Tutoriais de Energias Alternativas
Design de Turbina Eólica para Energia Eólica
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No coração de qualquer sistema de geração de energia eólica renovável está a Turbina Eólica. Os projetos de turbinas eólicas geralmente consistem em um rotor, um gerador de corrente contínua (CC) ou um alternador de corrente alternada (CA) que é montado em uma torre alta acima do solo.
Então, como são as turbinas eólicas projetadas para produzir eletricidade? Em seus termos mais simples, uma turbina eólica é o oposto de uma casa ou de um ventilador de mesa. O ventilador usa a eletricidade da rede elétrica para girar e fazer circular o ar, fazendo o vento. Os projetos de turbinas eólicas, por outro lado, utilizam a força do vento para gerar eletricidade. O movimento do vento gira ou faz girar as pás das turbinas, que captam a energia cinética do vento e convertem essa energia em um movimento rotativo através de um eixo para acionar um gerador e fazer a eletricidade como mostrado.
Concepção típica de turbina eólica
A imagem acima mostra os componentes básicos que vão para compor um desenho típico de turbina eólica. Uma turbina eólica extrai a energia cinética do vento abrandando o vento, e transferindo esta energia para o eixo giratório, por isso é importante ter um bom design. A energia disponível no vento que está disponível para a colheita depende tanto da velocidade do vento como da área que é varrida pelas pás da turbina rotativa. Portanto, quanto mais rápida for a velocidade do vento ou quanto maior for a das pás do rotor, mais energia pode ser extraída do vento. Portanto, podemos dizer que a produção de energia eólica depende da interação entre as pás do rotor e o vento e é essa interação que é importante para o projeto de uma turbina eólica.
Para ajudar a melhorar essa interação e, portanto, aumentar a eficiência, dois tipos de projeto de turbina eólica estão disponíveis. O eixo horizontal comum e o projeto do eixo vertical. O projeto de turbina eólica de eixo horizontal captura mais vento de modo que a saída de energia é maior do que a de um projeto de turbina eólica de eixo vertical. A desvantagem do design do eixo horizontal é que a torre necessária para suportar a turbina eólica é muito maior e o design das pás do rotor tem que ser muito melhor.
A turbina de eixo vertical ou VAWT, é mais fácil de projetar e manter, mas oferece um desempenho inferior aos tipos de eixo horizontal, devido ao alto arrasto do seu design simples das pás do rotor. A maioria das turbinas eólicas que geram electricidade hoje em dia, comercialmente ou domesticamente, são máquinas de eixo horizontal, por isso são estes tipos de design de turbinas eólicas que vamos analisar neste tutorial de turbinas eólicas.
– O Rotor – Esta é a parte principal de um design moderno de turbinas eólicas que recolhe a energia do vento e a transforma em energia mecânica sob a forma de rotação. O rotor consiste em duas ou mais lâminas de madeira laminada, fibra de vidro ou metal e um cubo protector que gira (daí o seu nome) em torno de um eixo central.
Apenas como uma asa de avião, as lâminas de uma turbina eólica funcionam gerando elevação devido à sua forma curvada. As pás do rotor extraem parte da energia cinética das massas de ar em movimento de acordo com o princípio de elevação a uma taxa determinada pela velocidade do vento e pela forma das pás. O resultado líquido é uma força de elevação perpendicular à direção do fluxo do ar. Então o truque é projetar a pá do rotor para criar a quantidade certa de elevação e impulso das pás do rotor produzindo uma ótima desaceleração do ar e não mais.
Felizmente as pás do rotor das turbinas não captam 100% de toda a potência do vento, pois isso significaria que o ar atrás das pás das turbinas ficaria completamente parado e, portanto, não permitiria que mais nenhum vento passasse através das pás. A eficiência máxima teórica que as pás de rotor das turbinas podem extrair da energia eólica é entre 30 e 45% e que depende das seguintes variáveis das pás de rotor: Projeto da pá, número da pá, comprimento da pá, passo/ângulo da pá, forma da pá e materiais e peso da pá, para citar alguns.
