Projeto de uma Turbina Eolica

UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS UNISINOS UNIDADE ACADÊMICA DE GRADUAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA CATIUCE CASTRO ANTUNES JOAO VITOR ESCANDIEL JORDANI LUCAS JONER DA SILVA MAURO RAFAEL BUBLITZ MIZUTA TRABALHO GRAU B DIMENSIONAMENTO DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL São Leopoldo 2024 1 DADOS DE ENTRADA DO PROJETO2 2 CURVA DE DISTRIBUIÇÃO DO VENTO3 3 PARÂMETROS CALCULADOS4 4 ESFORÇOS GERADOS SOBRE AS PÁS11 5 RESULTADOS ENERGÉTICOS11 5 CONCLUSÃO11 2 1 DADOS DE ENTRADA DO PROJETO Foi definido analisando o atlas eólico do Brasil a cidade de Cabo FrioRJ para a análise dos dados de potencial eólico com o fim de dimensionar a turbina Foi considerada uma velocidade do vento de 9 ms a altura de 50 m e de 1ms a 10 m O fator de forma de Weibull para o local é de k25 A potência escolhida para a turbina a ser modelada é de 1000 W com o seu cubo a 15 m de altura o fator de potência inicial é Cp045 e a razão de velocidade global é de γ 7 3 2 CURVA DE DISTRIBUIÇÃO DO VENTO No local a curva de distribuição do vento é da seguinte forma sendo que ventos em torno de 5 a 8 ms são os mais frequentes 4 3 PARÂMETROS CALCULADOS Gráfico do ângulo de incidência do vento Gráfico da corda da pá sem correção do efeito de perdas na ponta 5 Gráfico do ângulo de passo da pá Gráfico do fator de indução axial sem correção do efeito de perdas na ponta 6 Gráfico do fator de indução angular sem correção do efeito de perdas na ponta Gráfico da velocidade relativa do vento sem correção do efeito de perdas na ponta 7 Gráfico do número de Reynolds sem correção do efeito de perdas na ponta Gráfico da corda da pá com correção do efeito de perdas na ponta 8 Gráfico do fator de indução axial com correção do efeito de perdas na ponta 9 Gráfico do fator de indução angular com correção do efeito de perdas na ponta Gráfico da velocidade relativa do vento com correção do efeito de perdas na ponta 10 Gráfico do número de Reynolds com correção do efeito de perdas na ponta 11 4 ESFORÇOS GERADOS SOBRE AS PÁS FN 299 N FT 5024 N Q 4992 N MN 126 N MT 2511 N 5 RESULTADOS ENERGÉTICOS Potência Gerada P 1227 W Coeficiente de potência Cp 04599 Potência média anual PW 1747 W 5 CONCLUSÃO Com a ajuda do EES foi possível realizar os cálculos para o dimensionamento da turbina eólica de forma organizada e assertiva possibilitando a visualização gráfica da relação entre os parâmetros 1 Universidade do Vale do Rio dos Sinos Unisinos Escola Politécnica Curso de Engenharia de Energia e Eng Elétrica 20241 Trabalho 3 Correspondente à avaliação do GB Valor 100 Este trabalho tem como objetivo apresentar os principais resultados e a análise destes resultados obtidos do desenvolvimento do programa de dimensionamento de uma turbina eólica de eixo horizontal realizado no EES Será formado apenas um grupo de trabalho A divisão das tarefas deverá ser de responsabilidade do grupo A entrega final será em forma de relatório com postagem no Moodle Em linhas gerais o trabalhorelatório deverá conter as seguintes informações 1 Dados de entrada do projeto 2 Apresentação do gráfico da curva de distribuição de frequência do vento para o local 3 Gráficos dos parâmetros calculados sem correção e com correção do efeito das perdas na ponta 4 Resultados das forças e momentos gerados sobre as pás 5 Resultados para a potência gerada coeficiente de potência e a potência média anual 6 Análise final da ferramenta UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS UNISINOS UNIDADE ACADÊMICA DE GRADUAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA CATIUCE CASTRO ANTUNES JOAO VITOR ESCANDIEL JORDANI LUCAS JONER DA SILVA MAURO RAFAEL BUBLITZ MIZUTA TRABALHO GRAU B DIMENSIONAMENTO DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL São Leopoldo 2024 1 DADOS DE ENTRADA DO PROJETO 2 2 CURVA DE DISTRIBUIÇÃO DO VENTO 3 3 PARÂMETROS CALCULADOS 4 4 ESFORÇOS GERADOS SOBRE AS PÁS 10 5 RESULTADOS ENERGÉTICOS 10 5 CONCLUSÃO 10 2 1 DADOS DE ENTRADA DO PROJETO Foi definido analisando o atlas eólico do Brasil a cidade