de um domínio. (Fonte: Kessler, 2016)... 55
Figura 5.1- Perfil NACA 0012 e seus respectivos gráficos de CL x α (a) e CD x α (b). (Fonte: AirfoilTools, 2017) ... 64
Figura 5.2- Valores de cordas (mm) utilizados para a pá empregando a Equação 4.40 ... 65
Figura 5.3- Desenho final do rotor. ... 66
Figura 5.4-Turbina eólica com difusor. (Fonte: Adaptado de Ohya, 2008) ... 66
Figura 5.5- Turbina envolta pelo difusor. ... 67
Figura 5.6- Ilustração dos Domínios. ... 68
Figura 5.7- Valores de referência para avaliação da qualidade ortogonal. (Fonte: Adaptada de Ansys, 2013) ... 70
Figura 5.8- Corte da seção transversal em toda extensão do volume de controle. ... 70
Figura 5.9- Detalhe do refinamento próximo a parede no cubo do rotor. ... 71
v
Figura 5.11-Detalhe do refinamento próximo a parede na pá da turbina. ... 72
Figura 5.12- Seção transversal da malha gerada para o caso com difusor. ... 72
Figura 5.13 - Detalhes do refino no difusor... 73
Figura 5.14- Refino da superfície da pá para o caso com difusor. ... 73
Figura 5.15- Configurações utilizadas na simulação computacional. ... 75
Figura 6.1- Linhas de fluxo sobre superfícies r/R=0,24; r/R=0.417; r/R=0,583; r/R=0,75; r/R=0,883. ... 78
Figura 6.2- Planos criados sobre a superfície da pá. ... 78
Figura 6.3- Vetores criados no plano para r/R igual a 0,139 a) Velocidade do vento; b) Componente tangencial da velocidade de rotação; c) Velocidade Relativa ... 80
Figura 6.4- Velocidade relativa no plano colocado em r/R igual a 0,458. ... 80
Figura 6.5- Contorno de pressão no plano referente a r/R igual a 0,458. ... 81
Figura 6.6- Comparação dos Resultados obtidos de forma analítica e de forma numérica. .... 81
Figura 6.7- Campo de velocidade axial no plano do rotor. ... 82
Figura 6.8- Linhas de fluxo atravessando o rotor da turbina. ... 83
Figura 6.9- Vórtices de ponta de pá. ... 83
Figura 6.10- Plano criado no centro do rotor da turbina. ... 84
Figura 6.11- Vista lateral do plano apresentando anteriormente e linhas criadas ao longo do mesmo. ... 85
Figura 6.12- Velocidade da massa de ar em diferentes locais do volume de controle. ... 86
Figura 6.13- Razão entre velocidade v e velocidade inicial do escoamento v0 para diversos planos ao longo do volume de controle. ... 87
Figura 6.14- Isosuperfície para Velocidade no eixo x de 7 m/s. ... 87
Figura 6.15- Variação do diâmetro da seção transversal da esteira. ... 88
Figura 6.16- Variação da área da seção transversal da esteira aerodinâmica. (Hansen, 2008) 89 Figura 6.17- Gradiente da Velocidade "u" em relação a Y ... 89
Figura 6.18- Linhas de fluxo, em um plano transversal, passando pelo rotor e difusor. ... 91
Figura 6.19- Escoamento sobre um bocal e um difusor. a) Bocal b). Difusor. (Fonte: Ohya, 2008) ... 91
Figura 6.20- Gradiente de pressão ao longo de um plano transversal ao rotor. ... 92
Figura 6.21- Contorno de velocidade ao longo de um plano transversal ao rotor envolto pelo difusor. ... 93
vi
Figura 6.23- Contorno de Velocidade "u" para o rotor sem difusor. ... 94
Figura 6.24- Contorno de Velocidade "u" para rotor com difusor. ... 94
Figura 6.25- Comparação das velocidades relativas por seção. ... 96
Figura 6.26- Vórtices gerados para um valor de 7x107s-2 do critério Q. ... 97
Figura 6.27- Variação dos vórtices com a diminuição do valor do critério Q. a)181.589s-2, b) 45.397s-2, c) 453,97s-2, d) 4,54 s-2. ... 98
Figura 6.28- Variação dos vórtices com a diminuição do valor do critério Q para o caso sem difusor. a)181.589s-2; b) 45.397s-2; c) 453,97s-2; d) 4,54 s-2. ... 99
Figura 6.29- Fluxo sobre a superfície da pá do rotor envolto pelo difusor flangeado... 100
Figura 6.30- Gradientes de pressão da seção transversal da pá do rotor com difusor. ... 101
Figura 6.31- Linhas de fluxo sobre a superfície da pá após o aumento da velocidade de rotação. ... 102
Figura 6.32- Velocidade u no plano do rotor para velocidade de rotação de 9,65 rps. ... 103
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 5-1- Variáveis de entrada utilizadas ... 63
Tabela 5.2- Dados obtidos com o algoritmo... 67
Tabela 6-1- Valores da velocidade relativa (𝑤) obtidos com o algoritmo. ... 77
Tabela 6-2- Valores da velocidade relativa obtidos através da análise numérica. ... 79
viii LISTA DE SÍMBOLOS
A Área
p+ Pressão Máxima Δp Variação de Pressão
pestagnação Pressão de Estagnação
V Velocidade p Pressão ρ Massa Específica E Empuxo 𝑚̇ Vazão Mássica P Potência
a Fator de Indução Axial a’ Fator de Indução Tangencial CP Coeficiente de Potência CE Coeficiente de Empuxo w Velocidade Relativa
Δw Variação da Velocidade Relativa v Velocidade Axial
u Velocidade Tangencial
b Largura da Seção Transversal da Pá c Corda da Seção Transversal da Pá FL Força de Sustentação
FD Força de Arrasto
CL Coeficiente de Sustentação CD Coeficiente de Arrasto α Ângulo de Ataque
θ Ângulo Entre a Corda do Perfil e o Plano do Rotor ø Ângulo Entre a Velocidade Relativa e o Plano do Rotor
ix
ω Velocidade Angular
r Distância Radial do Eixo do Rotor dq Fluxo de Massa do Elemento Anelar dr Espessura do Elemento Anelar
λ Razão de Velocidade de Ponta B Número de Pás do Aerogerador
T Torque
Cx Coeficiente Adimensional da Força Normal Cy Coeficiente Adimensional da Força Tangencial σ Ângulo de Solidez
F Fator de Perda de Ponta K Correção de Glauert
ui Componente da Velocidade nas Direções Ortogonais xi Coordenada Espacial t Tempo μ Viscosidade Dinâmica SM Termo Fonte ∅ ̅ Média da Variável ∅′ Flutuação da Variável ∅ Variável 𝜏𝑖𝑗 Tensor de Reynolds
𝜀 Dissipação por Unidade de Massa k Energia Cinética Turbulenta
σk Coeficiente de Fechamento Calibrado 𝑁(𝑈𝑖) Operador Navier – Stokes
𝛿𝑖𝑗 Delta de Kronecker
y+ yplus
u* Velocidade de Atrito 𝜏𝑤 Tensão de Cisalhamento
x Ai Vetor Normal a Face
fi Vetor Centroide de Cada Célula até o Centro da Face
ci Vetor do Centroide da Célula até o Centroide da Célula Adjacente
Q Critério Q
Ω𝑖𝑗 Campo Vortical
𝑆𝑖𝑗 Tensor Taxa de Deformação n Velocidade de Rotação em nps
xi SUMÁRIO