– Projeto da pá – O projeto da pá do rotor opera com base no princípio do método de elevação ou de arrasto para extrair energia das massas de ar que fluem. O desenho da lâmina de elevação emprega o mesmo princípio que permite aos aviões, papagaios e pássaros voarem produzindo uma força de elevação que é perpendicular à direção do movimento. A pá de rotor é essencialmente um aerofólio, ou asa de forma semelhante a uma asa de avião. Como a pá corta através do ar, é criada uma velocidade do vento e um diferencial de pressão entre a superfície superior e inferior da pá.
A pressão na superfície inferior é maior e assim actua para “levantar” a pá para cima, por isso queremos que esta força seja a maior possível. Quando as pás são fixadas a um eixo de rotação central, como um rotor de turbina eólica, esta elevação é traduzida num movimento de rotação.
A força de elevação é uma força de arrasto que é paralela à direcção do movimento e causa turbulência em torno da borda de fuga da pá à medida que esta corta através do ar. Esta turbulência tem um efeito de travagem sobre a lâmina, por isso queremos tornar esta força de arrastamento o mais pequena possível. A combinação de elevação e arrasto faz com que o rotor gire como uma hélice.
Designs de arrasto são mais usados para projetos de turbinas eólicas verticais que têm pás grandes ou de forma curva. O vento empurra literalmente as pás para fora do caminho que estão ligadas a um eixo central. As vantagens das pás de rotor projetadas por arrasto são velocidades de rotação mais lentas e alta capacidade de torque, tornando-as úteis para o bombeamento de água e a potência de máquinas agrícolas. As turbinas eólicas movidas por elevação têm uma velocidade de rotação muito superior aos tipos de arrasto e, portanto, são bem adequadas para a geração de eletricidade.
– Número de pás – O número de pás de rotor que um projeto de turbina eólica tem é geralmente determinado pela eficiência aerodinâmica e custo. A turbina eólica ideal teria muitas pás de rotor fino, mas a maioria dos geradores de turbinas eólicas de eixo horizontal tem apenas uma, duas ou três pás de rotor. Aumentar o número de pás de rotor acima de três dá apenas um pequeno aumento na eficiência do rotor, mas aumenta o seu custo, por isso geralmente não são necessárias mais de três pás, mas pequenos geradores de turbinas multi-lâminas de alta rotação estão disponíveis para uso doméstico. Geralmente, quanto menor o número de pás, menos material é necessário durante a fabricação reduzindo seu custo total e complexidade.
Single bladed rotors têm um peso de contrapeso no lado oposto do rotor, mas sofrem de alta tensão de material e vibração devido ao seu movimento de rotação não suave da pá única que deve se mover mais rapidamente para capturar a mesma quantidade de energia eólica. Também com rotores de pás simples ou mesmo duplas, a maior parte do movimento de ar disponível e, portanto, a energia eólica passa através da área da seção transversal da turbina sem interagir com o rotor diminuindo sua eficiência.
Os rotores de pás múltiplas, por outro lado, têm uma operação de rotação mais suave e níveis de ruído mais baixos. Velocidades de rotação e torque mais lentos são possíveis com projetos multi-lâminas que reduzem as tensões no trem de acionamento, resultando em menores custos de caixa de engrenagens e gerador. No entanto, projetos de turbinas eólicas com muitas pás ou pás muito largas estarão sujeitos a forças muito grandes em ventos muito fortes, razão pela qual a maioria dos projetos de turbinas eólicas usam três pás de rotor.