de Cabo FrioRJ para a análise dos dados de potencial eólico com o fim de dimensionar a turbina Foi considerada uma velocidade do vento de 9 ms a altura de 50 m e de 1ms a 10 m O fator de forma de Weibull para o local é de k25 A potência escolhida para a turbina a ser modelada é de 1000 W com o seu cubo a 15 m de altura o fator de potência inicial é Cp045 e a razão de velocidade global é de γ 7 3 2 CURVA DE DISTRIBUIÇÃO DO VENTO No local a curva de distribuição do vento é da seguinte forma sendo que ventos em torno de 5 a 8 ms são os mais frequentes Fonte O autor A distribuição segue uma forma quase normal com uma inclinação rápida para valores menores de velocidade e uma cauda longa para valores maiores A turbina deve ser otimizada para operar de forma eficiente na faixa de 5 a 8 ms que é o intervalo onde ela extrai a maior quantidade de energia No entanto é importante considerar a variabilidade do vento A turbina deve ser capaz de operar em uma faixa mais ampla de velocidades mesmo que com menor eficiência A estrutura da turbina deve ser robusta o suficiente para suportar ventos de maior velocidade que apesar de menos frequentes podem exercer forças significativas sobre a turbina 4 3 PARÂMETROS CALCULADOS Gráfico 2 ângulo de incidência do vento Fonte O autor O ângulo de incidência do vento diminui à medida que se desloca da raiz para a ponta da pá Este comportamento é esperado e de certa forma também é desejável pois ajusta o ângulo de captação ao longo da pá para maximizar a eficiência aerodinâmica e a força de sustentação Como a ponta da pá está em uma posição mais alta do que a raiz ela está exposta a uma velocidade de vento maior Para evitar que a ponta da pá gere uma força excessiva e cause vibrações e desgaste o ângulo de incidência do vento é reduzido Isso garante que a força aerodinâmica seja distribuída de forma mais uniforme ao longo da pá otimizando a geração de energia 5 Gráfico 3 corda da pá sem correção do efeito de perdas na ponta Gráfico 4 corda da pá com correção do efeito de perdas na ponta Fonte O autor 6 Observamos que a corda aumenta rapidamente atingindo um pico próximo a 03 na posição radial Este pico indica que a pá é mais larga próximo ao início da sua extensão o que ajuda a capturar mais energia do vento Após o pico a corda diminui gradualmente o que é típico no design de pás de turbinas eólicas pois uma pá mais fina em direção à ponta reduz a resistência aerodinâmica e melhora a eficiência No entanto a corda se mantém relativamente pequena em torno de r2 mostrando que a ponta da pá é bastante fina Sem correção de perdas esta forma poderia não ser ideal para minimizar os vórtices de ponta Observando o gráfico com as correções aplicadas é possível ver um pico similar ao gráfico sem correção atingindo um valor ligeiramente inferior cerca de 023 na mesma posição radial de aproximadamente 03 Isso indica que a base da pá continua sendo desenhada para capturar eficientemente a energia do vento A declinação da corda ao longo da extensão da pá é ajustada para ser mais gradual mantendo uma forma aerodinâmica eficiente enquanto reduz a espessura da pá de maneira otimizada A principal diferença está na extremidade da pá onde a corda diminui de forma mais acentuada em comparação com a versão sem correção Isso é intencional para minimizar as perdas aerodinâmicas causadas pelos vórtices de ponta A forma da corda da pá sem correção é adequada para capturar energia mas pode gerar perdas significativas nas extremidades Com a correção a forma ajustada permite uma captura de energia mais eficiente ao longo de toda a extensão da pá A correção nas extremidades reduz a formação de vórtices de ponta que são responsáveis por uma parte considerável das perdas aerodinâmicas Reduzir esses vórtices resulta em um melhor desempenho da turbina Uma distribuição mais uniforme das forças ao longo da pá é alcançada com a correção diminuindo o estresse mecânico e prolongando a vida útil da pá 7 Gráfico 5 ângulo de passo da pá Fonte O autor Temos uma função exponencial decrescente para o ângulo de passo da pá Isso significa