RESUMO ... I
ABSTRACT ... II
LISTA DE FIGURAS ... III
LISTA DE TABELAS ... VII
LISTA DE SÍMBOLOS ... VIII
1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1. OBJETIVOS ... 5 1.1.1. OBJETIVO GERAL... 5 1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 5 1.2. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 5 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFIA ... 7 3. ENERGIA EÓLICA ... 15
3.1. ORIGEM DOS VENTOS ... 15
3.2. HISTÓRIA DA ENERGIA EÓLICA ... 17
3.3. ENERGIA EÓLICA NO MUNDO ... 21
3.4. ENERGIA EÓLICA NO BRASIL E NO RIO GRANDE DO NORTE ... 23
4. AEROGERADORES ... 26
4.1. TIPOS DE AEROGERADORES ... 26
4.1.1. TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL ... 27
4.1.2. TURBINAS EÓLICAS DE EIXO HORIZONTAL ... 28
4.2. PRINCIPAIS COMPONENTES DOS AEROGERADORES ... 29
xii
4.2.2. NACELE ... 31
4.2.3. PÁS E CUBO ... 32
4.3. TURBINAS EÓLICAS COM DIFUSOR ... 32
4.4. AERODINÂMICA DE AEROGERADORES... 33
4.4.1. ENERGIA PRESENTE NO VENTO... 33
4.4.2. COEFICIENTE DE BETZ ... 39
4.4.3. TEORIA DOS AEROFÓLIOS ... 41
4.4.4. ÂNGULO DE PITCH E COMPRIMENTO DE CORDA ... 43
4.4.5. PROJETO DAS PÁS EMPREGANDO A TEORIA BLADE ELEMENT MOMENTUM (BEM) ... 49
4.5. A FERRAMENTA NUMÉRICA ... 54
4.5.1. EQUAÇÕES GOVERNANTES ... 56
4.5.2. MODELO 𝒌 − 𝜺 ... 59
5. METODOLOGIA ... 63
5.1. PROJETO DO ROTOR DA TURBINA EÓLICA ... 63
5.2. MODELAGEM TRIDIMENSIONAL DO AEROGERADOR ... 65
5.3. VOLUME DE CONTROLE E DISCRETIZAÇÃO DO DOMÍNIO ... 68
5.4. CONDIÇÕES DE CONTORNO PARA SIMULAÇÃO ... 74
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 76
6.1. RESULTADOS ANALÍTICOS E NUMÉRICOS ... 76
6.2. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS APÓS A UTILIZAÇÃO DO DIFUSOR FLANGEADO ... 90
7. CONCLUSÃO ... 105
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 107
1 1. INTRODUÇÃO
Apesar da diminuição da intensidade do comércio mundial em cenários de crise econômica, estimativas apontam que existe uma expectativa de crescimento na demanda de energia elétrica. Tais estimativas podem ser encontradas em estudos como o da Empresa de Pesquisa Energética - EPE (2015), sobre a projeção da demanda de energia elétrica brasileira para os anos de 2015 até 2024. No estudo levaram-se em consideração as indicações do acompanhamento, da análise do mercado e da conjuntura econômica e energética de 2014, além de um possível cenário macroeconômico para 2024 juntamente com cenários demográficos e premissas de conversão de energia. Assim, prevê-se um aumento de consumo de cerca de 4,1% ao ano entre 2015-2024.
Esse possível crescimento de demanda é causa de preocupação, visto que o aumento do consumo de energia geralmente implica na utilização de combustíveis fosseis e outras fontes de energia que trazem malefícios ao meio ambiente. Diante dessa problemática a utilização de fontes de energias renováveis e limpas surge como solução.
As fontes de energias renováveis têm sido cada vez mais utilizadas, e esse aumento é ainda mais perceptível no Brasil. O Ministério de Minas e Energia (2016), no Boletim Mensal dos Combustíveis Renováveis referente ao mês de agosto do ano de 2016, apresenta como destaque a notícia do crescimento do consumo de energia oriunda de fontes renováveis. Os dados apontam que, no caso da eletricidade, houve um avanço da participação de fontes renováveis na matriz energética Brasileira. Esse aumento é a explicação para a queda na conversão térmica a base de derivados de petróleo. Além disso, o incremento da conversão à base de biomassa e eólica compensou a redução de 3,2% da energia hidráulica. No caso da conversão de energia eólica, atingiu-se 216 TWh, ultrapassando a conversão nuclear em 2015.
No cenário mundial existe margem para crescimento da utilização da energia eólica, o que pode ser visto através da Figura 1.1, onde a estimativa do potencial eólico mundial é apresentada.
2 Figura 1.1- Estimativa do potencial eólico mundial. (Fonte: Grubb e Meyer, 1993)
Quanto ao cenário Brasileiro existe uma certa divergência entre os valores corretos do potencial eólico. Segundo a ANEEL (2015) essa divergência decorre principalmente da falta de informações (dados de superfícies) e das diferentes metodologias empregadas por cada especialista que realiza esse tipo de estudo. Mesmo assim, é possível obter uma estimativa já que, segundo a ANEEL (2015), a maioria dos estudos indica valores maiores que 60 GWh/ano. Amarante, Zack, e Sá (2001), realizaram o levantamento do potencial eólico instalável brasileiro e chegaram a um valor total de aproximadamente 143 GW, o que geraria uma conversão de cerca de 272,20 TWh/ano. A distribuição desse potencial por região é apresentada na Figura 1.2.
Ao analisar a Figura 1.2 é possível destacar o potencial eólico da região Nordeste, visto que se trata da região com maior potencial, cerca de 53% do potencial do país inteiro. Segundo o Centro de Estratégias em Recursos Naturais e Energia – CERNE (2016), o Rio Grande do Norte é o segundo estado com maior número de projetos para leilão eólico no Brasil. Dos 1.260 projetos que somam 35.147 MW de potência habilitável entre os 14 estados, o RN tem 281 projetos que vão gerar um aumento de potência instalada de 7.195 MW, atrás da Bahia com 350 projetos e aumento de 9.535 MW de energia.
3 Figura 1.2- Potencial eólico estimado para vento médio anual igual ou superior a 7,0 m/s.
(Fonte: Amarante, Zack e Sá, 2001)
É denominada de energia eólica a energia cinética das massas de ar em movimento (vento). O aproveitamento dessa energia acontece por meio da conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação, através do emprego de turbinas eólicas para a conversão em eletricidade, ou cataventos (ou moinhos), para trabalhos mecânicos. Entre os diversos aerogeradores utilizados na conversão da energia eólica, destacam-se aqui aqueles que são empregados com a finalidade de fornecer energia elétrica, como os de eixo vertical (Darrieus), e aqueles de eixo horizontal.
