UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE ANALÍTICA, EXPERIMENTAL E NÚMERICA
DE PERFIS AERODINÂMICOS PARA SELEÇÃO EM
AEROGERADOR DE BAIXA VELOCIDADES
RAMON TANOEIRO DE OLIVEIRA SOUZA
NATAL / RN, 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE ANALÍTICA, EXPERIMENTAL E NÚMERICA
DE PERFIS AERODINÂMICOS PARA SELEÇÃO EM
AEROGERADOR DE BAIXA VELOCIDADES
RAMON TANOEIRO DE OLIVEIRA SOUZA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico, orientado pelo Prof. Msc. Giorgio André Brito Oliveira.
NATAL / RN
2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE ANALÍTICA, EXPERIMENTAL E NÚMERICA
DE PERFIS AERODINÂMICOS PARA SELEÇÃO EM
AREOGERADOR DE BAIXA VELOCIDADES
RAMON TANOEIRO DE OLIVEIRA SOUZA
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Msc. Giorgio André Brito Oliveira ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador
Eng. André Francisco Ribeiro Bezerra ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Eng. Jonatha Wallace da Silva Araújo ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Souza, R. T. O. ANÁLISE ANALÍTICA, EXPERIMENTAL E NÚMERICA DE
PERFIS AERODINÂMICOS PARA SELEÇÃO EM AREOGERADOR DE BAIXA VELOCIDADES. 2019. 94 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia
Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.
Resumo
A energia eólica é um tipo de energia em evidência no mundo. Devido ao crescimento são necessários estudos para que a extração da energia seja maximizada. O trabalho tem como principal objetivo analisar como a Sustentação e o Arrasto de perfis aerodinâmicos influenciam na performance de uma pá de aerogerador.
Além do estudo teórico do assunto, foram executados testes em softwares como JavaFoil, um software capaz de extrair valores de Coeficiente de Sustentação e de Arrasto, também foram realizados estudos experimentais em túnel de vento no Laboratório de Mecânica dos Fluidos da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), como também estudos numéricos através da Dinâmica dos Fluidos Computacional, através do software Ansys.
Tão importante quando a sustentação e o arrasto isoladamente, também será analisada a razão de planeio, que é a razão dos dois coeficientes.
Foi, então, possível escolher um modelo de perfil adequado para geração de energia dentre os cinco perfis previamente selecionados. Após testes através por três ferramentas, poderá ser concluído se o perfil é ou não adequado para uso em aerogeradores de baixa velocidade.
Para que o estudo fosse então validado e para que fosse possível obter um maior nível de confiabilidade nos métodos, todos as ferramentas adotadas tiveram seus resultados comparados entre si.
Souza, R. T. O. ANALYTICAL, EXPERIMENTAL, AND NUMBER ANALYSIS OF
AERODYNAMIC PROFILES FOR SELECTION IN LOW-SPEED
AREOGERATOR. 2019. 93 p. Conclusion work project (Undergraduate in Mechanical
Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.
Abstract
Wind energy is a type of energy in evidence in the world. Due to growth, studies are needed to maximize energy extraction. The main objective of this work is to analyze how the drag and drag of aerodynamic profiles influence the performance of a wind turbine blade.
In addition to the theoretical study of the subject, tests were performed on software such as JavaFoil, a software capable of extracting values of drag and drag coefficient, were also conducted experimental studies in wind tunnel at the Laboratory of Fluid Mechanics of the Federal University of Rio Grande do Norte (UFRN), as well as numerical studies through Computational Fluid Dynamics through Ansys software.
Just as important when lift and drag alone will also be analyzed the glide ratio, which is the ratio of the two coefficients.
It was then possible to choose a profile model suitable for power generation from the five profiles previously selected. After testing through three tools, it can be concluded whether or not the profile is suitable for use on low-speed wind turbines.
For the study to be validated and to obtain a higher level of reliability in the methods, all the adopted tools had their results compared with each other.
Lista de Ilustrações
Figura 1 - Modelo de Célula de Convecção de Hadley. ___________________________ 5 Figura 2 - Modelo com três células de convecção _______________________________ 6 Figura 3 - Variação Interanual do Vento _____________________________________ 7 Figura 4 - Brisas marítimas e Terreste _______________________________________ 9 Figura 5 - Resumo Regime de Ventos Litoral Norte-Nordeste ______________________ 9 Figura 6 - Crescimento da Energia Eólica ao longo dos anos. _____________________ 10 Figura 7 – Participação por país na matriz mundial de energia eólica ________________ 11 Figura 8 – Participação dos estados do Brasil na matriz energética nacional de energia eólica _________________________________________________________________ 12 Figura 9 - Aerogeradores de Eixo Vertical ___________________________________ 13 Figura 10 - Aerogerador do tipo Darrieus ___________________________________ 13 Figura 11 - Fazenda Eólica Vinderby Offshore, na Dinamarca _____________________ 14 Figura 12 - Modelo Onshore ____________________________________________ 15 Figura 13 - Comparativo de eficiência entre os diferentes tipos de aerogeradores. _______ 15 Figura 14 - Perfil Aerodinâmico. _________________________________________ 16 Figura 15 - NACA0012 perfil simétrico ____________________________________ 18 Figura 16 - NACA2412 perfil semi-simétrico ________________________________ 19 Figura 17 - Perfil Plano-Convexo _________________________________________ 19 Figura 18 - Exemplos de perfis Côncavos-Convexos ___________________________ 20 Figura 19 - Exemplos de aerofólios laminares ________________________________ 21 Figura 20 - Exemplos de aerofólios de grande autonomia ________________________ 22 Figura 21 - Exemplos de aerofólios de alta sustentação __________________________ 23
Figura 22 - Demonstração de um fluxo ao redor de um aerofólio ___________________ 23 Figura 23 - Cp ao redor do aerofólio _______________________________________ 24 Figura 24 - Gráfico Cl x alpha para o perfil S1210. _____________________________ 25 Figura 25 - Gráfico Cl x alpha para o perfil NACA 0012. ________________________ 25 Figura 26 - Definição de sustentação e arraso _________________________________ 26 Figura 27 - Recirculação no caso de grande extração da energia do vento _____________ 28 Figura 28 - Volume de Controle na Turbina __________________________________ 29 Figura 29 - Gráfico da relação entre o coeficiente de potência e as velocidades na entrada e saída da turbina ______________________________________________________ 31 Figura 30 - Torque gerado numa turbina Eólica devido à Sustentação e Arrasto _________ 32 Figura 31 - - Escoamento sobre um aerofólio _________________________________ 35 Figura 32 - Camada Limite sobre uma placa plana _____________________________ 36 Figura 33 - JavaFoil, vista do perfil SG6043 _________________________________ 38 Figura 34 - Perfil no site Airfoiltools _______________________________________ 39 Figura 35 - Como carregar o perfil ________________________________________ 39 Figura 36 - Análise do perfil ____________________________________________ 40 Figura 37 - Perfil selecionado S1223 _______________________________________ 42 Figura 38 - Pá impressa em 3D ___________________________________________ 44 Figura 39 - Asa Montada na Balança _______________________________________ 45 Figura 40 - Esquema de montagem da asa ___________________________________ 46 Figura 41 - Esquema de montagem da asa ___________________________________ 46 Figura 42 - Balança tarada para medição da diferença de peso _____________________ 47 Figura 43 - Modelo Computacional ________________________________________ 48
Figura 44 - Malha Refinada _____________________________________________ 49 Figura 45 – Medições de peso na balança ___________________________________ 50 Figura 46 - Balança medindo 3,21 g de Sustentação ___________________________ 51 Figura 47 – Campo de Pressão ao redor do perfil ______________________________ 56 Figura 48 – Linhas de corrente ao redor do perfil ______________________________ 56 Figura 49 – Campo de velocidades ao redor do perfil ___________________________ 57