que o ângulo de passo diminui exponencialmente com o aumento do raio da pá Em outras palavras a ponta da pá tem um ângulo de passo menor do que a raiz da pá Essa variação do ângulo é uma característica comum em projetos de turbinas eólicas Ela garante que a força aerodinâmica seja distribuída de forma mais eficiente ao longo da pá otimizando o desempenho da turbina A principal razão para essa variação é que a velocidade do vento aumenta com a altura Como a ponta da pá está mais alta do que a raiz ela está exposta a uma velocidade de vento maior Se o ângulo de passo fosse constante ao longo da pá a ponta da pá geraria muita força aerodinâmica o que poderia causar vibrações e desgaste 8 Gráfico 6 fator de indução axial sem correção do efeito de perdas na ponta Fonte O autor Gráfico 7 fator de indução axial com correção do efeito de perdas na ponta 9 No primeiro gráfico que não considera a correção de perdas o eixo X representa a posição ao longo da pá do rotor desde o centro cubo até a ponta enquanto o eixo Y representa o fator de indução axial A curva indica um rápido aumento inicial do fator de indução axial próximo ao cubo estabilizandose em torno de 032 a partir de aproximadamente ri04 até o final da pá Isso sugere que a redução da velocidade do vento é relativamente uniforme ao longo da maior parte da pá No segundo gráfico que inclui a correção do efeito de perdas na ponta o eixo X novamente representa a posição ao longo da pá e o eixo Y representa o fator de indução axial corrigido A curva mostra um fator de indução axial constante em torno de 03 até aproximadamente ri16 Após esse ponto o fator de indução axial aumenta drasticamente atingindo quase 1 na ponta da pá Este aumento reflete as perdas aerodinâmicas nas extremidades da pá onde a eficiência diminui devido ao vórtice de ponta e às turbulências Comparando os dois gráficos notase que sem a correção de perdas o fator de indução axial é mais uniforme ao longo da pá o que pode levar a uma superestimação da eficiência da turbina Com a correção a realidade é mais precisa mostrando uma diminuição da eficiência nas pontas das pás crucial para a modelagem correta do desempenho da turbina Gráfico 8 fator de indução angular sem correção do efeito de perdas na ponta 10 Gráfico 9 fator de indução angular com correção do efeito de perdas na ponta Fonte O autor A curva é mais pronunciada e decresce rapidamente sem a correção atingindo um valor próximo a zero no raio da turbina Isso ocorre porque o fator de indução angular é diretamente proporcional à densidade do fluxo de ar que diminui à medida que se aproxima da ponta da turbina resultando em uma menor velocidade do vento Com a correção que considera a redução da velocidade do vento na ponta da turbina devido ao efeito de pontatemos um aumento da velocidade do vento no centro da turbina Como resultado a curva do gráfico é menos pronunciada com uma maior velocidade do vento na região central da turbina e decresce mais lentamente em relação à curva do gráfico 7 11 Gráfico 10 velocidade relativa do vento sem correção do efeito de perdas na ponta Gráfico 11 velocidade relativa do vento com correção do efeito de perdas na ponta Fonte O autor 12 O gráfico 10 sem a correção do efeito de perdas na ponta mostra uma curva linear ascendente demonstrando que a velocidade do vento aumenta linearmente com o raio da turbina O gráfico da velocidade relativa do vento com a correção do efeito de perdas na ponta por outro lado apresenta uma curva mais suave com um aumento menos pronunciado na velocidade do vento em relação ao raio da turbina Essa correção indica que na ponta da turbina a velocidade do vento é menor devido à perda de energia cinética enquanto no centro da turbina a velocidade é maior resultando em um perfil de velocidade mais uniforme ao longo do raio A diferença entre os gráficos evidencia a importância de considerar o efeito de perdas na ponta para obter uma representação mais precisa da velocidade do vento na turbina O efeito de ponta que se manifesta na redução da velocidade do vento na ponta das pás da turbina