– Um número ímpar ou par de pás de rotor? – Um projeto de turbina eólica que tem um número “EVEN” de pás de rotor, 2, 4 ou 6, etc, pode sofrer de problemas de estabilidade ao girar. Isto é porque cada pá de rotor tem uma pá exata e oposta que está localizada a 180o na direção oposta. À medida que o rotor gira, no momento em que a lâmina mais alta está apontando verticalmente para cima (posição 12 horas) a lâmina mais baixa está apontando diretamente para baixo na frente da torre de suporte da turbina. O resultado é que a lâmina mais alta se dobra para trás, porque recebe a força máxima do vento, chamada “carga de impulso”, enquanto a lâmina mais baixa passa para a área livre de vento diretamente na frente da torre de suporte.
Esta flexão desigual das pás do rotor da turbina (a mais alta curvada no vento e a mais baixa reta) a cada alinhamento vertical produz forças indesejadas nas pás do rotor e no eixo do rotor à medida que as duas pás se flexionam para frente e para trás enquanto giram. Para uma pequena turbina rígida de alumínio ou aço, isto pode não ser um problema ao contrário das pás plásticas reforçadas com fibra de vidro.
Um projeto de turbina eólica que tem um número “ODD” de pás do rotor (pelo menos três pás) gira mais suavemente porque as forças giroscópicas e de flexão são mais equilibradas através das pás aumentando a estabilidade da turbina. O desenho mais comum das turbinas eólicas com pás é o da turbina com três pás. A eficiência energética de um rotor de três pás é ligeiramente superior à de um rotor de duas pás de tamanho semelhante e, devido à pá adicional, elas podem girar mais lentamente, reduzindo o desgaste e o ruído.
Além disso, para evitar turbulência e interação entre as pás adjacentes, o espaçamento entre cada pá de um projeto com várias pás e sua velocidade de rotação deve ser suficientemente grande para que uma pá não encontre o fluxo de ar perturbado e mais fraco causado pela pá anterior passando pelo mesmo ponto imediatamente antes dela. Devido a esta limitação, a maioria das turbinas eólicas do tipo estranho tem um máximo de três pás em seus rotores e geralmente giram a velocidades mais lentas.
De um modo geral, três rotores de turbinas com pás se integram melhor na paisagem, são mais atraentes esteticamente e são mais eficientes aerodinamicamente do que dois projetos de pás, o que contribui para o fato de que três turbinas eólicas com pás são mais dominantes no mercado de geração de energia eólica. Embora alguns fabricantes produzam turbinas de duas e seis pás (para veleiros). Outras vantagens dos rotores de (três) pás incluem um funcionamento mais suave, menos ruído e menos greves de pássaros que compensam a desvantagem dos custos mais elevados de material. O nível de ruído não é afectado significativamente pela contagem de pás.
– Comprimento das pás do rotor – Três factores determinam a quantidade de energia cinética que pode ser extraída do vento por uma turbina eólica: “a densidade do ar”, “a velocidade do vento” e “a área do rotor”. A densidade do ar depende de quão acima do nível do mar você está enquanto a velocidade do vento é controlada pelo clima. No entanto, podemos controlar a área de rotação varrida pelas pás do rotor aumentando o seu comprimento, pois o tamanho do rotor determina a quantidade de energia cinética que uma turbina eólica é capaz de capturar do vento.
As pás do rotor giram em torno de um rolamento central formando um círculo perfeito de 360o à medida que gira e, como sabemos da escola, a área de um círculo é dada como: π.r2. Assim, à medida que a área varrida do rotor aumenta, a área que ele cobre também aumenta com o quadrado do raio. Assim, a duplicação do comprimento das pás de uma turbina resulta num aumento de quatro vezes a sua área, o que lhe permite receber quatro vezes mais energia eólica. No entanto, isto aumenta muito o tamanho, o peso e, em última análise, o custo do desenho da turbina eólica.