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Dados para o perfil S1223 ... 52
Tabela 2 - Dados para perfil E387 ... 52
Tabela 3 - Dados para perfil S1210 ... 53
Tabela 4 - Dados para perfil SD7034 ... 53
Tabela 5 - Dados para perfil SG6043 ... 54
Tabela 6 – Valores Medidos Experimentalmente ... 54
Tabela 7 - Valores de Sustentação e Arrasto para as 3 simulações com malhas diferentes .... 55
Tabela 8 – Tabela Comparativa dos dados obtidos à 0º ... 58
Sumário
Resumo ... ii
Abstract ... iii
Lista de Ilustrações ... iv
Lista de Tabelas ... vii
Sumário ...viii 1 Introdução ... 1 2 Objetivos ... 3 3 Revisão Bibliográfica ... 4 3.1 Breve histórico ... 4 3.2 Ventos ... 4
3.2.1 Variações dos ventos ... 7
3.2.2 Variações sazonais dos ventos ... 7
3.2.3 Variações interanuais dos ventos ... 8
3.2.4 Variações diárias dos ventos ... 8
3.2.5 Ventos Região Norte-Nordeste ... 9
3.3 Aerogeradores e seus tipos ... 12
3.3.1 Aerogeradores de Rotor no eixo Vertical e Horizontal ... 12
3.4 Perfis Aerodinâmicos ... 16
3.4.1 Breve Histórico ... 17
3.4.2 Perfis Simétricos ... 18
3.4.3 Perfis Semi-Simétricos ... 19
3.4.4 Perfis Plano Convexos ... 19
3.4.5 Perfis Côncavos-Convexos ... 20
3.4.6 Aerofólios Laminares ... 20
3.4.7 Aerofólios de grande autonomia ... 21
3.5 Coeficientes Aerodinâmicos ... 23 3.6 Teoria de Betz ... 27 3.7 Torque no aerogerador ... 32 3.8 Túneis de vento ... 34 3.8.1 Escoamento ... 35 4 Metodologia ... 37
4.1 Seleção dos perfis ... 37
4.2 JavaFoil ... 41
4.3 Escolha do perfil ... 42
4.4 Dinâmica dos Fluidos Computacionais ... 42
4.5 Construção do perfil ... 43
5 Resultados e Discussões ... 50
5.1 Sustentação e Arrasto experimentais... 50
5.2 Sustentação e Arrasto no JavaFoil ... 52
5.3 Sustentação numérica ... 54
5.4 Comparativo entre as três ferramentas ... 58
6 Conclusões ... 59
1 Introdução
Com a crescente demanda de energia no mundo e a necessidade e busca por métodos alternativos e renováveis de energia, a Energia Eólica se apresenta como uma ótima alternativa para o mundo. De acordo com relatório “New Energy Outlook” publicado em 2019 pela empresa Bloomberg New Energy Finance (BNEF), os investimentos em energias renováveis atrairão 77% dos investimentos globais em energia durante os próximos 32 anos, U$$5,3 trilhões estimados para a energia eólica. (GWEC, 2019)
Ainda segundo o relatório da BNEF, até 2050, a estimativa é de que Energia Eólica e Solar, juntas, forneçam 48% da demanda energética global. Com total combinado estimado para as energias renováveis de 62%.
O Brasil tem enorme potencial em participar da tendência, pois já possui uma grande matriz energética com participação renovável, tendo sua matriz em 45,3% renovável, frente aos 10,6% dos 34 países que compõem a OCDE (a maioria países desenvolvidos) e 14,3% mundial.
O Nordeste é a região do país com maior produção da energia eólica do Brasil, correspondendo a 85,4% da geração nacional, ainda segundo dados da ABEEólica. A participação da fonte tem sido tão significante que o país está constantemente batendo recordes de abastecimento da região Nordeste através da fonte eólica. O recorde mais atual foi no dia 13/09/2018, onde 74,12% da energia consumida na região teve origem nos ventos.
Dos estados do Nordeste, o maior produtor é o nosso estado do Rio Grande do Norte, com geração de 13,64 TWh. Apesar dos resultados positivos, ainda há muito espaço para crescimento. Segundo o Atlas do Potencial Eólica Brasileiro, por (SCHUBERT e colab., 2001) o potencial eólico anual estimado da região Nordeste é de 144,3 TWh e a produção atual anual é de 39,69 TWh.
Desse modo, o trabalho visa estudar perfis aerodinâmicos e encontrar um perfil adequado para construção de uma asa para aerogerador. O estudo pode possibilitar a construção de aerogeradores caseiros que impulsionariam a energia limpa no estado.
O estudo será feito através de softwares como o JavaFoil, testes experimentais em túnel de vento e também testes em softwares numéricos, o Ansys.
Ao utilizar os três métodos de análise, pode-se comparar a os resultados obtidos numericamente de programas que utilizam da teoria fluidodinâmica para podermos validar as
simulações e análises em softwares, comparando com os valores experimentais, possibilitando confiar nos dados adquiridos através de softwares para criação de um projeto sem necessidade de construção de modelo físico.
Também será possível estudar a influência dos coeficientes de sustentação e arrasto na performance de uma asa, através do torque gerado pelas forças.
O trabalho divide-se da seguinte forma: Introdução, Objetivos, Revisão Bibliográfica, Metodologia, Resultados, Discussões, Conclusão, Anexos.
No capítulo 3 será feito uma extensa revisão bibliográfica sobe conceitos aerodinâmicos de perfis e o atual estado da Energia Eólica no Brasil e no mundo.
No capítulo 4, é descrito como foram usados os programas utilizados para conclusão do estudo. Também será discutido a fabricação do modelo em impressão 3D que será usada para testes físicos.
No capítulo 5, serão vistos os resultados obtidos através de softwares como ANSYS e JavaFoil. Serão obtidos os Coeficiente de Sustentação e Arrasto, a razão entre os coeficientes, será variado o ângulo de ataque para simulações numéricas para obter-se mais estimativas do perfil.
No capítulo 6, serão discutidos os resultados obtidos numericamente através dos softwares, os valores serão comparados com os resultados obtidos da experimentação em túnel de vento, através do perfil a ser impresso.
Por fim, será realizada a conclusão do trabalho. Em anexo poderá ser visto mais detalhes sobre coordenadas dos perfis escolhidos par análise.
2 Objetivos
Objetivo geral
O trabalho tem como objetivo geral estudar os parâmetros de perfis aerodinâmicos para uso em arrogadores de baixa velocidade. Serão usados testes numéricos em softwares como ANSYS e JavaFoil, além do experimental em túneis de vento da UFRN para obtenção dos dados preliminares de análise.
Objetivos específicos
• Com os dados coletados pelos softwares será selecionado um perfil, considerado o mais adequado e será feita a impressão 3D do mesmo.
• Serão comparados valores de Força de Sustentação e Arrasto, assim como os coeficientes de Sustentação e Arrasto através do túnel de vento, juntamente com a razão de planeio
• Os valores serão então comparados com referência da literatura assim como os valores numéricos obtido pelo software.
• Por fim, deseja-se relacionar os coeficientes com o torque gerado numa pá e seu potencial de extração de energia.
3 Revisão Bibliográfica
Nesse capítulo, será analisada a literatura do tópico do trabalho e estudados os parâmetros principais para maior extração de energia de um aerogerador.
3.1 Breve histórico
Os ventos são resultantes da movimentação do ar quente que sobe no equador e se desloca para as regiões polares, num movimento regular, em outras palavras, os ventos são efeitos permanentes da dinâmica do planeta. Apesar do aproveitamento dos ventos para geração de energia elétrica serem recentes, esse tipo de energia é aproveita a milênios. Foi primeiro utilizado na navegação. A força dos ventos também foi ser usada para mover moinhos, com o objetivo de moer grãos e irrigação, através do bombeamento de água. (DUTRA, 2001)
Os ventos começaram a ser melhor aproveitados com uso para irrigação e moagem, inicialmente em locais como Pérsia, por volta 200 A.C, locais dos primeiros registros do emprego de moinhos. Porém, acredita-se que a China já usavam cata-ventos por volta de 2000 A.C. (DUTRA, 2001)
Os moinhos primitivos perduraram até por volta do século XII, onde na Europa começaram a ser aprimorados por moinhos de eixo horizontal. Na Holanda, tiveram diversos usos, chegando a ser empregados nas indústrias têxteis e madeireira.
Entretanto, com o início da revolução industrial o surgimento da máquina à vapor, os moinhos tiveram um declínio em números através da Europa.