influencia a distribuição da velocidade ao longo do raio levando a um aumento da velocidade do vento no centro da turbina e a uma redução na ponta Gráfico 12 número de Reynolds sem correção do efeito de perdas na ponta 13 Gráfico 13 número de Reynolds com correção do efeito de perdas na ponta Os gráficos 12 e 13 representam a variação do número de Reynolds ao longo do raio da turbina com e sem a correção do efeito de perdas na ponta respectivamente O gráfico 12 sem a correção mostra um perfil ascendente com o número de Reynolds aumentando gradualmente ao longo do raio A curva tende a se estabilizar em torno de um valor constante indicando que sem a correção a viscosidade do fluido e consequentemente o número de Reynolds não variam significativamente ao longo do raio Quando a correção é aplicada observase uma curva com um pico mais pronunciado no centro da turbina e uma redução mais acentuada em direção à ponta Essa diferença indica que a correção do efeito de ponta leva a uma variação significativa do número de Reynolds ao longo do raio Ou seja o efeito de ponta ao influenciar a velocidade do vento e a viscosidade do fluido causa uma variação significativa do número de Reynolds ao longo do raio da turbina evidenciando a importância de considerar essa correção nas análises de desempenho da turbina eólica 14 4 ESFORÇOS GERADOS SOBRE AS PÁS FN 299 N FT 5024 N Q 4992 N MN 126 N MT 2511 N 5 RESULTADOS ENERGÉTICOS Potência Gerada P 1227 W Coeficiente de potência Cp 04599 Potência média anual PW 1747 W 5 CONCLUSÃO Com a ajuda do EES foi possível realizar os cálculos para o dimensionamento da turbina eólica de forma organizada e assertiva possibilitando a visualização gráfica da relação entre os parâmetros UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS UNISINOS UNIDADE ACADÊMICA DE GRADUAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA DE ENERGIA CATIUCE CASTRO ANTUNES JOAO VITOR ESCANDIEL JORDANI LUCAS JONER DA SILVA MAURO RAFAEL BUBLITZ MIZUTA TRABALHO GRAU B DIMENSIONAMENTO DE UMA TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL São Leopoldo 2024 1 DADOS DE ENTRADA DO PROJETO2 2 CURVA DE DISTRIBUIÇÃO DO VENTO3 3 Parâmetros calculados3 4 ESFORÇOS gerados sobre as pás13 5 RESULTADOS ENERGÉTICOS14 5 CONCLUSÃO14 2 1 DADOS DE ENTRADA DO PROJETO Foi definido analisando o atlas eólico do Brasil a cidade de Cabo FrioRJ para a análise dos dados de potencial eólico com o fim de dimensionar a turbina Foi considerada uma velocidade do vento de 9 ms a altura de 50 m e de 1ms a 10 m O fator de forma de Weibull para o local é de k25 A potência escolhida para a turbina a ser modelada é de 1000 W com o seu cubo a 15 m de altura o fator de potência inicial é Cp045 e a razão de velocidade global é de γ 7 3 2 CURVA DE DISTRIBUIÇÃO DO VENTO No local a curva de distribuição do vento é da seguinte forma sendo que ventos em torno de 5 a 8 ms são os mais frequentes Fonte O autor A distribuição segue uma forma quase normal com uma inclinação rápida para valores menores de velocidade e uma cauda longa para valores maiores A turbina deve ser otimizada para operar de forma eficiente na faixa de 5 a 8 ms que é o intervalo onde ela extrai a maior quantidade de energia No entanto é importante considerar a variabilidade do vento A turbina deve ser capaz de operar em uma faixa mais ampla de velocidades mesmo que com menor eficiência A estrutura da turbina deve ser robusta o suficiente para suportar ventos de maior velocidade que apesar de menos frequentes podem exercer forças significativas sobre a turbina 3 PARÂMETROS CALCULADOS Gráfico 2 ângulo de incidência do vento 4 Fonte O autor O ângulo de incidência do vento diminui à medida que se desloca da raiz para a ponta da pá Este comportamento é esperado e de certa forma também é desejável pois ajusta o ângulo de captação ao longo da pá para maximizar a eficiência aerodinâmica e a força de sustentação Como a ponta da pá está em uma posição mais alta do que a raiz ela está exposta a uma velocidade de vento maior Para evitar que a ponta da pá gere uma força excessiva e cause