PROJETO DE PÁS DE TURBINAS EÓLICAS DE ALTA PERFORMANCE AERODINÂMICA

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1 Anais do 15 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XV ENCITA / 2009 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil Outubro 19 a PROJETO DE PÁS DE TURBINAS EÓLICAS DE ALTA PERFORMANCE AERODINÂMICA Francisco Tarcísio Guedes Lima Verde Neto Instituto Tecnológico de Aeronáutica : Praça Marechal Eduardo Gomes 50 Vila das Acácias. São José dos Campos S. Paulo Brasil. Bolsista PIBIC-CNPq tarcisiolv@gmail.com Maurício Vicente Donadon Instituto Tecnológico de Aeronáutica : Praça Marechal Eduardo Gomes 50 Vila das Acácias. São José dos Campos S. Paulo Brasil. donadon@ita.br Resumo. O propósito deste artigo é descrever as etapas do projeto de pás para turbinas de energia eólica utilizando aplicações da Teoria de Momentos e análise do tipo Vortex Lattice para a validação do projeto. Palavras chave: Teoria dos MomentosTurbinas EólicasVortex LatticeProjeto. 1.Introdução A utilização da energia eólica acompanha o ser humano há muito tempo desde velas de barcos e cataventos até hoje com o desenvolvimento das turbinas eólicas para a geração de energia elétrica. Assim sendo esse projeto utilizando técnicas teóricas e computacionais desenvolve o projeto de uma turbina eólica de alta eficiência tomando como base a produção de energia elétrica para um gerador eólico de 24kW para a região rural do Vale do Paraíba. 2.Obtenção dos Parâmetros 2.1. Velocidade do Vento Para a obtenção dos parâmetros que utilizaríamos para o projeto era necessária uma pesquisa em certas fontes para obter dois parâmetros principais e determinantes para o decorrer do projeto. Um deles era a velocidade do vento na região que podia ser obtida facilmente em (INPE[Online]visitado em2008). Foram utilizados os dados para a estação de Guaratinguetá. Devido às alterações climáticas ao longo do ano na região decidi tomar os dados para o período de 1 ano e assim fazer a média aritmética. Assim sendo obtive o valor de 397m/s Perfil Aerodinâmico Para a escolha do perfil aerodinâmico foram usadas duas fontes de pesquisa para aerofólios possíveis uma lista de aerofólios ensaiados por (Risø National Laboratory[Online] visitado em 2008) e aerofólios de baixo Reynolds encontrados em (UIUC Coordinate Database visitado em 2008). Assim sendo procurando o aerofólio que possuísse uma relação de Sustentação/Arrasto maior seria utilizado.tais ensaios foram realizados no DesignFoil.Assim foi utilizado o aerofólio S814 que possui C Lmáx =1435 a um ângulo de ataque de Obtenção da Geometria do Rotor 3.1 WT_Design Foi fornecido para estudo um programa desenvolvido pelo GPTE/ITA ( Grupo de Pesquisa em Tecnologia Eólica do Instituto Tecnológico de Aeronáutica) que utiliza a teoria dos Momentos para fazer a predição da geometria da pá.

2 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Figura 1- Interface do WT_Design. Assim sendo com uma razão entre o raio da raiz e da ponta da pá de 01 e um λ=6 justificado pelo gráfico encontrado em (Burton 2001 pág65) podemos rodar através do MATLAB o programa e assim obter os resultados para a geometria expostos na Tabela 1. Tabela 1- Dados de Entrada do WT_Design: Entrada Valor Potência (W) Velocidade do Vento (m/s) 397 Densidade do Ar (kg/m³) 1225 Lambda ( Razão entre a velocidade na 6 ponta da pá e a velocidade do vento). Razão Radial raiz/ponta 01 C Lmáx 1435 α(c Lmáx ) ( ) 14 Número de Pás 3 Fator de Perdas Elétricas e mecânicas (%) 70 O programa fornece vários dados mas os principais para o nosso estudo são: Ângulo de torção da Pá Perfil de Corda e o Diâmetro da pá. Figura 2- Perfil de Corda da pá para configuração ótima e prática.

3 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Figura 3- Torção da Pá. Lembrando ainda que o diâmetro obtido foi de 46m. 3.2 Obtenção da Geometria Tridimiensional Com os dados obtidos e utilizando uma macro no Excel conseguimos obter um desenho 3D da geometria desejada que é exposta abaixo: Figura 4- Geometria da Pá Ótima Agora desenvolvemos também a geometria da asa prática:

4 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Figura 5- Geometria da Pá Prática (Torção) Figura 6- Geometria da Pá Prática (Torção) 4. Testes CFD Para os testes CFD foi utilizado um programa chamado AVL (Athena Vortex LAttice) encontrado em (AVL[Online]visitado em 2009.) e realizado o teste para a asa ótima. Para o procedimento do teste utilizamos o escoamento na ponta da asa ao longo de toda a asa obtendo assim os parâmetros aerodinâmicos ao longo das divisões feitas para a simulação. Os valores para o fluxo são encontrados na Tabela 2. Tabela 2- Dados para o fluxo na ponta da pá. Velocidade Absoluta Ângulo de Incidência As divisões foram feitas ao longo da pá mais frequentemente em regiões onde há uma concavidade maior obtendo assim mais perfeição na simulação. Assim sendo a figura gerada pelo AVL para a simulação:

5 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Figura 7- Malha Gerada no AVL. Assim obtivemos resultados aerodinâmicos expostos na tabela 3 para cada divisão. Tabela 3- Dados Aerodinâmicos para a seção. J Yle Chord Area c cl ai cl_norm Cl cd

6 Anais do XV ENCITA 2009 ITA Outubro Assim façamos as comparações aerodinâmicas devidas salientando que teoricamente o coeficiente de sustentação é o mesmo para o caso teórico. Figura 8- Comparação dos resultados. 5.Conclusão e Comentários Finais Podemos observar que há na simulação feita uma aproximação com o valor de previsto teoricamente para a sustentação. Podemos atribuir esses erros tanto à diferença de métodos utilizados para a obtenção ( aproximação utilizada para a simulação por exemplo) ao fato de os ensaios no DesignFoil terem sido feitos em Reynolds diferentes. De uma maneira geral o trabalho foi muito bem conduzido e pudemos obter resultados expressivos para os testes. 6. Agradecimentos Em primeiro lugar a Deus razão pela qual tudo existe. Agradeço também ao apoio da minha família não excluindo amigos e namorada. Agradeço especialmente ao ITA pelo embasamento teórico que me fornece além do preparo suficiente para aprender o que almejar com a obstinação e sede de sucesso que essa escola nos condiciona a ter. Sou bastante grato ao professor Maurício pela oportunidade de participar desse projeto empolgante e que me ajuda a situar meus anseios profissionais e a ter contato com uma área que talvez não tivesse sem realizar esse projeto. Por fim agradeço ao CNPq não só pelo incentivo que recebo mas pela oportunidade que o mesmo semeia por todo o país desenvolvendo a educação superior e o aparato tecnológico do nosso país. 7. Referências AVL. [Online] Burton T.Sharpe D.Jenkins N. Bossanyi E.. Wiley2001. Wind Energy Handbook. Londres. INPE. CPTEC. [Online] Risø National Laboratory. Wind turbine Airfoil Catalogue. Risø National Laboratory Website. [Online] UIUC Coordinate Database. [Online]