Assim, devido à demanda crescente de energia, e consequentemente da conversão de energia eólica, existe a necessidade do aperfeiçoamento nos projetos dos aerogeradores, visando um aumento de sua eficiência. Para a realização de estudos de aerogeradores é necessário a construção de protótipos e a realização de vários testes para chegar a uma otimização. Para mensurar as características aerodinâmicas de um determinado corpo, faz-se necessária a construção de túneis de vento instrumentados e apropriados. Devido as grandes
4 dimensões dos aerogeradores, esse tipo de ensaio torna-se inviável economicamente na realidade econômica do Brasil.
Uma alternativa às técnicas experimentais é a utilização da simulação numérica empregando softwares, que utilizam as técnicas de CFD (Computational Fluid Dynamics), podendo inclusive servir como uma ferramenta para a otimização desses projetos. Quando bem utilizados, possibilitam a obtenção de soluções confiáveis das equações que regem a dinâmica dos fluidos, propiciando a previsão dos esforços e características oriundas do escoamento do ar sobre os aerogeradores. A utilização da simulação numérica diminui a necessidade da construção de diversos protótipos, da realização de vários testes e de altos recursos financeiros. A literatura na área menciona que um maior aproveitamento da energia presente no vento é possível, através da utilização de difusores colocados de forma a envolver o aerogerador. Segundo Hansen (2008) é possível exceder o limite Betz ao utilizar um difusor para envolver o rotor de uma turbina eólica. O mesmo promove um gradiente negativo de pressão entre as partes frontal e traseira do aerogerador, tendo como consequência um aumento na quantidade de ar que passa pelo rotor a uma maior velocidade, permitindo, assim, que uma maior potência seja convertida. Pode-se dizer que estes dispositivos funcionariam como um concentrador de energia eólica. Hansen (2008) também afirma que o aumento da potência convertida vai depender da forma do difusor, já Ohya (2008), através de experimentos, afirmou que com a geometria correta de difusor é possível aumentar a conversão de energia em quatro ou até cinco vezes.
O presente trabalho realizará a comparação do desempenho de um gerador com difusor e do mesmo aerogerador sem o difusor, através da utilização de simulações numéricas, empregando CFD. Buscando analisar como a utilização do difusor altera o escoamento em contato com o rotor da turbina, e como essas alterações influenciam na eficiência dos aerogeradores.
Para isso será utilizado o método Blade Element Momentum (BEM) para realizar o projeto aerodinâmico da turbina eólica que será estudada. Segundo Gomez-Leon (2016), o BEM se baseia na premissa de que as forças que atuam sobre as pás da turbina eólica são as únicas responsáveis pela mudança de impulso axial do ar que passa pela área varrida das pás. A análise do BEM é uma combinação da teoria dos elementos da pá e da teoria do momento. Com isso as forças aerodinâmicas podem ser calculadas com base nas condições do fluxo local
5 possibilitando assim o cálculo das forças totais. Através desses cálculos é possível chegar a parâmetros importantes do projeto.
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. OBJETIVO GERAL
O presente trabalho tem como objetivo comparar o desempenho de um aerogerador sem difusor e do mesmo aerogerador envolto por um difusor, através de simulações numéricas, utilizando software e técnicas de CFD.
1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
x Projetar e modelar o aerogerador com e sem intensificadores de potência;
x Determinar as potências convertidas nos aerogeradores com e sem intensificador; x Verificar se os parâmetros adotados pelos procedimentos de projeto são coerentes; x Verificar as características dos escoamentos;
x Identificar o aparecimento de vórtices e o diâmetro da esteira.
1.2. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
No capítulo 2 são apresentados estudos que foram realizados e que abordam temas afins aos apresentados nesse trabalho, como: projeto de aerogeradores, simulações numéricas , estudo de esteira aerodinâmica dos mesmos e outros.
Já no capítulo 3 a energia eólica é apresentada. Começando pela sua origem, passando por toda a sua história e chegando até aos cenários mundial, brasileiro e norte rio grandense de instalação e conversão de energia eólica.
No capítulo 4 é feita uma apresentação da ferramenta utilizada para conversão eólica-elétrica, o aerogerador. São apresentados os tipos de aerogeradores, seus principais componentes, da aerodinâmica dos mesmos, do seu projeto através da metodologia Blade
Element Momentum (BEM). Logo após, é apresentada uma explicação da ferramenta numérica
6 Os capítulos seguintes (5,6 e 7) apresentam, respectivamente a metodologia utilizada no trabalho, os resultados obtidos e suas discussões e as conclusões finais.
7 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFIA
Os projetos e análises de turbinas eólicas são complexos, por isso diversos estudos foram realizados, a fim de buscar formas de aprimorar esses projetos e suas respectivas análises.
O projeto aerodinâmico das pás envolve um equacionamento extenso, além de um processo iterativo, de forma que é quase impraticável realizar esse trabalho de forma manual. Pensando nisso, Almeida (2013) desenvolveu um software, em linguagem C++, capaz de fornecer todos os dados geométricos necessários para construção de pás de um aerogerador. Além de dados geométricos, esse software fornece algumas análises, como curva de potência, possíveis perdas, distribuição de cargas ao longo das pás, entre outros dados.
Existe outro software, que utiliza o BEM como método de análise de projetos aerodinâmicos de pás para aerogeradores. Essa ferramenta foi originada a partir da tese de doutorado de Weinzierl (2011). O software desenvolvido por Weinzierl é capaz de realizar, além das análises de eficiência, a análise aeroelástica do aerogerador e trata-se de uma extensão de um software, bastante difundido, conhecido como Q-Blade®.
A medida que softwares e algoritmos para projeto aerodinâmico de turbinas eólicas foram sendo desenvolvidos, a fase do projeto inicial tornou-se mais simples e rápida. O problema que permanece são os testes, visto que os mesmos são essenciais para um bom funcionamento do protótipo final, mas exigem um alto custo financeiro. Uma solução para diminuir a quantidade de testes experimentais realizados é a utilização de simulações numéricas, as quais são capazes de predizer o funcionamento dos protótipos.
Carcangiu (2008) tinha como objetivo entender melhor o comportamento do fluxo de ar que passava pelo rotor de turbinas eólicas, incluindo a camada limite e a região da esteira. Para isso o mesmo simulou numericamente, em regime permanente, o modelo 3D de um aerogerador. As simulações foram realizadas utilizando o método dos volumes finitos através do software Fluent. Inicialmente foi feita uma validação dos métodos computacionais, através da comparação do resultado de potência de saída obtido com o método Blade Element
Momentum. Após a validação, resultados de diversos parâmetros (análise da esteira, da
vorticidade de ponta de pá, efeito da rotação e etc.) foram obtidos e analisados. Ao final pôde-se concluir que a abordagem CFD-RANS para simulação 3D de aerogeradores chegou a resultados próximos aos encontrados na literatura.