vibrações e desgaste o ângulo de incidência do vento é reduzido Isso garante que a força aerodinâmica seja distribuída de forma mais uniforme ao longo da pá otimizando a geração de energia Gráfico 3 corda da pá sem correção do efeito de perdas na ponta 5 Gráfico 4 corda da pá com correção do efeito de perdas na ponta Fonte O autor 6 Observamos que a corda aumenta rapidamente atingindo um pico próximo a 03 na posição radial Este pico indica que a pá é mais larga próximo ao início da sua extensão o que ajuda a capturar mais energia do vento Após o pico a corda diminui gradualmente o que é típico no design de pás de turbinas eólicas pois uma pá mais fina em direção à ponta reduz a resistência aerodinâmica e melhora a eficiência No entanto a corda se mantém relativamente pequena em torno de r2 mostrando que a ponta da pá é bastante fina Sem correção de perdas esta forma poderia não ser ideal para minimizar os vórtices de ponta Observando o gráfico com as correções aplicadas é possível ver um pico similar ao gráfico sem correção atingindo um valor ligeiramente inferior cerca de 023 na mesma posição radial de aproximadamente 03 Isso indica que a base da pá continua sendo desenhada para capturar eficientemente a energia do vento A declinação da corda ao longo da extensão da pá é ajustada para ser mais gradual mantendo uma forma aerodinâmica eficiente enquanto reduz a espessura da pá de maneira otimizada A principal diferença está na extremidade da pá onde a corda diminui de forma mais acentuada em comparação com a versão sem correção Isso é intencional para minimizar as perdas aerodinâmicas causadas pelos vórtices de ponta A forma da corda da pá sem correção é adequada para capturar energia mas pode gerar perdas significativas nas extremidades Com a correção a forma ajustada permite uma captura de energia mais eficiente ao longo de toda a extensão da pá A correção nas extremidades reduz a formação de vórtices de ponta que são responsáveis por uma parte considerável das perdas aerodinâmicas Reduzir esses vórtices resulta em um melhor desempenho da turbina Uma distribuição mais uniforme das forças ao longo da pá é alcançada com a correção diminuindo o estresse mecânico e prolongando a vida útil da pá Gráfico 5 ângulo de passo da pá 7 Fonte O autor Temos uma função exponencial decrescente para o ângulo de passo da pá Isso significa que o ângulo de passo diminui exponencialmente com o aumento do raio da pá Em outras palavras a ponta da pá tem um ângulo de passo menor do que a raiz da pá Essa variação do ângulo é uma característica comum em projetos de turbinas eólicas Ela garante que a força aerodinâmica seja distribuída de forma mais eficiente ao longo da pá otimizando o desempenho da turbina A principal razão para essa variação é que a velocidade do vento aumenta com a altura Como a ponta da pá está mais alta do que a raiz ela está exposta a uma velocidade de vento maior Se o ângulo de passo fosse constante ao longo da pá a ponta da pá geraria muita força aerodinâmica o que poderia causar vibrações e desgaste Gráfico 6 fator de indução axial sem correção do efeito de perdas na ponta 8 Fonte O autor Gráfico 7 fator de indução axial com correção do efeito de perdas na ponta No primeiro gráfico que não considera a correção de perdas o eixo X representa a posição ao longo da pá do rotor desde o centro cubo até a ponta enquanto o eixo Y 9 representa o fator de indução axial A curva indica um rápido aumento inicial do fator de indução axial próximo ao cubo estabilizandose em torno de 032 a partir de aproximadamente ri04 até o final da pá Isso sugere que a redução da velocidade do vento é relativamente uniforme ao longo da maior parte da pá No segundo gráfico que inclui a correção do efeito de perdas na ponta o eixo X novamente representa a posição ao longo da pá e o eixo Y representa o fator de indução axial corrigido A curva mostra um fator de indução axial constante em torno de 03 até aproximadamente ri16 Após esse ponto o fator de indução axial aumenta drasticamente atingindo quase 1 na ponta da pá Este aumento reflete as perdas