Então, com seu declínio no geral, começaram a ser desenvolvidos aerogeradores de pequeno porte. Que começaram a ser mais usados em locais mais isolados, principalmente para suprimento de energia e bombeamento de água. (MARQUES FARIAS et al, 2011)
3.2 Ventos
A terra recebe em diferentes latitudes diferentes níveis de radiação vinda do sol, essa radiação é maior ao redor da linha da Equador, desde o trópico de capricórnio ao de Câncer, entretanto, áreas com latitude mais altas não recebem tanta radiação, a não uniformidade de aquecimento da terra, juntamente com a rotação da terra, promovem a circulação geral atmosfética. O primeiro modelo de circulação global foi proposto pelo físico Britânico George
Hadley em 1735 e sugeria que as correntes ao redor do globo eram similares a células de convecção, e para uma terra parada seriam similares a figura 1.
Figura 1 - Modelo de Célula de Convecção de Hadley.
Fonte: (SILVA, 2003).
O ar aquecido na porção equatorial subiria aos pólos e de lá, ao serem esfriados desceriam de volta para o equador onde seriam reaquecidos. Tal modelo é impossível e um novo foi proposto na década de 20, com um sistema de três células de circulação.
Figura 2 - Modelo com três células de convecção
Fonte: (SILVA, 2003).
Com o novo modelo de três células de circulação, os ventos entre 30º N e 30º S vão de encontro ao equador (Agora chamado de Zona de Convergência Intertropical - ZCIT) na superfície e para os pólos nas alturas mais elevadas, essas células são chamadas de Células de Hadley e seus ventos na superfície de Ventos Alísios. Os Ventos Alísios são os mais constantes do planeta. (SILVA, 2003).
Para latitudes entre 30º e 60º a circulação segue contrária as células de Hadley, os ventos na superfície se dirigem aos pólos. Devido a força de Coriolis são chamados de Ventos de Oeste e possuem grande dispersão em torno de uma velocidade média. (SILVA, 2003).
Em altas latitudes o fluxo superficial é em direção a ZCIT. Chamados de Ventos Polares de Leste se encontram com os Ventos de Oeste e formam uma região de descontinuidade, a frente polar. (SILVA, 2003).
Um dos aspectos mais importantes para análise é o regime de ventos na altura e no local de instalação. Pois os perfis de velocidade podem mudar de acordo com a rugosidade do local, havendo grandes diferenças entre uma turbina instalada em mar aberto do que uma próxima as cidades.
Já em altas altitudes a circulação ocorre devido a massa de ar dos pólos, em fluxo para o equador, sendo chamados de Ventos Polares de Leste. À medida que se encontram com os
ventos mais quentes do Equador, formam uma região de descontinuidade, chamada de frente polar, os ventos dessa área também apresentam variações de velocidade.
3.2.1 Variações dos ventos
A velocidade média anual é um dos parâmetros mais importantes quando se estuda o potencial eólico de uma região. Há também variações diárias e interanuais dos ventos em uma região e todas elas devem ser analisadas para melhor estimativa do potencial eólico ao longo do ano.
3.2.2 Variações sazonais dos ventos
Um bom exemplo da importância da variação interanual dos ventos é através da produção de energia através da fonte durantes os doze meses do ano. No gráfico, é possível visualizar que os meses do início do ano possuem uma menor produção de energia Eólica, apresentando baixa produção entre os meses de dezembro e maio.
À medida que o Outono e Inverno chegam, a produção de energia aumenta, atingido seu máximo entre os meses de agosto e setembro.
Figura 3 - Variação Interanual do Vento
Fonte: CCEE/ABEeólica
Apesar da baixa extração de energia nos meses iniciais do ano, isso não chega a ser um grande problema para o país, pois existe uma complementaridade entre os recursos eólicos e hídricos. Dessa forma, podemos perceber a importância do uso conjunto de energias renováveis.
3.2.3 Variações interanuais dos ventos
As variações interanuais estão mais ligadas a mudanças na temperatura média global e mudanças em eventos como El Niño e La Niña que causam uma mudança de latitude da ZCIT. Regiões próximas ao Equador sofrem pouca variação interanual quando comparadas a regiões de média e altas latitudes (SILVA, 2003).
(que sopram de Leste para Oeste), causando impacto negativo na geração de energia eólica. O El Niño também causa severas secas no Nordeste, prejudicando também a geração hídrica.
Já a La Ninã aumenta a intensidade dos ventos alísios, aumentando a capacidade de geração de plantas eólicas. O evento também causa o aumento da precipitação e vazão dos rios. (WITZLER, 2015).
3.2.4 Variações diárias dos ventos
Há ainda as variações diárias de direção e intensidade dos ventos. Principalmente para instalações de aerogeradores próximos ao litoral. A variação se torna ainda mais importante, pois no litoral há a brisa marítima e a brisa terrestre. Mesmo assim, um fenômeno similar pode ser observado em alguns locais do interior do estado, as brisas de montanhas/vales.
São caracterizados por variações da velocidade e direção dos ventos entre o dia e a noite. Causadas pela diferença de resfriamento entre a terra e a água.
Durante o dia, devido ao aquecimento mais rápido da porção terrestre do que a porção marítima, produzindo um fluxo de ar acima do solo a cerca de 500 a 2000 metros de altura. Esse fluxo caminha para o mar, e ao encontrar o ar mais frio da região, devido ao aquecimento mais lento, causa a brisa marítima, em altitudes entre 0 a 500 metros. Esse fenômeno é mais intenso no verão e contribui ainda mais para a velocidade dos ventos alísios.
Durante a noite, o contrário acontece, a parte continental esfria mais rápido que os oceanos, como a água se mantém a uma temperatura maior, causando uma brisa do continente para o oceano. A brisa terrestre tem uma intensidade menor do que a brisa marítima, devido a uma diferença menor de temperatura do que a de dia.
Ambos os efeitos podem se estender a até 100km para dentro do continente e 100km para dentro do mar.
Figura 4 - Brisas marítimas e Terreste
Fonte: (FERREIRA e MELLO, 2005)
3.2.5 Ventos Região Norte-Nordeste
Em sua dissertação de Mestrado, (SILVA, 2003) analisa as características de vento na Região Norte-Nordeste, e em suas tabelas podemos ver como as variações diárias de brisa marítima e a ação dos Ventos Alísios influenciam positivamente para a velocidade dos ventos, devido a aproximação com a ZCIT. (SILVA, 2003).
Podemos ver que os valores médios de velocidade são constantes, possuem baixa turbulência, regularidade entre os anos, e alta intensidade de vento, chegando a média de 7,5 a 9 m/s. Apesar da variação sazonal ser alta, isso pode ser complementado com um maior uso de usinas hidrelétricas e solar durante o período de baixa velocidade dos ventos.
Figura 5 - Resumo Regime de Ventos Litoral Norte-Nordeste
O Brasil teve um bom desenvolvimento na capacidade instalada de Energia Eólica. Nos últimos anos o país se instalou como um dos maiores produtores desse tipo de energia no mundo.
Na figura abaixo, podemos ver a capacidade acumulada global. Países como Alemanha, Estados Unidos e China lideram em capacidade instalada, com destaque para China que nos últimos anos teve crescimento exponencial tornando-se o país com maior capacidade instalada.
Figura 6 - Crescimento da Energia Eólica ao longo dos anos.
Fonte: GEWC
De acordo com dados da Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica) (2018), o Brasil ultrapassou a expressiva marca de 14,7 GW em capacidade instalada. Em 2018, a energia gerada pela fonte foi suficiente atualmente ao consumo residencial médio de cerca de 25,5 milhões de habitações mensais, ou 80 milhões de pessoas (ABEEólica, 2018). Segundo o Global Wind Energy Council (2018), o Brasil ocupa a 8ª posição em capacidade eólica acumulada em 2018, assim como a 5ª posição em capacidade eólica nova do mesmo ano. (GWEC, 2019)
O Brasil ocupa a oitava posição em capacidade instalada, tendo também grande crescimento na última década. No país, os ventos do Nordeste impulsionam a produção.
Figura 7 – Participação por país na matriz mundial de energia eólica
Fonte: (GWEC, 2019)
O estado do Rio Grande do Norte é atualmente o maior produtor de energia eólica do país. Dos 12 estados que mais produzem energia, 8 são da região, que é privilegiada em ventos fortes e constantes.
Figura 8 – Participação dos estados do Brasil na matriz energética nacional de energia eólica
Fonte: (ABBEÓLICA, 2014)
3.3 Aerogeradores e seus tipos
Segundo Renato (2012), um aerogerador é um gerador elétrico integrado ao eixo de um cata-vento e que converte energia eólica em energia elétrica. Os aerogeradores podem ser divididos em categorias principais dependendo de sua forma de construção:
⚫ De rotores no eixo vertical; ⚫ De rotores no eixo horizontal.