8 Hartwanger e Horvat (2008) em seu trabalho tratam da parte inicial de um projeto, os mesmos pretendiam desenvolver uma metodologia prática de engenharia para a utilização de CFD na avaliação da instalação de diversas turbinas. Para isso utilizaram dados de um experimento aerodinâmico, conduzido pelo Laboratório Nacional de Energias Renováveis dos Estados Unidos, para validação de uma análise 2D da seção de uma pá. Logo após os resultados obtidos foram utilizados para construção de um modelo 3D, que também foi analisado através do CFD. Os autores chegaram à conclusão de que com uma malha refinada o suficiente, é possível chegar a resultados próximos dos experimentais. Os autores também concluíram que é preciso tomar cuidado em casos de alta velocidade do vento, visto que nesse caso os resultados tendem a divergir dos resultados experimentais.
Para dar início ao projeto de um aerogerador é essencial saber o perfil aerodinâmico que será utilizado para construção das pás. Pensando nisso, Santos (2012) realizou a simulação numérica de perfis aerodinâmicos, frequentemente aplicados nos projetos, utilizando dois
softwares diferentes, o EasyCFD_Ge o ANSYS Fluent, a fim de avaliar a eficiência do método
dos volumes finitos implementados nos mesmos. Para isso o autor simulou casos, para diversos números de Reynolds, dos perfis NACA 0012 e 0018. O mesmo chegou à conclusão de que para cada caso existe um software que apresenta melhores resultados. No caso do NACA 0018, o modelo SST e o modelo 𝑘 − 𝜀, aplicado no EasyCFD_G, apresentam os melhores resultados. Já no caso do NACA 0012, o modelo SST, aplicado ao ANSYS Fluent, apresentou resultados mais próximos dos resultados experimentais.
Wenzel (2010), realizou o estudo de esteiras de turbinas eólicas de eixo horizontal. Um modelo de turbina eólica, com 10m de diâmetro, conhecida como UAE Phase VI, foi utilizado na realização do trabalho. Simulações numéricas foram conduzidas, empregando RANS com modelo de turbulência SST. Um domínio de 270m de extensão foi adotado e malhas poliédricas foram utilizadas na discretização. Foram utilizados métodos analíticos e simulação numérica para modelagem da esteira. Os resultados da simulação foram comparados aos resultados experimentais, obtidos através de testes em túnel de vento. Concluiu-se que a metodologia adotada para simulação numérica apresentou uma boa concordância com os resultados experimentais e que o modelo de viscosidade turbulenta foi o que mais se aproximou dos resultados obtidos numericamente.
Ainda em 2012, Davis conduziu um trabalho com diversos estudos. O primeiro estudo foi sobre a aplicabilidade de modelos de turbulência para a modelagem de aerogeradores. Para
9 isso o autor utilizou diversos modelos de turbulência (Spalart-Allmaras, Standard k-ε, Standard
k-ω, SST), que atendem ao RANS. Com isso foi possível descobrir que não existe um modelo
de turbulência predominante para modelagem de aerogeradores. Em um segundo momento, o autor utilizou o modelo SST para simular a esteira de uma única turbina e depois realizou a simulação de duas turbinas eólicas alinhadas. Com isso o autor pôde concluir que as simulações foram bem-sucedidas na determinação do desenvolvimento da esteira e de algumas características da mesma, como: variações da velocidade e vorticidade. Em um terceiro momento o autor realizou um estudo de independência de malha a fim de melhorar os resultados anteriormente obtidos.
Zarmehri (2012) utilizou a teoria dos vórtices para analisar as cargas aerodinâmicas de uma turbina eólica. Baseado nessa teoria, um programa gráfico foi desenvolvido para utilização nas indústrias. O mesmo exige dados do perfil aerodinâmico para cada seção da pá da turbina, e para isso o EARSM (Explicit Algebraic Reynolds Stress Model) associado a um modelo de transição, foram implementados ao programa. Um gerador de malha também foi incorporado ao programa para prover malhas de alta qualidade às simulações numéricas. A fim de avaliar os resultados obtidos, os mesmos foram comparados aos resultados de simulações realizadas no software ANSYS-CFX. Pôde-se observar que o programa apresentava uma precisão aceitável, e como exigia um baixo custo computacional poderia ser utilizado como uma possível ferramenta de projeto.
Um outro trabalho envolvendo simulações numéricas foi o de Tossas e Leonardi (2013) onde não só foi feita a análise de eficiência de aerogeradores, como também foi estudado a interação entre aerogeradores em parques eólicos. Ou seja, como a esteira aerodinâmicas gerada pelos mesmos pode influenciar no desempenho de outros aerogeradores que se encontram próximos. Para isso os autores utilizaram o modelo da linha atuadora (Actuador Line Model - ALM), e compararam os resultados obtidos através da simulação numérica com resultados obtidos através de experimentos, realizados pelo Departamento de Energia e Engenharia de Processo na Universidade de Ciência e Tecnologia da Noruega. Os autores concluíram que as simulações numéricas proveram resultados bem próximos do experimentais, validando assim o modelo utilizado.
Derakshan e Tavaziani (2015) simularam o fluxo que atravessa a pá de aegeradores utilizando três modelos de turbulência diferentes: Spalart-Allmaras, k-ε e SST. Os autores tinham como objetivo investigar a eficiência de cada um dos modelos para análise aerodinâmica
10 de pás de aerogeradores. Para realizar tais análises os autores utilizaram o rotor NREL Phase VI e compararam com os resultados experimentais já obtidos. No final do estudo puderam concluir que o SST era o mais adequado, mas que o k-ε também apresentava resultados satisfatórios.
Bhushan e Histesh (2015) realizaram um estudo, utilizando CFD, buscando investigar o comportamento das forças de sustentação e arrasto, da pá de um aerogerador, com a variação do número de Reynolds e do ângulo de ataque da mesma. O perfil NACA 0012 foi o utilizado para o projeto da pá. O intervalo de número de Reynolds analisado foi de dez mil até oitocentos mil, os autores ainda utilizaram uma malha do tipo C-Grid e o modelo de turbulência escolhido para as simulações foi o 𝑘 − 𝜀. Chegaram à conclusão de que com o aumento do número de Reynolds a força de sustentação e de arrasto também aumentam e que o NACA 0012 chega a um coeficiente de sustentação máximo em maiores valores de Reynolds.
Sahu e Rathore (2015) analisaram, através de simulações numéricas, como o torque de uma turbina eólica de 1,5 MW responderia a uma baixa velocidade do vento. Para isso a pá da turbina foi projetada, utilizando três perfis de alta eficiência aerodinâmica, e com cordas e ângulos de pitch diferentes para cada uma das 20 seções nas quais foi dividida. Em seguida o
software ANSYS FLUENT foi utilizado para realização das simulações numéricas. Utilizou-se
uma velocidade de vento de 3,9 m/s, para uma turbina de 3 pás. A análise mostrou que a turbina é capaz de produzir um torque suficiente mesmo com uma velocidade de vento de 3,9 m/s. Concluindo que a turbina era capaz de operar em um ambiente que apresentasse condições como essa.