aerodinâmicas nas extremidades da pá onde a eficiência diminui devido ao vórtice de ponta e às turbulências Comparando os dois gráficos notase que sem a correção de perdas o fator de indução axial é mais uniforme ao longo da pá o que pode levar a uma superestimação da eficiência da turbina Com a correção a realidade é mais precisa mostrando uma diminuição da eficiência nas pontas das pás crucial para a modelagem correta do desempenho da turbina Gráfico 8 fator de indução angular sem correção do efeito de perdas na ponta Gráfico 9 fator de indução angular com correção do efeito de perdas na ponta 10 Fonte O autor A curva é mais pronunciada e decresce rapidamente sem a correção atingindo um valor próximo a zero no raio da turbina Isso ocorre porque o fator de indução angular é diretamente proporcional à densidade do fluxo de ar que diminui à medida que se aproxima da ponta da turbina resultando em uma menor velocidade do vento Com a correção que considera a redução da velocidade do vento na ponta da turbina devido ao efeito de pontatemos um aumento da velocidade do vento no centro da turbina Como resultado a curva do gráfico é menos pronunciada com uma maior velocidade do vento na região central da turbina e decresce mais lentamente em relação à curva do gráfico 7 Gráfico 10 velocidade relativa do vento sem correção do efeito de perdas na ponta 11 Gráfico 11 velocidade relativa do vento com correção do efeito de perdas na ponta Fonte O autor 12 O gráfico 10 sem a correção do efeito de perdas na ponta mostra uma curva linear ascendente demonstrando que a velocidade do vento aumenta linearmente com o raio da turbina O gráfico da velocidade relativa do vento com a correção do efeito de perdas na ponta por outro lado apresenta uma curva mais suave com um aumento menos pronunciado na velocidade do vento em relação ao raio da turbina Essa correção indica que na ponta da turbina a velocidade do vento é menor devido à perda de energia cinética enquanto no centro da turbina a velocidade é maior resultando em um perfil de velocidade mais uniforme ao longo do raio A diferença entre os gráficos evidencia a importância de considerar o efeito de perdas na ponta para obter uma representação mais precisa da velocidade do vento na turbina O efeito de ponta que se manifesta na redução da velocidade do vento na ponta das pás da turbina influencia a distribuição da velocidade ao longo do raio levando a um aumento da velocidade do vento no centro da turbina e a uma redução na ponta Gráfico 12 número de Reynolds sem correção do efeito de perdas na ponta 13 Gráfico 13 número de Reynolds com correção do efeito de perdas na ponta Os gráficos 12 e 13 representam a variação do número de Reynolds ao longo do raio da turbina com e sem a correção do efeito de perdas na ponta respectivamente O gráfico 12 sem a correção mostra um perfil ascendente com o número de Reynolds aumentando gradualmente ao longo do raio A curva tende a se estabilizar em torno de um valor constante indicando que sem a correção a viscosidade do fluido e consequentemente o número de Reynolds não variam significativamente ao longo do raio Quando a correção é aplicada observase uma curva com um pico mais pronunciado no centro da turbina e uma redução mais acentuada em direção à ponta Essa diferença indica que a correção do efeito de ponta leva a uma variação significativa do número de Reynolds ao longo do raio Ou seja o efeito de ponta ao influenciar a velocidade do vento e a viscosidade do fluido causa uma variação significativa do número de Reynolds ao longo do raio da turbina evidenciando a importância de considerar essa correção nas análises de desempenho da turbina eólica 4 ESFORÇOS GERADOS SOBRE AS PÁS FN 299 N 14 FT 5024 N Q 4992 N MN 126 N MT 2511 N 5 RESULTADOS ENERGÉTICOS Potência Gerada P 1227 W Coeficiente de potência Cp 04599 Potência média anual PW 1747 W 5 CONCLUSÃO Com a ajuda do EES foi possível realizar os cálculos para o dimensionamento da turbina eólica de forma organizada e assertiva possibilitando a visualização gráfica da relação entre os parâmetros