Também podem ser divididos com relação a sua potência nominal: ⚫ Pequeno Porte (Até 50 kW);
⚫ Médio Porte (de 50 kW até 1MW); ⚫ Grande Porte (Acima de 1MW).
3.3.1 Aerogeradores de Rotor no eixo Vertical e Horizontal
Os rotores de eixo vertical são que o eixo de rotação é perpendicular à direção do vento incidente. A principal vantagem reside na sua capacidade de funcionar seja qual for a direção do vento. Os tipos de rotores de eixo vertical são Savonius, Darrieus e Darrieus-H, e são apresentados na Figura
Figura 9 - Aerogeradores de Eixo Vertical
Fonte: (VITORINO, 2012) Figura 10 - Aerogerador do tipo Darrieus
Fonte: Introdução a Energia Eólica. 2009
O rotor do tipo Savonius, um dos que tem a concepção mais simples é movido principalmente pela força de arrasto do ar, sua maior eficiência se dá em ventos fracos e pode chegar a 20%. (AKWA e colab., 2012)
O rotor do tipo Darrieus é o que possui maior eficiência dentre as turbinas de eixo vertical e são impulsionadas pela força de sustentação, tendo assim uma eficiência melhor que a do rotor Savonius. (RODRIGUES e colab., 2016)
O rotor do tipo H é o modelo de turbinas eólicas com rotores de eixo vertical mais simples. Este modelo tem duas ou três pás retas e também é impulsionada pela força de sustentação nas pás.
As de eixo horizontal talvez sejam as mais conhecidas, por serem mais difundidas em plantas eólicas, pois apresentam mais vantagens em termos de eficiência, quando comparado ao eixo vertical.
É comum encontrarmos modelos com 3 pás, porém a torre pode ter entre 1 a 3 pás. O modelo de 1 pá apresenta um grande desbalanceamento aerodinâmico, provocando cargas extras. O motor de duas pás apresenta melhor eficiência que o modelo de 1 pás, mas normalmente precisa de velocidades de ponta de asa mais elevadas que o de 3 pás, que se apresentou o mais eficiente, até então.
Figura 11 - Fazenda Eólica Vinderby Offshore, na Dinamarca
Figura 12 - Modelo Onshore
Fonte: DanishAssoc
Podemos realizar um comparativo entre os tipos mais comuns de aerogeradores, onde poderemos comparar a eficiência entre os modelos e o limite teórico de eficiência das pás, conhecido como Coeficiente de Betz.
Figura 13 - Comparativo de eficiência entre os diferentes tipos de aerogeradores.
Recentemente, a eficiência dos aerogeradores pode ser melhorada usando a tecnologia MagLev.
Segundo (Power Generation Using Maglev Windmill), a levitação magnética é a tecnologia que suspende ou levita um objeto com a ajuda de forças magnéticas para obter apoio sem nenhum contato e baixo atrito durante o movimento. Devido à ausência de contato no rolamento magnético, vantagens são obtidas, como a quase ausência desgaste, uso a longo prazo em qualquer ambiente, ausência de atrito mecânico, baixo ruído, menor quantidade de perda de potência e ausência de lubrificação ou vedação.
Portanto, essa tecnologia é benéfica para aplicações de alta velocidade e tem como objetivo eliminar os problemas mecânicos que causam perda de energia.
3.4 Perfis Aerodinâmicos
Para ser possível potencializar a extração da energia cinética dos ventos, um estudo sobre o aerofólio deve ser feito. Como busca-se estimar um perfil adequado para baixas velocidades, é necessária uma revisão dos principais parâmetros que influenciam na performance do aerogerador.
O aerofólio é uma superfície aerodinâmica, que, por meio da diferença de pressão causada ao passar de um fluido, é capaz de gerar forças. As forças que agem sobre um perfil são a de sustentação e de arrasto.
Figura 14 - Perfil Aerodinâmico.
A performance de um aerogerador depende de diversos fatores como densidade do ar, pressão atmosférica, viscosidade do ar. Todos esses parâmetros são determinados pelo local, então dependem da escolha do local. (SALGADO e colab., 2016)
Quando são analisados os perfis dos aerofólios, um dos parâmetros mais importantes é o Glide Ratio (GR), que relaciona-se com os coeficientes de sustentação (Cl) e coeficiente de arrasto (Cd), quanto maior o valor do GR, melhor é o Cl por unidade de Cd.
3.4.1 Breve Histórico
O estudo e desenvolvimento de perfis aerodinâmicos data entre os séculos XIX e XX. O estudo foi feito principalmente através de estudos experimentais. Com desenvolvimento exponencial no último século.
Dentre os trabalhos mais conhecidos estão o dos irmãos Wright, que era mais experimental, através de suas pesquisas em túneis de ventos com espécies de pipas e asa deltas. Segundo (STOLLERY, 1997), seus trabalhos foram baseados em estudos de Otto Lilienthal e Octave Chanute. Ambos da Alemanha, em 1891 iniciaram pesquisas durante 5 anos em vôos de asa delta, durante esse período realizaram aproximadamente 2000 testes experimentais.
A dupla publicou tabelas de sustentação e arrasto para seus experimentos, dados em que os irmãos Wright usaram para seus designs iniciais de aerofólios.
Entretanto, os projetos de Otto e Octave não possuíam um controle direto sobre a aerodinâmica de suas asas deltas, e em um acidente, causado por uma ventania, Lilienthal perdeu o controle em altitude no dia 9 de Agosto de 1896 e caiu, morrendo um dia depois. Chanute então, trabalhou no aprimoramento do controle.
Os avanços em aerodinâmica poderiam ter sido antecipados, pois em 1894 um engenheiro Inglês desenvolveu a teoria que previa o comportamento das asas. Porém, seu trabalho só foi publicado em 1907, onde diversos cientistas já tinham obtido sucesso em primeiros voos. Entretanto foi inevitável o rápido do desenvolvimento da aerodinâmica e dos aviões com os anos.(STOLLERY, 1997),
Portanto, deve ser feita a escolha adequada dos perfis, onde temos os principais tipos a seguir:
⚫ Perfis Simétricos ⚫ Perfix Semi-Simétricos ⚫ Perfis Côncavo-Convexo ⚫ Perfix Plano-Convexos
3.4.2 Perfis Simétricos
Os perfis simétricos são os mais simples e possuem extradorso e intradorso simétricos a linha da corda. Um bom exemplo dos perfis simétricos são os da série NACA00XX.
Segundo (CAMPINAS, 2012), o aerofólio NACA0012 foi desenvolvido na década de 1930, pelo Comitê Nacional para Aconselhamento sobre Aeronáutica (NACA, da sigla em inglês). Os aerofólios NACA de 4 dígitos têm seu nome dado de acordo com suas características, onde a primeira casa representa a casa decimal do abaulamento, o segundo dígito representa a primeira casa decimal do ponto da corda aonde ocorre máxima distância da superfície à linha central e os últimos dois dígitos representam a porcentagem da corda representada pela espessura. Resumidamente, num perfil NACA2412, temos um abaulamento de 0.2, distância máxima à linha central ocorrendo em 0.4 da corda, e uma espessura de 12% do comprimento da corda.
Segundo estas definições, nosso perfil NACA0012 define-se por um perfil sem abaulamento, e, portanto, seguindo a linha central, com espessura de 12% do comprimento da corda” (CAMPINAS, 2012)
Figura 15 - NACA0012 perfil simétrico
3.4.3 Perfis Semi-Simétricos
Os semi-simétricos são similares aos simétricos, porém, possuem uma leve curvatura em sua linha de curvatura média e apresentam sustentação mesmo sem ângulo de ataque.
“Esses aerofólios criam uma quantidade máxima de sustentação e não exigem nenhum ângulo de ataque inicial para decolar como no caso de um aerofólio simétrico.” (VENGATE, 2016)
Figura 16 - NACA2412 perfil semi-simétrico
Fonte: Airfoiltools
3.4.4 Perfis Plano Convexos
Já os plano-convexos, segundo Ribeiro (2011), apresentam o intradorso plano e extradorso convexo, são muito sustentadores e normalmente empregados em modelos de treino, de rádio-controle e empenagens horizontais sustentadoras.