Salyers (2016) realizou os testes experimentais de seis turbinas diferentes, de eixo vertical, de forma experimental, através de um túnel de vento, e através de simulações numéricas. A modelagem dos rotores foi feita através de um software CAD e devido à complexidade dos modelos, os rotores foram impressos, através de impressoras 3D, para realização de testes experimentais. Para os testes experimentais um túnel de vento foi utilizado, e nas simulações numéricas o software ANSYS Fluent foi empregado. O autor avaliou diversos parâmetros e comparou os resultados numéricos e experimentais. Através dos resultados obtidos com os testes realizados o autor chegou à conclusão de que os valores obtidos nos dois tipos de testes foram muito próximos e que a turbina eólica de eixo vertical helicoidal com duas pás apresentava o maior coeficiente de potência.
11 Nigam, Tenguria e Pradhanb (2017) utilizaram simulações numéricas como ferramenta para a análise aerodinâmica da pá de um aerogerador. O modelo SST foi utilizado para as simulações e o perfil aerodinâmico NACA 63-221 foi escolhido para o projeto da pá, a mesma tinha um comprimento de 39,98 metros, e teve as pás do modelo VESTAS V82-1.65 MW como inspiração. As forças de sustentação e arrasto foram calculadas para diversos ângulos de ataque. Ao final do desenvolvimento do trabalho concluiu-se que, para um dado intervalo de ângulo de ataque, a força de sustentação e de arrasto aumentam. Além disso observou-se que a pressão no intradorso do perfil aerodinâmico é maior do que a pressão no extradorso e que a velocidade é maior no extradorso.
Bangga et al. (2017) conduziram estudos onde técnicas CFD foram empregadas para realizar a simulação numérica da pá de uma turbina eólica AVATAR (Advanced Aerodynamic
Tools for Large Rotors). Para isso simulações preliminares do perfil aerodinâmico, utilizado
para o projeto da pá, foram executadas e os resultados obtidos foram comparados com os resultados encontrados na literatura. Simulações numéricas das pás foram realizadas em seguida, onde foram simulados cinco valores de velocidade do vento e cinco ângulos de ataques diferentes. Observou-se que as simulações 3D apresentam diferenças quando comparadas com as simulações 2D, visto que nas simulações 2D a vorticidade não é levada em consideração. Além disso, percebeu-se que com o aumento da velocidade de rotação do rotor o efeito da força de Coriolis diminui.
Hasan, El-Shahat e Rahman (2017) realizaram um estudo comparativo, entre os resultados obtidos analiticamente através do método Blade Element Momentum e simulações numéricas, de turbinas eólicas de pequena escala. Nesse estudo o ângulo de Pitch foi considerado fixo, e a velocidade de rotação foi variada. Além disso foram utilizados três perfis aerodinâmicos diferentes para o projeto da pá. A aplicação do Blade Element Momentum foi feita através da utilização do software Q-Blade® e as simulações numéricas foram realizadas através do ANSYS CFX. Através do estudo, concluiu-se que o ângulo de ataque que forneceu a melhor eficiência foi 6°, onde na análise do BEM o coeficiente de potência foi de 0,47 e nas simulações numéricas foi de 0,43.
Quando se trata de engenharia, existe sempre a busca de otimização de projetos, isso não foi diferente nos projetos de aerogeradores. Com o passar do tempo buscaram-se formas de aumentar a eficiência dos protótipos. A potência de saída de uma turbina eólica depende
12 diretamente do cubo da velocidade, ou seja, com o aumento da velocidade da massa ar, ocorreria o aumento da potência e pensando dessa forma surgiram alguns novos estudos.
Lilley e Rainbird (1956) realizaram um estudo preliminar sobre o ganho teórico de potência de saída ao adicionar um envoltório em uma turbina eólica convencional. Os mesmos utilizaram resultados de estudos analíticos para realizar a comparação das potências de saída de uma turbina envolta e outra convencional (sem o envoltório). A ideia era utilizar o envoltório para criar um gradiente de pressão e consequentemente aumentar a velocidade da massa de ar que passa pelo rotor. Os mesmos chegaram à conclusão de que uma turbina envolta poderia chegar a ter uma potência de saída até 65% maior que a potência de uma turbina ideal sem o envoltório.
Seguindo essa mesma ideia, Gilbert et al.(1978) realizaram testes com uma família de difusores, utilizando um túnel de vento, a fim de avaliar o desempenho dos mesmos. Foram analisados diversos parâmetros que poderiam influenciar no desempenho de difusores, além disso chegou-se a uma geometria de difusor que poderia aumentar em até duas vezes a potência de saída quando comparada a uma turbina convencional.
Gilbert (1983) ainda conduziu um outro estudo com turbinas envoltas por difusor (Diffuser-Augmented Wind Turbine- DAWT) onde procurou formas de tornar o modelo da turbina mais condizente com a realidade. O autor estudou fatores como os vórtices gerados e a influência do cubo no escoamento do rotor. Mesmo com um modelo que não era completamente adequado bons resultados foram obtidos, conseguiu-se aumentar a potência de saída em quase quatros vezes, quando comparada com a mesma turbina sem difusor. Os testes foram realizados em um túnel de vento 2x3 m.
Diversos outros trabalhos, sobre a utilização do difusor em turbinas eólicas, foram conduzidos desde então. Ohya (2008) conduziu um trabalho sobre a utilização de difusores flangeados em turbinas eólicas, onde diversas formas de envoltórios foram testadas a fim de descobrir qual apresentaria uma melhor performance. Foram elas: tipo bocal, tipo cilíndrico e tipo difusor. Nesse primeiro momento, o autor chegou à conclusão que o tipo difusor era responsável por uma maior otimização da performance da turbina. Além disso, ainda se descobriu que a utilização do difusor com flange apresentava resultados ainda melhores. Por fim o autor ainda conduziu um estudo sobre as dimensões que otimizariam a utilização desse protótipo, e concluiu que a utilização de difusores flangeados com dimensões otimizadas,
13 poderia ser responsável por potências de saída até quatro vezes maiores, quando comparada a potência de saída de aerogeradores sem difusor.
Softwares CFD também foram utilizados para a análise da eficiência de difusores, como
é o caso de Souza (2015), que realizou simulações numéricas baseadas no trabalho de Ohya (2008). Nesse trabalho o autor buscou comprovar que os modelos numéricos utilizados em
softwares CFD apresentam resultados válidos quando comparados com os testes experimentais.
O autor utilizou uma modelagem 3D do rotor da turbina, através de um software CAD, e para a simulações numéricas o software ANSYS CFX junto com o modelo SST. O mesmo concluiu que os valores obtidos através das simulações numéricas eram próximos aos obtidos através dos testes experimentais, além de conseguir captar os vórtices formados a jusante do difusor e o aumento da potência de saída do aerogerador.
Já no trabalho de Ahmed, Ahmed e Hussain (2016) um difusor flangeado, foi analisado através de um software CFD. O trabalho tinha como objetivo determinar a diferença de pressão que ocorre pela utilização do flange. Ao termino do trabalho foi possível comprovar que um difusor flangeado é capaz de gerar um aumento do fluxo de ar que passa pelo rotor além de um aumento de velocidade desse fluxo, que são causados por um gradiente de pressão negativo. Os resultados obtidos por Ohya (2008) foram utilizados para validar os resultados do trabalho de Ahmed, Ahmed e Hussain (2016).