Um aspecto importante do comprimento das pás é a velocidade de rotação da ponta do rotor resultante da velocidade angular. Quanto maior o comprimento das pás da turbina, mais rápida é a rotação da ponta para uma determinada velocidade do vento. Da mesma forma, para um determinado comprimento de pá de rotor, quanto maior for a velocidade do vento, mais rápida será a rotação. Então por que não podemos ter um projeto de turbina eólica com pás de rotor muito mais longas operando em um ambiente ventoso produzindo muita eletricidade livre do vento. A resposta é que há um ponto onde o comprimento das pás do rotor e a velocidade do vento reduz realmente a eficiência de saída da turbina. É por isso que muitos projetos de turbinas eólicas maiores giram a velocidades muito mais lentas.
Eficiência é uma função de quão rápido a ponta do rotor gira para uma determinada velocidade do vento produzindo uma relação constante de velocidade do vento para a ponta chamada “tip-speed ratio” ( λ ) que é uma unidade sem dimensões usada para maximizar a eficiência do rotor. Em outras palavras, “taxa de velocidade da ponta” (TSR) é a taxa da velocidade da ponta da pá rotativa em rpm para a velocidade do vento em mph, e um bom projeto de turbina eólica determinará a potência do rotor para qualquer combinação de vento e velocidade do rotor. Quanto maior for esta relação, mais rápida será a rotação do rotor da turbina eólica a uma determinada velocidade do vento. A velocidade do eixo que o rotor também é fixo é dada em rotações por minuto (rpm) e depende da velocidade da ponta e do diâmetro das pás das turbinas.
A velocidade de rotação das turbinas é definida como: rpm = velocidade do vento x relação de velocidade da ponta x 60 / (diâmetro x π).
Se um rotor de turbinas gira muito lentamente, permite que muito vento passe sem ser perturbado e, portanto, não extrai tanta energia quanto poderia. Por outro lado, se a pá do rotor gira muito rápido, parece ao vento como um grande disco circular de rotação plana, o que cria grandes quantidades de arrasto e perdas na ponta, retardando o rotor para baixo. Portanto, é importante combinar a velocidade de rotação do rotor da turbina com uma determinada velocidade do vento para que se obtenha a eficiência ótima.
Turbine rotores com menos pás atingem sua eficiência máxima com relações de velocidade de ponta mais altas e, geralmente, três projetos de turbinas eólicas com pás para geração elétrica têm uma relação de velocidade de ponta entre 6 e 8, mas funcionarão mais suavemente porque têm três pás. Por outro lado, as turbinas usadas para aplicações de bombeamento de água têm uma relação de velocidade de ponta mais baixa, entre 1,5 e 2, pois são especialmente projetadas para alta geração de torque em baixas velocidades.
– Passo/Angulo da Pá do Rotor – as pás do rotor da turbina eólica de projeto fixo não são geralmente retas ou planas como as asas do aerofólio do avião, mas, em vez disso, têm uma pequena torção e conicidade ao longo de seu comprimento desde a ponta até a raiz para permitir as diferentes velocidades de rotação ao longo da pá. Esta torção permite que a pá absorva a energia do vento quando o vento vem de diferentes ângulos tangenciais e não apenas em linha recta. Uma pá de rotor reta ou plana vai parar de dar elevação e pode até parar (empatar), se a pá de rotor for atingida pelo vento em ângulos diferentes, chamado “ângulo de ataque”, especialmente se este ângulo de ataque for muito íngreme.
Por isso, para manter a pá de rotor vendo um ângulo ótimo de ataque aumentando a elevação e eficiência, as pás de projeto de turbinas eólicas são geralmente torcidas ao longo de todo o comprimento da pá. Além disso, esta torção no projeto da turbina eólica impede que as pás do rotor girem muito rápido em altas velocidades de vento.
No entanto, para projetos de turbinas eólicas muito grandes usadas para geração de energia elétrica, esta torção das pás pode tornar a sua construção muito complicada e cara, por isso alguma outra forma de controle aerodinâmico é usado para manter o ângulo de ataque das pás perfeitamente alinhado com a direção do vento.