Figura 17 - Perfil Plano-Convexo
3.4.5 Perfis Côncavos-Convexos
Perfil cujo intradorso e extradorso são de forma côncava e convexa, respectivamente. São conhecidos por gerarem maior sustentação oferecendo, em contrapartida, mais resistência ao avanço do que quaisquer outros. (RIBEIRO, FA, 2011)
Figura 18 - Exemplos de perfis Côncavos-Convexos
Fonte: (RIBEIRO, FA, 2011)
Por apresentarem um elevado valor de sustentação, os perfis côncavos-convexos são bons candidatos para escolha de perfil de um aerogerador.
Os aerofólios podem então ser divididos em outras 3 categorias, com relação as suas aplicações. Sendo elas:
⚫ Aerofólios Laminares
⚫ Aerofólios de grande autonomia ⚫ Aerofólios de alta sustentação
3.4.6 Aerofólios Laminares
A denominação desses aerofólios se deve ao fato de possuírem características geométricas que favorecem a permanência de uma camada limite laminar ao longo de grande extensão da superfície do aerofólio. Consegue-se, com isso, uma redução substancial de arrasto em uma faixa de baixos ângulos de ataque (“bucket”). Os aerofólios laminares apresentam espessuras máximas de até 24%, com posicionamento entre 35% e 50% a partir do bordo de ataque, com arqueamento máximo de até 6%, posicionado entre 40% e 60%, com raio do bordo de ataque pequeno ou moderado. Sua distribuição de arqueamento é bem mais regular do que a dos aerofólios de alta sustentação, e a distribuição de espessura produz bordos de fuga bem afilados (ângulo nulo). São aerofólios indicados para aplicações que possam exigir pequenas
faixas de operação a baixos números de Reynolds, tais como pás de turbocompressores e planadores com grande alongamento. (Souza, 2008)
Figura 19 - Exemplos de aerofólios laminares
Fonte: (SOUSA, 2008)
3.4.7 Aerofólios de grande autonomia
“Como sub-produto de pesquisas sobre aerofólios supercríticos, realizadas por Whitcomb, na NASA (Anderson, 1999), surgiu um nova classe de aerofólios subsônicos com características geométricas próximas a dos aerofólios laminares, porém incorporando algumas características dos aerofólios supercríticos: maiores raios de bordo de ataque, maiores espessuras e maiores inclinações do bissetor do bordo de fuga em relação à corda. Esses aerofólios, quando testados a baixas velocidades, apresentaram comportamento aerodinâmico semelhante ao dos aerofólios laminares, mas gerando uma sustentação razoavelmente maior, com um arrasto ligeiramente maior. Verificou-se, ainda, que esses aerofólios eram menos suscetíveis a instabilidades no escoamento incidente, ou a pequenas rugosidades na região do bordo de ataque, causadas por imperfeições na fabricação ou incrustações. Em decorrência, esses aerofólios apresentam transição laminar/turbulenta menos precoce em relação aos aerofólios laminares convencionais. Com maior razão de planeio e maior resistência à transição, esses aerofólios são indicados em aplicações que exigem grande autonomia.” (SOUSA, 2008). Ainda segundo Ribeiro (2011), por apresentarem essas características, são recomendados para veículos aéreos não tripulados, que são projetados para permanecer em voo
durantes várias horas, assim como em pás de aerogeradores onde é necessário baixo arrasto e sustentação razoável. (RIBEIRO, FA, 2011)
Figura 20 - Exemplos de aerofólios de grande autonomia
Fonte: (SOUSA, 2008)
3.4.8 Aerofólios de alta sustentação
Segundo, Souza (2008), esses tipos de aerofólios são voltados para aplicações que necessitam de grandes forças de sustentação para baixos ângulos de ataque, menor ou igual a 4º e também baixos números de Reynolds (Re 6
10 1
). São comumente usados em aeronaves de pequenas escalas controladas via rádio, para competições, como o AeroDesign. Assim como planadores alongados moderadamente (com E/c entre 8 e 10).
Por sua característica de alta sustentação, devido a sua geometria, apresentam um momento e um arrasto maiores também. A Figura abaixo mostra alguns tipos de aerofólios dessa classe.
Figura 21 - Exemplos de aerofólios de alta sustentação
Fonte: (SOUSA, 2008)
3.5 Coeficientes Aerodinâmicos
O perfil, ao ser imerso em um fluido que escoa ao seu redor, fica sujeito as forças causadas pela diferença de pressão, devido as mudanças de velocidade do fluido ao encontrar o corpo. Um exemplo de fluxo ao redor do aerofólio pode ser visto na figura abaixo.
Figura 22 - Demonstração de um fluxo ao redor de um aerofólio
Os perfis estão sujeitos às forças aerodinâmicas fundamentadas pelo teorema de Bernoulli conforme afirma Halliday, Resnick e Walker (1996), “se a velocidade de uma partícula de um fluido aumenta, enquanto se desloca ao longo de uma linha de corrente, a pressão do fluido diminui e vice-versa”. Assim sendo, o aumento da velocidade, causa uma queda de pressão que causa as forças de sustentação e arrasto que podem ser vistas na figura 14.
Figura 23 - Cp ao redor do aerofólio
Fonte: JavaFoil
Para aerofólios simétricos, nenhuma diferença de pressão é gerada para ângulos de ataque iguais à 0. Entretanto, para perfis côncavos-convexos, como o S1210, mesmo com ângulos de ataques iguais a 0, já se tem uma sustentação, como pode ser visto nas figuras abaixo.
Figura 24 - Gráfico Cl x alpha para o perfil S1210.
Fonte: Javafoil
Figura 25 - Gráfico Cl x alpha para o perfil NACA 0012.
Fonte: Javafoil
Como Hansen (2008) mostra, as forças de sustentação e arrasto podem ser decompostas perpendiculares e paralelas à direção do escoamento, como mostra a figura abaixo.
Figura 26 - Definição de sustentação e arraso
Fonte. (HANSEN, 2008)
Se o aerofólio for projetado para uma aeronave, é óbvio que a relação L/D deve ser maximizada. A sustentação é a força usada para superar a gravidade e quanto maior a sustentação, maior a massa que pode ser levantada do chão. Para manter uma velocidade constante, o arrasto deve ser equilibrado por uma força de propulsão fornecida por um motor, e quanto menor o arrasto, menor o motor necessário. Coeficientes de elevação e arrasto Cl e Cd são definidos como: (HANSEN, 2008)
c V L Cl 2 2 1 = (1) c V D Cd 2 2 1 = (2)
Onde L e D representam a sustentação e arrasto, respectivamente,
é a densidade do fluido e c a corda do aerofólio.De forma análoga, para um aerogerador, as forças de sustentação e arrasto podem ser determinadas pelas seguintes equações:
𝐿 = 𝐶𝐿∙1 2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉 2 (3) 𝐷 = 𝐶𝐷∙1 2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉 2 (4)
Dessa forma, como citado por Hansen, desejamos obter a melhor relação L/D possível, ou
d l C C , possível. 3.6 Teoria de Betz
Segundo, Rocha (2008), somente uma parcela da energia cinética do vento que atinge a área das pás da turbina é convertida em energia rotacional do rotor. Essa conversão de parte da energia cinética dos ventos causa uma redução da sua velocidade logo após sua passagem pelas pás do aerogerador. Se tentarmos extrair toda a energia cinética do vento incidente, o ar ia acabar com a velocidade zero, ou seja, o ar não poderia sair da turbina. Nesse caso, não teríamos como extrair energia, uma vez que obviamente todo o ar também seria impedido de entrar no rotor da turbina. No outro caso extremo, a velocidade do vento após a passagem pelas pás se manteria igual à velocidade antes da passagem. Com isso, também não teríamos extraído energia do vento.
Em um caso hipotético em que ocorresse a extração de toda a energia do vento e sua velocidade fosse reduzida a zero após a turbina, ocorreria a recirculação do vento entre a esteira atrás da turbina, que teria velocidade zero, e a seção adjacente, que teria a velocidade do vento antes de atingir a turbina, como pode ser visto na figura X.