Kesby, Bradney e Clausen (2016) propuseram um método para otimização de turbinas envoltas por difusor, onde o CFD foi utilizado para prever como se daria o escoamento sobre o difusor. Duas velocidades do vento foram simuladas: 5 m/s e 20 m/s. Uma metodologia modificada do Blade Element Momentum foi utilizada para otimizar o projeto da pá e para estimar a potência de saída da turbina envolta pelo difusor, para tal um algoritmo foi implementado no software MATLAB®. O trabalho tinha como objetivo comparar os resultados obtidos, através dessa metodologia, com os resultados encontrados na literatura e verificar se os mesmos eram compatíveis. Ao comparar os resultados percebeu-se que os mesmos eram similares.
El-Zahaby et al. (2017) analisaram um modelo 2D de um difusor flangeado, utilizado como ferramenta para aumento de potência de saída em turbinas eólicas. Foram testados diversos ângulos para o posicionamento do flange. O intervalo testado foi de -25° até 25°, buscando encontrar a angulação que poderia otimizar o ganho de potência. A validação do
14 trabalho ocorreu através da comparação dos resultados obtidos através da simulação numéricas com os resultados experimentais previamente obtidos. Chegou-se à conclusão de que 15° era o ângulo ótimo para o posicionamento do flange e que isso poderia aumentar em cerca de 5% a potência de saída da turbina eólica.
É possível perceber que diversos estudos já foram realizados e que muitos outros trabalhos ainda estão sendo realizados a fim de entender todo o processo necessário para alcançar um melhor rendimento das turbinas eólicas.
15 3. ENERGIA EÓLICA
3.1. ORIGEM DOS VENTOS
Antes de abordar o assunto da energia eólica, torna-se necessário entender como surge a sua principal fonte, o vento. Christopherson (2012) define genericamente o vento como o movimento horizontal do ar sobre a superfície do planeta, acrescentado por correntes ascendentes e descendentes causadas pela turbulência, além de uma componente vertical.
Segundo Lutgnes e Tarbuck (2013) a diferença de temperatura pode gerar um gradiente de pressão horizontal criando assim os ventos. Como a terra possui um formato esférico a radiação chega na sua superfície de forma desigual. Enquanto as regiões mais próximas ao equador recebem uma quantidade maior de radiação, as regiões mais próximas dos polos recebem uma quantidade menor, cria-se então o gradiente de temperatura, necessário para dar início a formação dos ventos.
Como as regiões próximas ao equador recebem maior quantidade de radiação, o ar nessas regiões terá uma temperatura maior, e menor massa específica. Essa diferença na massa específica e a presença do campo gravitacional promove o deslocamento das parcelas de ar mais leves para a atmosfera mais alta e direciona-se para os polos. Já nas regiões próximas aos polos, que possuem ar com menor temperatura e consequentemente com maior massa específica, direciona-se para região do equador. A Figura 3.1 ilustra esse movimento.
Segundo Christopherson (2012) se a Terra não tivesse o movimento de rotação, o fluxo de vento seria simplesmente dos polos ao equador, um fluxo meridional (alinhado as linhas longitudinais), causado unicamente pelo gradiente de pressão. Mas como o movimento de rotação é uma realidade, o fluxo torna-se mais complexo.
Raramente a massa de ar se movimenta em ângulos retos nas direções dos gradientes de pressão, citados anteriormente. Acaba ocorrendo um desvio, como apresentado na Figura 3.2. Esse desvio acontece em virtude da rotação da Terra. Esse fenômeno é conhecido como efeito de Coriolis. Lutgnes e Tarbuck (2013) ainda salientam que o efeito Coriolis não é capaz de gerar vento, apenas capaz de modificar a direção da massa de ar.
16 Figura 3.1-Movimento do ar em uma Terra sem o movimento de rotação. (Fonte: Adaptado de
Lutgnes e Tarbuck, 2013)
Figura 3.2- Ilustração do efeito de Coriolis.(Fonte: Adaptado de Lutgnes e Tarbuck, 2013) Existem ainda outros fatores que podem influenciar na formação do vento, como o eixo de inclinação da Terra, o que é capaz de gerar o ciclo anual de mudanças climáticas. Outros
17 fatores são: a superfície não uniforme do planeta e os diversos tipos de materiais que podem ser encontrados em sua superfície (orgânico, mineral, água, etc.…) que possuem diferentes coeficientes de absorção e reflexão de radiação e influenciam diretamente o gradiente de temperatura.
Figura 3.3- Movimento da massa de ar. (Fonte: Lutgnes e Tarbuck, 2013)
3.2. HISTÓRIA DA ENERGIA EÓLICA
Diante do crescimento da agricultura, principal meio de subsistência de antigamente, surgiu a necessidade de buscar novas formas de auxílio para a realização do trabalho. Para executar tarefas como bombeamento de água e moagem de grãos, naquele tempo, era necessário esforço braçal e/ou animal, como ilustrado na Figura 3.4.
A busca por ferramentas que facilitassem o trabalho pesado levou ao desenvolvimento de uma primeira ideia do que seria um moinho de vento, o mesmo era formado por um eixo vertical, que era ativado por uma haste e era movida por homens ou animais caminhando em uma gaiola circular. Esse sistema acabou sendo aprimorado com a utilização de cursos de água no lugar da força muscular, dando origem a roda d’água. Como os cursos de água não estão sempre disponíveis em todas as localizações, a utilização dos ventos como fonte natural de energia e força motriz surgiu como uma solução.
18 Figura 3.4- Homens e animais trabalhando em conjunto. (Fonte: Rodrigues, 2016)
O primeiro registro histórico da utilização da energia eólica, através de cata-ventos, para o bombeamento de água e moagem de grão teria sido na Pérsia, cerca de 200 a.C. Segundo a CHESF -Companhia Hidrelétrica do São Francisco (1987) acredita-se também que antes da utilização de cata-ventos na Pérsia, a China e o Império Babilônico também teriam utilizado cata-ventos rústicos para irrigação. Nas ilhas gregas do Mediterrâneo foram encontradas velas de sustentação em eixo horizontal, o que é tido como um importante desenvolvimento da tecnologia dos cata-ventos.
Na Europa, a introdução de cata-ventos deu-se no retorno das Cruzadas. Os mesmos foram largamente utilizados, persistiram até o século XII, quando, então, os moinhos de eixo horizontal começaram a ser utilizados em países como Inglaterra, França e Holanda. O novo tipo de moinho, conhecido como moinho de vento de eixo horizontal do tipo “Holandês”, teve sua utilização disseminada em vários países da Europa. A Figura 3.5 ilustra o moinho de vento Holandês.
Segundo Dutra (2008), os moinhos de vento na Europa tiveram uma forte e decisiva influência na economia agrícola por vários séculos. Com o desenvolvimento tecnológico das pás, sistema de controle, eixos etc., o uso dos moinhos de vento propiciou a otimização de várias atividades que utilizavam a força motriz do vento. A Figura 3.6 apresenta os principais marcos no desenvolvimento da energia eólica entre o século XII o século XIX.
19 Figura 3.5- O moinho de vento holandês. (Fonte: Dutra, 2008)
Figura 3.6- Desenvolvimento da energia eólica entre o Século XII o Século XIX. (Fonte: Dutra, 2008)
Durante o intervalo entre os séculos XII e XIX, a Holanda utilizou os moinhos de vento de diversas formas como para produção de óleos vegetais, para a fabricação de papel, para o acionamento de serrarias a fim de processar madeira. Por volta do século XIX já existia cerca de 9.000 moinhos de vento em pleno funcionamento na Holanda.
No final do século XIX ocorreu a revolução industrial, que estabeleceu novas formas de conversão de energia através do surgimento da máquina a vapor. Diante desse novo acontecimento houve um declínio do uso de energia eólica. No caso da Holanda, no início do século XX existiam cerca de 2.500 moinhos de vento em operação, esse número, em 1960, se encontrava em apenas 1.000.
Segundo Shefherd (1994), o início da adaptação dos cata-ventos para conversão de energia elétrica teria acontecido no final do século XIX. Em 1888, Charles F. Bruch ergueu, em Cleveland - Ohio, o primeiro cata-vento que fornecia 12 kW para o carregamento de baterias. Depois, com o avanço da rede elétrica, foram feitas várias pesquisas para o aproveitamento da
20 energia eólica em conversão de grande quantidade de energia. A partir disso diversos países passaram a estudar e pesquisar sobre a conversão da energia eólica em energia elétrica, os mesmos apostaram em diversas tecnologias, novos materiais e novas formas de fabricação a fim de obter projetos de aerogeradores com a melhor eficiência possível.
Segundo Dutra (2008), no Brasil, o primeiro indício da utilização da energia eólica surgiu em 1992, quando se iniciou a primeira operação comercial de um gerador instalado. Essa operação teve origem a partir da parceria entre o Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE) e a Companhia Energética de Pernambuco (CELPE) juntamente com o financiamento do instituto de pesquisa dinamarquês Folke Center. A turbina eólica, de 225 kW, foi instalada em Fernando de Noronha, Pernambuco. A mesma é apresentada na Figura 3.7.
Figura 3.7- Primeira turbina eólica instalada no Brasil. (Fonte: ANEEL, 2015)
Segundo a ANEEL (2015), a turbina apresentada na Figura 3.7, possuía um gerador assíncrono de 75 kW, rotor de 17 m de diâmetro e torre de 23 m de altura. Sua produção de energia correspondia a cerca de 10% da energia consumida na ilha. Já a segunda turbina foi instalada no ano de 2000, entrando em operação em 2001. As duas turbinas chegaram a fornecer cerca de 25% da eletricidade consumida na ilha.
Após esse primeiro experimento com as turbinas eólicas no Brasil, pode-se perceber quão valioso era o vento como fonte de energia e a partir desse momento começaram as instalações de centrais eólicas em diversos estados, tais como Minas Gerais, Ceará, Pernambuco, Santa Catarina, Rio Grande do Norte entre outros.
21 3.3. ENERGIA EÓLICA NO MUNDO
Segundo o relatório anual da Global Wind Energy Council (GWEC) (2016), o ano de 2015 foi um ano sem precedentes para indústria da energia eólica, visto que a marca dos 60 GW de novas instalações foi atingida. No final do mesmo ano o total global de energia eólica no mundo era de 432,9 GW, o que representou um crescimento de mais de 17%, comparado com o ano anterior.
Nos últimos anos, a China foi o país que mais ampliou a capacidade de conversão de energia eólica em elétrica, aumentando a sua capacidade instalada, somente em 2015, em mais de 30 GW. A China aparece como o pais que mais utiliza a conversão eólica elétrica desde 2009.
Ainda em 2015 o número de países com mais de 1 GW de capacidade instalada já eram vinte e seis, incluindo dezessete na Europa, quatro na Ásia, três na América do Norte, um na América Latina (Brasil) e um na África. Os países que tinham mais de 10,0 GW de capacidade instalada já eram oito: a China (145.362 MW), os Estados Unidos (74.471 MW), a Alemanha (44.947 MW), a Índia (25.088 MW), a Espanha (23.025 MW), o Reino Unido (13.603 MW), o Canadá (11.205 MW) e a França (10.358 MW).
Abaixo, nas Figuras 3.8 e 3.9, são apresentados os gráficos dos dez países com maiores capacidades instaladas e acumuladas, respectivamente, em 2015.
É possível observar através dos gráficos que o Brasil vem se destacando quanto à conversão de energia eólica em elétrica. O relatório, de 2016, da GWEC chega a destacar o Brasil como o país mais promissor da América Latina na conversão desse tipo de energia.
22 Figura 3.8- Gráfico mundial de novas instalações para conversão de energia eólica em
2015. (Fonte: GWEC, 2016)
Figura 3.9- Gráfico mundial de capacidade instalada de energia eólica em 2015. (Fonte: GWEC, 2016)
23 3.4. ENERGIA EÓLICA NO BRASIL E NO RIO GRANDE DO NORTE
O Brasil, nos últimos anos, realizou grandes mudanças quanto à utilização de fontes de energia renováveis na sua matriz energética. No ano de 2016, embora a fonte hidrelétrica tenha sido a principal fonte de energia, a biomassa e a energia eólica alcançaram números significativos na matriz energética brasileira.
Segundo os dados mensais publicados pela Abeeólica - Associação Brasileira de Energia Eólica, em novembro de (2016), 7,1% da matriz elétrica Brasileira era composta pela energia eólica, como é apresentado abaixo na Figura 3.10.
Figura 3.10- Matriz Energética Brasileira em novembro de 2016 em GW. (Fonte: Abeeólica, 2016)
Vale salientar que existe a previsão de um aumento na conversão e na utilização de energia eólica no Brasil, tal fato pode ser visto na Figura 3.11. Já os parques instalados podem ser subdivididos em três categorias: os aptos a operar, os que estão operando em teste e os que operam comercialmente. A Figura 3.12 apresenta as subdivisões em cada estado, onde estão os parques eólicos no Brasil.
24 Figura 3.11- Evolução da capacidade instalada da energia eólica no Brasil. (Fonte: Abeeólica,
2016)
Figura 3.12- Subdivisão dos parques, de geração de energia eólica, nos estados do Brasil. (Fonte: Abeeólica, 2016)
Pode-se observar, através dos gráficos apresentados, que o estado do Rio Grande do Norte é, atualmente, o maior responsável pela conversão desse tipo de energia no Brasil.
Segundo o IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), em sua publicação anual, Brasil em Números (2016), quase 80% dos parques eólicos estão concentrados na região Nordeste. O Rio Grande do Norte possui uma posição de destaque ao abrigar mais de 1.400 aerogeradores e mais de 3 GW em potência eólica instalada, cerca de 30% de toda potência
25 eólica instalada no Brasil. Sendo assim o estado com a maior matriz eólica, o estado apresenta, em quase todo o seu território, ventos constantes e de velocidades superiores a 5,0 m/s.