Figura 27 - Recirculação no caso de grande extração da energia do vento
Fonte: Hansen (2008)
Dessa forma, apenas parte da energia cinética dos ventos deve ser extraída de forma a otimizar a sua extração. Segundo (HAU, 2015), a energia cinética total contida em uma massa de ar de massa m e velocidade v pode ser expressa pela expressão:
𝐸 = 1 2𝑚𝑣
2 (5)
Considerando uma área A, onde o vento com velocidade v passa, o volume V que passa pela área pode ser expresso por:
𝑉̇ = 𝑣𝐴 (6)
E o fluxo de massa pode ser expresso por:
𝑚̇ = 𝜌𝑣𝐴 (7)
As equações que expressam a energia cinética contida em uma massa ar em movimento e o fluxo de massa produzem a quantidade de energia que passa pela seção A por unidade de tempo. Essa energia é idêntica à potência P:
𝐸 = 1 2𝜌𝑣
3𝐴 (8)
Porém, há o limite para extração dessa energia contida em uma massa de ar. Sabe-se que há uma diminuição da velocidade logo após a turbina, e como a massa de ar se conserva, a área transversal deve aumentar, como pode ser visto na figura 6:
Figura 28 - Volume de Controle na Turbina
Fonte: HAU, 2015
Na figura, a velocidade 𝑣1, é a velocidade de corrente livre, velocidade do vento antes de atingir as pás. 𝑣2, é a velocidade atrás das pás.
A energia mecânica convertida depende da diferença de potências na corrente de ar antes de depois da turbina:
𝑃 =1 2𝜌𝑣1 3𝐴 1− 1 2𝜌𝑣2 3𝐴 2 = 1 2𝜌(𝑣1 3 𝐴1− 𝑣23𝐴 2 (9)
Pela equação da continuidade: 𝜌𝑣13𝐴 1 = 𝜌𝑣23𝐴2 (10) Portanto: 𝑃 = 1 2𝜌𝑣1𝐴1(𝑣1 2− 𝑣 22) (11) Ou: 𝑃 = 1 2𝑚̇(𝑣1 2− 𝑣 22) (12)
A partir da fórmula, pode-se ver que o máximo de potência extraída na turbina aconteceria quando 𝑣2
fosse zero, um caso impossível, pois, se a velocidade após a turbina for
zero, a velocidade antes da turbina deve ser nula. Portanto, como esperado, um sentido físicoconsiste numa relação entre as velocidades antes de após a turbina, uma relação que produza o máximo de potência.
Para poder encontrar a relação entre as velocidades que apresentam uma potência ótima de extração, deve-se introduzir uma nova equação, a força que o ar exercer na turbina pode ser expresso pela seguinte equação:
𝐹 = 𝑚̇(𝑣1−𝑣2) (13)
De acordo com o princípio ação e reação, essa força, o empuxo, deve ser neutralizado por uma força igual exercida pela turbina no fluxo de ar. O empuxo, então, empurra a massa de ar à velocidade do ar 𝑣′, presente no plano de fluxo da turbina. A potência necessária para isso é:
𝑃 = 𝐹𝑣′ (14)
Assim, a potência mecânica extraída do fluxo de ar pode ser calculada tanto pela diferença de energia e também da diferença de potência, antes e depois da turbina, por um lado pelo empuxo e no outro, pela velocidade do fluxo de ar. Ao juntarmos essas duas expressões produzimos a relação que usa a velocidade do fluxo de ar:
1 2𝑚̇(𝑣1 2 − 𝑣22) = 𝑚̇(𝑣1−𝑣2)𝑣′ (15) 𝑣′= 1 2(𝑣1+𝑣2) (16)
Dessa forma, conclui-se que a velocidade através da turbina consiste da média aritmética simples das velocidades antes e após a turbina. Dessa forma:
𝑚̇ = 𝜌𝐴𝑣′ = 1
2𝜌𝐴(𝑣1+ 𝑣2)
(17)
A potência mecânica do conversor pode ser expressa como:
𝑃 =1 4𝜌𝐴(𝑣1
2
− 𝑣22)(𝑣1+ 𝑣2) (18)
Para fornecer uma referência para essa potência, é comparada com a potência da corrente de ar livre que flui através da mesma área de seção transversal A, sem contar a potência mecânica extraída. Então, temos:
𝑃0 = 1 2𝜌𝑣1
3𝐴 1
(19)
A razão entre a potência mecânica extraída pela turbina e a potência mecânica disponível para extração é chamado de coeficiente de potência, 𝐶𝑝:
𝐶𝑝 = 𝑃 𝑃0 = 1 4 𝜌𝐴(𝑣12− 𝑣22)(𝑣1+ 𝑣2) 1 2 𝜌𝑣13𝐴1 (20)
Ao rearranjarmos, o coeficiente de potência pode ser expressado diretamente como função da razão 𝑣2⁄ : 𝑣1 𝐶𝑝 = 𝑃
𝑃
0 = 1 2 [1 −𝑣
22𝑣
12] [1 +𝑣
2𝑣
1] (21)O coeficiente de potência, ou razão da quantia de potência que pode ser extraída de uma corrente de ar livre, depende apenas das velocidades antes e depois da turbina. Ao plotar o coeficiente de potência versus a relação de velocidade, pode ser visto que o coeficiente atinge um máximo a uma certa relação de velocidade, de acordo com a figura 6:
Figura 29 - Gráfico da relação entre o coeficiente de potência e as velocidades na entrada e saída da turbina Fonte: Autor 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 C oe fic ie n te d e p ot ên ci a, Cp Relação de velocidades, v2/v1
O valor de máximo coeficiente de potência, 𝐶𝑝= 0,593, ocorre quando 𝑣2 𝑣1
⁄ =
1 3⁄ .
Betz foi o primeiro a encontrar esse valor importante, dessa forma, esse é conhecido como o coeficiente de Betz.
3.7 Torque no aerogerador
Sabe-se que o Empuxo é uma das formas de se chegar ao coeficiente de Betz. Os coeficientes de sustentação e arrasto influenciam no Empuxo numa pá de aerogerador. Dessa forma, como há uma busca para aumento do empuxo, permitindo a turbina extrair mais energia, deve-se buscar os melhores coeficientes de sustentação e arrasto capazes de maximizar o valor do empuxo.
Figura 30 - Torque gerado numa turbina Eólica devido à Sustentação e Arrasto
Fonte: (WENZEL, 2008)
Deve-se notar que a figura demonstra a força geradora de torque para uma pá de determinado perfil em movimento circular ao redor do eixo de rotação da turbina. No entanto, para uma pá fixa em túnel de vento, a força geradora de torque pode ser decomposta da mesma
forma, pois essa força depende apenas da decomposição das forças de Sustentação e Arrasto que atual no perfil.
De acordo com o triângulo de velocidades na figura 30, pode-se definir a velocidade resultante na asa, chamada de velocidade relativa, por:
𝑉𝑟2 = 𝑟
𝑤2 + 𝑉𝑤2 (22)
Também, tem-se as equações de Sustentação e Arrasto para tal configuração:
𝐿 = 𝐶𝐿∙ 1 2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉𝑟 2 (23) 𝐷 = 𝐶𝐷∙ 1 2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉𝑟 2 (24)
Após a realização da decomposição das forças na pá, de acordo com a figura 30, chega-se ao chega-seguinte resultado:
𝑇 = 𝐿 sin 𝜑 − 𝐷 cos 𝜑 (25)
Dessa, forma, podemos expressar o torque como uma combinação dos coeficientes de sustentação e arrasto: 𝑇 = 𝐶𝐿∙1 2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉𝑟 2sin 𝜑 − 𝐶 𝐷∙ 1 2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉𝑟 2cos 𝜑 (26) 𝑇 = 1 2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉𝑟 2(𝐶 𝐿∙ sin 𝜑 − 𝐶𝐷∙ cos 𝜑) (27)
Então, evidenciamos o Coeficiente de Torque, em função dos Coeficientes de Sustentação e Arrasto:
𝐶𝑇 = 𝐶𝐿∙ sin 𝜑 − 𝐶𝐷 ∙ cos 𝜑 (28)
Então, a equação 28, é reduzida para a seguinte expressão: 𝑇 = 1
2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉𝑟 2𝐶
𝑇
(29)
A potência mecânica é obtida através da multiplicação do Torque do motor multiplicado pela velocidade angular, ω, do rotor da turbina:
𝑃 = 𝑇ω (30) 𝑃 =1 2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑉𝑟 2𝐶 𝑇ω (31)
É possível, então, visualizar a contribuição dos coeficientes de sustentação e arrasto na performance de uma pá, já que tais coeficientes estão diretamente conectados ao torque que a turbina pode gerar, e consequentemente sua potência a ser extraída.