Segundo Grubb e Meyer (1993), para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m2, a uma altura de 50 m, o que requer uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s. Nas Figuras 3.13 e 3.14 pode-se identificar as regiões de velocidade do vento no RN, a 50 m e 100 m de altitude, com potencial de exploração.
Figura 3.13- Velocidade do vento a 50 m de altura. (Fonte: Cosern, 2003)
Figura 3.14- Velocidade do vento a 100 m de altura (Fonte: Cosern, 2003)
Através das imagens apresentadas anteriormente pode-se perceber que o Rio Grande do Norte apresenta diversas áreas com velocidade média de vento suficientes para apresentar conversões de energias significativas, justificando o porquê de o estado ser um dos principais produtores de energia elétrica através da conversão de energia eólica.
26 4. AEROGERADORES
4.1. TIPOS DE AEROGERADORES
Segundo Cao (2011), os aerogeradores são dispositivos capazes de converter a energia cinética do vento em energia elétrica através de um rotor mecânico, um trem de acionamento e um gerador.
Devido à grande disseminação da energia eólica, diversos tipos de turbinas eólicas podem ser encontrados em operação atualmente, em várias regiões e em diversas aplicações.
As turbinas eólicas podem ser classificadas através de diferentes critérios, um deles é quanto à capacidade de geração: de pequeno porte, quando produzem até cerca de 20 kW, de médio porte, quando produzem de 20 a 250 kW e de grande porte quando apresentam uma geração acima de 250 kW.
As turbinas de grande porte não surgiram imediatamente, foram necessários diversos estudos e pesquisas para alcançar o patamar das atuais turbinas eólicas. A Figura 4.1 apresenta a evolução das mesmas durante o tempo.
Figura 4.1- Evolução dos aerogeradores desde 1985 até 2005. (Fonte: IEA, 2013)
27 Uma das formas mais utilizadas para a classificação das turbinas é em termos do eixo ao redor do qual as pás giram. Segundo Pinto (2013), a maioria delas é de eixo horizontal (Horizontal Axis Wind Turbine- HAWT), porém existem algumas cujas pás giram na vertical
(Vertical Axis Wind Turbine- VAWT). Exemplos de turbinas HAWT e VAWT são
apresentados na Figura 4.2.
Figura 4.2- Exemplos de aerogeradores de eixo horizontal (HAWT) e de eixo vertical (VAWT). (a), (b) e (c) representam as turbinas HAWT e (d) e (e) representam as turbinas
VAWT. (Fonte: Coutinho, 2012)
4.1.1. TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL
Como já dito anteriormente, as turbinas de eixo vertical são assim chamadas porque as pás giram em torno de um eixo vertical. Os rotores eólicos verticais eram amplamente difundidos antigamente, e segundo Pinto (2013), a principal vantagem é que os mesmos não precisam de nenhum tipo de controle de ajuste para mantê-los na direção do vento. Também existem desvantagens, e a principal é que as pás destas turbinas ficam relativamente próximas ao solo, o que leva a um menor aproveitamento do vento, visto que as velocidades próximas ao solo são menores e a potência das turbinas eólicas aumenta com o cubo da velocidade. Próximo ao solo o vento também apresenta uma maior turbulência o que resulta em maiores perdas aerodinâmicas. Exemplos dos diversos tipos de turbinas eólicas de eixo vertical são apresentados na Figura 4.3, a seguir.
28 Figura 4.3- Tipos de turbinas de eixo vertical: (a) Darrieus; (b) Savonius; (c) Solarwind; (d)
Helicoidal; (e) Noguchi; (f) Maglev (g) Cochrane. (Fonte: Tong, 2010)
4.1.2. TURBINAS EÓLICAS DE EIXO HORIZONTAL
As turbinas eólicas de eixo horizontal são aquelas em que as pás do rotor giram em torno de um eixo horizontal. Pode-se dizer que a grande maioria das turbinas eólicas comerciais atualmente empregadas para a conversão eólica/elétrica, são de eixo horizontal.
Esse tipo de turbina também apresenta vantagens e desvantagens. As vantagens são a maior eficiência, quando comparadas a turbinas eólicas de eixo vertical, grande potência, e um menor custo por unidade de conversão de energia. As mesmas podem ser subdivididas de acordo com a configuração do rotor da turbina em relação à direção do escoamento de vento, sendo classificadas em upwind e downwind. As mais utilizadas nos dias atuais são as upwind, na qual o vento passa primeiro pelas pás do rotor da turbina e depois pelos demais componentes. A vantagem desse tipo de turbina é o fato de evitar a distorção do escoamento que seria causada
29 pela passagem do escoamento pela nacele, que é componente dos aerogeradores responsável por abrigar itens mecânicos (caixa de engrenagem, gerador e etc.).
Na turbina do tipo downwind o escoamento passa primeiro pela nacele e pela torre (componentes da turbina) para depois passar pelas pás do rotor. Essa configuração permite que as pás do rotor sejam mais flexíveis. Mas por conta da perturbação causada ao escoamento, pela nacele e pela torre,a quantidade de energia convertida pela turbina pode ter grande variação. Além disso, a instabilidade do escoamento pode resultar em maiores perdas aerodinâmicas. A Figura 4.4 apresenta esses dois tipos de turbinas.
Figura 4.4- Exemplos de turbinas upwind e downwind. (Fonte: Kabir, 2012)
4.2. PRINCIPAIS COMPONENTES DOS AEROGERADORES
Os aerogeradores são compostos por diversos componentes, são eles: torre, nacele, caixa de engrenagens, cubo, gerador e pás. A Figura 4.5 apresenta os componentes de um aerogerador de eixo horizontal
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Figura 4.5- Componentes de um aerogerador de eixo horizontal. (Fonte: Wekken, 2006)
4.2.1. TORRE
A torre é a principal estrutura de sustentação de um aerogerador. Segundo Dutra (2008), a torre é a estrutura que posiciona o conjunto nacele-rotor em altura adequada para captação do recurso eólico. Existem diversos tipos de torres, e a escolha do tipo a ser utilizado depende do aerogerador que se deseja instalar.
A torre treliçada, constituída de perfis metálicos soldados, era mais utilizada nos primeiros anos da utilização da energia eólica, já que as turbinas eram menores. Segundo Pinto (2013), a grande vantagem dessas torres é o menor gasto de material para uma dada altura e rigidez, além de apresentarem um transporte mais fácil em relação a outros tipos de torres. Mas também apresentam como desvantagem um alto tempo de montagem e um maior gasto com manutenção.
Segundo Lima (2011), as torres estaiadas são geralmente utilizadas em aerogeradores pequenos. Onde um mastro de aço apoia-se em uma base e mantém-se na vertical com o auxílio de cabo de aços, fixados no topo e distribuídos em pontos estratégicos do solo (fundações) a fim de garantir a estabilidade do conjunto. As desvantagens começam a surgir à medida que a