3.8 Túneis de vento
Túneis de vento são grandes tubos com o ar circulando por dentro. São usados para simular as ações de um objeto em vôo. A NASA usa túneis de vento para testar modelos em escala de aeronaves e naves espaciais. Alguns túneis de vento são grandes o suficiente para acomodar versões em tamanho real de veículos, onde, o vento move o ar em torno de um objeto, fazendo parecer que ele está realmente voando.
Na maioria das vezes, ventiladores movimentam o ar através do tubo. O objeto a ser testado é preso no túnel para que não se mova. O objeto pode ser um pequeno modelo de veículo. Pode ser apenas um pedaço de um veículo. Pode ser uma aeronave ou espaçonave de tamanho normal, ou até perfis de asa. O ar que se move ao redor do objeto estático mostra o que aconteceria se o objeto estivesse se movendo pelo ar. Como o ar se move pode ser estudado de diferentes maneiras. Instrumentos especiais são frequentemente usados para medir a força do ar no objeto, como sensores de pressão, temperatura, velocidade.
Os primeiros túneis de vento foram inventados no final do século 19, nos primeiros dias da pesquisa aeronáutica, quando muitos tentaram desenvolver máquinas voadoras mais pesadas que o ar. O túnel de vento foi concebido como um meio de reverter o paradigma usual: em vez de o ar ficar parado e um objeto se mover em velocidade através dele, o mesmo efeito seria obtido se o objeto parasse e o ar passasse a velocidade acima dele. Dessa maneira, um observador estacionário poderia estudar o objeto voador em ação e medir as forças aerodinâmicas impostas a ele.
O desenvolvimento de túneis de vento acompanhou o desenvolvimento do avião e grandes túneis de vento foram construídos durante a Segunda Guerra Mundial para aperfeiçoamento dos aviões, que sofreram grandes melhorias durante o período.
3.8.1 Escoamento
O fluido em contato com a superfície adquire a velocidade do corpo como resultado da condição de não deslizamento. Camadas limite formam-se tanto na superfície superior quanto na superfície inferior do corpo. (A espessura da camada limite em ambas as superfícies, na Fig. 9.1, está exageradamente ampliada para maior clareza.) O escoamento da camada limite é inicialmente laminar. A transição para escoamento turbulento ocorre a alguma distância do ponto de estagnação, distância esta que depende das condições da corrente livre, da rugosidade da superfície e do gradiente de pressão. (FOX, 2012)
Figura 31 - - Escoamento sobre um aerofólio
Fonte: (FOX, 2012)
Antes da histórica contribuição de Prandtl, a ciência da mecânica dos fluidos tinha sido desenvolvida em duas direções distintas. A hidrodinâmica teórica evoluiu das equações de Euler para o movimento de um fluido não viscoso. Como os resultados da hidrodinâmica contradiziam muitas observações experimentais, engenheiros práticos desenvolveram suas próprias artes empíricas da hidráulica. Estes estudos baseavam-se em dados experimentais e diferiam significativamente da abordagem puramente matemática da hidrodinâmica teórica.
Embora as equações completas que descrevem o movimento de um fluido viscoso fossem conhecidas antes de Prandtl, as dificuldades matemáticas para a sua solução (exceto para alguns casos simples) proibiam um tratamento teórico dos escoamentos viscosos. Prandtl mostrou que muitos escoamentos viscosos podem ser analisados dividindo o escoamento em duas regiões, uma perto das fronteiras sólidas e a outra cobrindo o resto do escoamento. Apenas na delgada região adjacente a uma fronteira sólida (a camada-limite) o efeito da viscosidade é
importante. Na região fora da camada-limite, o efeito da viscosidade é desprezível e o fluido pode ser tratado como não viscoso. O conceito de camada-limite forneceu o elo que faltava entre a teoria e a prática (principalmente porque ele introduziu a possibilidade teórica do arrasto!). Além disso, o conceito de camada-limite permitiu a solução de problemas de escoamentos viscosos, o que seria impossível pela aplicação das equações de Navier-Stokes ao campo completo do escoamento.1 Desse modo, a introdução do conceito de camada-limite marcou o começo da era moderna da mecânica dos fluidos. (FOX, 2012)
Figura 32 - Camada Limite sobre uma placa plana
4 Metodologia
Nesse capítulo serão vistas as ferramentas utilizadas para obtenção dos resultados apresentados nesse trabalho, assim como o detalhamento dos procedimentos para obtenção desses dados.
4.1 Seleção dos perfis
Inicialmente, foram selecionados 5 perfis prévios para escolha do mais adequado segundo análises nos softwares usados. Após extensa pesquisa, principalmente através em trabalhos da Universidade de Illinois, onde trabalha Michael Selig, participante de um grupo de estudos em Aerodinâmica na universidade.
Selig, juntamente com outros pesquisadores, lançou estudos feitos sobre diversos perfis aerodinâmicos, uma coletânea de Livros de Dados com diversos gráficos analisando inúmeros perfis usados em baixos números de Reynold, em (SELIG, Michael S., 2003), (SELIG, Michaels e colab., 1995), (SELIG, Michaels S. e colab., 1996), (SELIG, Michael S. e MCGRANAHAN, 2004), (PEREIRA e TUTIDA, 2015), (SALGADO e colab., 2016) e (ABBOTT e colab., 1945)
Foram então selecionados os 5 perfis: • SG6043
• E387 • S1210 • S1223 • SD7034
A escolha dos perfis foi feita através da análise da relação L/D encontrada na literatura. Os perfis que possuem o S como primeira letra, possuem contribuição de Selig em sua concepção e são dedicados a baixas velocidades e possuem uma boa sustentação.
Devido a intenção de se testar os perfis no túnel de vento, um deles deve ser selecionado para tal fim. Sabe-se que a relação entre as forças de sustentação e arrasto são um bom determinante para o bom rendimento do aerogerador. Tendo em vista esse dado, foi utilizado o software JavaFoil para análises dos 5 aerogeradores.
Figura 33 - JavaFoil, vista do perfil SG6043
Fonte: JavaFoil
Para ser possível analisar o perfil, pode-se carregar algum perfil do próprio banco de dados do programa, porém, os perfis selecionados não estavam no programa e teve que ser utilizado o site airfoiltoils para obtenção dos perfis.
Para importação, foi usado o site http://airfoiltools.com/, uma database que contém centenas de perfis aerodinâmicos. Foram coletados os pontos de dados e salvos em um arquivo de tipo.txt.
Figura 34 - Perfil no site Airfoiltools
Fonte: Autor
Para carregar o perfil no JavaFoil é necessário um conjunto de coordenadas X e Y, dessa forma, ao clicar-se em “Source dat file”, obtêm-se as coordenadas do perfil que serão salvas em arquivo .txt.
Com posse do arquivo .txt contendo as coordenadas, é possível clicar em “Abrir...” para carregar o perfil.
Figura 35 - Como carregar o perfil
Com o arquivo carregado, o programa ficará parecido com a figura 4. E pode-se iniciar os estudos de sustentação, arrasto e momento, sendo esse último não analisado no trabalho.
Para estudo dos perfils, usa-se a aba “Polar”, onde pode-se variar os números de Reynolds inicial e final para análise, assim como o incremento no número, lembrando que o programa só funciona para escoamentos subsônicos.
Também pode-se variar o ângulo de ataque inicial e final, da mesma forma que no número de Reynolds, também pode-se definir o intervalo de variação do ângulo de ataque.
Ao serem definidos os valores inicias e finais dos parâmetros de número de Reynolds e ângulo de ataque, assim como o intervalo, é possível obter gráficos e tabelas ao clicar em “Analiza-o”
Figura 36 - Análise do perfil
Apesar do software oferecer dados preliminares importantes para a análise, também foi realizado outro estudo numérico através da simulação no software ANSYS, e não foi utilizada uma envergadura infinita, como no JavaFoil, limitou-se a uma envergadura de 0,495 m, afim de ser realizado um estudo comparativo com (PEREIRA e TUTIDA, 2015).
4.2 JavaFoil
Para as análises numéricas do trabalho, o software JavaFoil foi utilizado. Após a seleção dos perfis e estudo do programa, foram realizados testes para diversos ângulos de ataque e baixos números de Reynolds, baseado em dados da literatura.
O programa foi desenvolvido por Martin Hepperle. “O JavaFoil é um programa relativamente simples, que utiliza vários métodos tradicionais para a análise de aerofólios em fluxo subsônico.
O principal objetivo do JAVAFOIL é determinar as características de sustentação, arrasto e momento dos aerofólios.
O programa primeiro calculará a distribuição da velocidade na superfície do aerofólio. Para isso, utiliza um módulo de análise de fluxo de potencial baseado em um método de painel de ordem superior (distribuição linear de vorticidade variável). Esta velocidade local e a pressão local são relacionadas pela equação de Bernoulli. A fim de encontrar o coeficiente de sustentação e o momento, a distribuição da pressão pode ser integrada ao longo da superfície.
Em seguida, o JAVAFOIL calculará o comportamento da camada de fluxo próxima à superfície do aerofólio (a camada limite). O módulo de análise da camada limite (um método chamado integral) segue as superfícies superior e inferior do aerofólio, começando no ponto de estagnação. Resolve um conjunto de equações diferenciais para encontrar os vários parâmetros da camada limite. Os dados da camada limite são então usados para calcular o arrasto do aerofólio de suas propriedades na borda posterior.
As duas etapas da análise são repetidas para cada ângulo de ataque, o que gera uma polar completa do aerofólio para um número fixo de Reynolds.
Ferramentas adicionais para a criação e modificação de aerofólios foram adicionadas para preencher a caixa de ferramentas.
Essas ferramentas são agrupadas em uma interface gráfica do usuário (GUI), projetada para ser fácil de usar e não muito complicada. A GUI está organizada em uma pilha de cartões, que será descrita mais adiante.
Comparado com programas similares, o JAVAFOIL também pode lidar com aerofólios com vários elementos e também simular o efeito do solo”. (HEPPERLE, 2017),
4.3 Escolha do perfil
Após a realização dos testes no JavaFoil, foi selecionado apenas o perfil S1223, visto na figura abaixo. O perfil apresentou elevados valores preliminares de CL/CD em comparação contra os outros perfis previamente selecionados.
Figura 37 - Perfil selecionado S1223
Fonte: Airfoiltools
O perfil tem espessura de 12,1% da corda à 19,8% da corda e posição de curvatura máxima de 8,1% da corda à 49% da corda. Seus pontos de dados X e Y estão nos anexos do trabalho
No trabalho também foi feito uma simulação numérica através do software Ansys, assim como no túnel de vento. No Ansys os valores de Sustentação e Arrasto foram calculados em simulações de 0 e 1 grau de ângulo de ataque. Já no túnel de vento os valores das forças foram adquiridos através de um sistema de balança. Segue abaixo detalhes da construção e do Ansys.
4.4 Dinâmica dos Fluidos Computacionais
Segundo (RIBEIRO, Diogo Eduardo e colab., 2002), O incessante crescimento da velocidade de processamento dos computadores, bem como sua capacidade de armazenamento, vem tornar possível, recentemente, a análise numérica de fenômenos físicos cada vez mais complexos e variados. A simulação numérica em Mecânica dos Fluidos e Transferência de
Calor, bastante conhecida como CFD – Computational Fluid Dynamics, teve um desenvolvimento impressionante nos últimos 20 anos.
Inicialmente, como uma ferramenta para análise de problemas físicos em nível de investigação científica e, atualmente, como uma ferramenta poderosa para a solução de importantes problemas aplicados da engenharia.
Uma das principais aplicações do CFD no ramo aerospacial tem como parte o dimensionamento de perfis (seções) de asas para posterior aplicação em áreas específicas. Progressos recentes na técnica de testes com modelos e nas capacidades computacionais tornaram possível projetar aerofólios com seções (perfis) que desenvolvem elevada sustentação ao mesmo tempo que mantém o arrasto muito baixo, quando submetidos a um baixo valor de Reynolds, são os chamados high lift low Reynolds number airfoils.
O número de volumes de controle a ser usado para a análise deve ser estabelecido por meio do estudo de convergência de malha, ou seja, analisa-se o mesmo caso com malhas de refinamentos diferentes e comparam-se os resultados. Quando o resultado entre dois refinamentos de malha não sofre alteração (ou muda muito pouco), diz-se que a convergência de malha foi atingida.
Com a malha gerada, passa-se à configuração da física do modelo, das condições de contorno e do solver. Depois disso, resolve-se o sistema de equações através de um processo iterativo, até a convergência, ou seja, quando a variação dos resultados entre duas iterações consecutivas ficar abaixo de um critério estabelecido pelo usuário.
A etapa final é a de pós-processamento, quando os resultados são avaliados por meio de ferramentas como vetores, linhas de corrente, distribuições de cores, planos de corte, isosuperfícies. (ESSS)
4.5 Construção do perfil
O perfil foi construído usando uma impressora 3D, devido ao seu tamanho grande, foram impressas duas metades, posteriormente coladas através de cola com material adequado para colagem do material da pá, o Poliácido Lático (PLA)
Figura 38 - Pá impressa em 3D
Fonte: Autor
Após a colagem, a asa foi colada a uma base rochosa e fixada com Durepox para evitar que se desloque durante os testes no túnel de vento.
Para os testes de sustentação da asa, a mesma é colocada diretamente sob a balança para medição da diferença de peso antes e após o túnel de vento ser ativado. Para facilitar a medição, antes do túnel ser ligado a balança é tarada, sendo assim, após o túnel ser ativado é esperado que a força de sustentação levante a asa. Através da medição direta na balança, podemos estimar o Coeficiente de Sustentação.
Figura 39 - Asa Montada na Balança
Fonte: Autor
Como a balança foi tarada antes do experimento começar, são esperados valores negativos na balança
Para a testagem da Sustentação, a asa foi apoiada sobre uma balança, após a balança indicar o peso, procedeu-se a tara da balança. Dessa forma, pode-se ver a diferença de peso causada pela sustentação diretamente na balança.
Para o arrasto, foi necessário um esquema de montagem que possibilite transformar a força horizontal causada pelo arrasto em uma força vertical, permitindo a medida na balança. A construção do experimento pode essa ser visto nas próximas figuras.
Figura 40 - Esquema de montagem da asa
Fonte: O Autor
Figura 41 - Esquema de montagem da asa
Para o experimento do arrasto, baseado nos dados obtidos no JavaFoil, valores próximos a 3,25 gramas eram esperados.
Figura 42 - Balança tarada para medição da diferença de peso
Fonte: O Autor
A balança mediu com sucesso valores consistentemente próximos a 3,20 gramas para o arrasto. Quaisquer alterações físicas no local como corrente de ar, vibrações ou se algum objeto encostar onde a balança está apoiada, causa uma mudança na aferição do peso em níveis de décimos ou centésimos de grama.
Por fim, foi feita uma simulação numérica simples para ser possível testar o modelo de asa em diferentes ângulos de ataque. Para uma simulação numérica, alguns passos devem ser seguidos para ser possível obter os resultados. Entre eles, pode-se citar:
• Definir os objetivos da simulação • Criar o modelo CAD
• Criar a malha computacional • Configura a simulação • Cálculo da solução
Os objetivos da simulação são obter um valor da Força na direção Y e na direção X para que possamos comparar com os valores obtidos no JavaFoil e os obtidos no procedimento experimental.
O modelo CAD criado foi um modelo 2D do perfil do aerofólio para uma simulação mais rápida. O domínio para a simulação pode ser visto na figura abaixo e foi calculado a partir da origem, que está na ponta esquerda da asa, foi criado, então, um semicírculo de 5 cordas para servir como condição de contorno de entrada.
Figura 43 - Modelo Computacional
Fonte: Autor
Pela figura acima, pode-se perceber uma região em verde, essa região foi criada para que possam ser criados elementos de refino de malha na região, devido a importância dos fluidodinâmicos do ar na seção próxima à asa e na sua esteira.
A malha computacional foi variada entre 3 tipos de malhas, sendo uma mais refinada, uma mediana e outra grosseira. As simulações foram executas em todas as malhas para que fosse possível afirmar que os resultados independiam das malhas. A figura da malha mais