A potência aerodinâmica produzida pela turbina eólica pode ser controlada ajustando o ângulo de inclinação da turbina eólica em relação ao ângulo de ataque do vento à medida que cada pá é rodada sobre o seu eixo longitudinal. Então as pás do rotor com controle de passo podem ser mais planas e retas, mas geralmente estas grandes pás têm uma torção similar em sua geometria, mas muito menor para otimizar a carga tangencial na pá do rotor.
Cada pá de rotor tem um mecanismo de torção rotacional, seja passivo ou dinâmico embutido na raiz da pá, produzindo um controle de passo incremental uniforme ao longo de seu comprimento (torção constante). A quantidade de passo necessária é de apenas alguns graus, pois pequenas alterações no ângulo de passo podem ter um efeito dramático na saída de potência, como sabemos pelo tutorial anterior que a energia contida no vento é proporcional ao cubo da velocidade do vento.
Uma das maiores vantagens do controlo do passo da pá do rotor é o aumento da janela da velocidade do vento. Um ângulo de passo positivo produz um grande torque de partida quando o rotor começa a girar diminuindo sua velocidade de corte do vento. Da mesma forma, em velocidades de vento elevadas quando o limite máximo de velocidade dos rotores é atingido, o passo pode ser controlado para evitar que as rpm dos rotores excedam o seu limite, reduzindo a sua eficiência e ângulo de ataque.
A regulação da potência de uma turbina eólica pode ser conseguida utilizando o controlo do passo nas pás do rotor para reduzir ou aumentar a força de elevação nas pás através do controlo do ângulo de ataque. Pás de rotor menores conseguem isto incorporando uma pequena torção no seu design. As grandes turbinas eólicas comerciais usam o controle de passo quer passivo, com a ajuda de molas centrífugas e alavancas (semelhantes aos rotores dos helicópteros), quer activo, usando pequenos motores eléctricos incorporados no cubo das pás para o rodar os poucos graus necessários. As principais desvantagens do controle de passo são a confiabilidade e o custo.
– Construção das pás – a energia cinética extraída do vento é influenciada pela geometria das pás do rotor e a determinação da forma e design aerodinâmico ótimo das pás é importante. Mas assim como o desenho aerodinâmico da pá do rotor, o desenho estrutural é igualmente importante. O desenho estrutural consiste na selecção do material das pás e na sua resistência à flexão e flexão pela energia dos ventos enquanto giram.
Obviamente, o material de construção ideal para uma pá de rotor combinaria as propriedades estruturais necessárias de alta relação força/peso, alta resistência à fadiga, rigidez, a sua frequência natural de vibração e resistência à fadiga juntamente com o baixo custo e a capacidade de ser facilmente formada na forma aerofólio desejada.
As pás de rotores de turbinas menores usadas em aplicações residenciais que variam em tamanho a partir de 100 watts são geralmente feitas de madeira maciça esculpida, laminados de madeira ou compósitos de lâminas de madeira, bem como alumínio ou aço. As pás de rotor de madeira são fortes, leves, baratas, flexíveis e populares na maioria dos projetos de turbinas eólicas do tipo “faça você mesmo”, pois podem ser facilmente fabricadas. No entanto, a baixa resistência dos laminados de madeira em comparação com outros materiais de madeira torna-os inadequados para lâminas com designs esbeltos operando em altas velocidades de ponta.
Pás de alumínio também são leves, fortes e fáceis de trabalhar, mas são mais caros, facilmente dobráveis e sofrem de fadiga do metal. Da mesma forma, as lâminas de aço utilizam o material mais barato e podem ser formadas e moldadas em painéis curvos seguindo o perfil de aerofólio necessário. No entanto, é muito mais difícil introduzir uma torção nos painéis de aço, e juntamente com as pobres propriedades de fadiga, o que significa que enferruja, significa que o aço raramente é usado.
As pás de rotor usadas para o projeto de turbinas eólicas de eixo horizontal muito grande são feitas de compósitos plásticos reforçados com os compósitos mais comuns que consistem em fibra de vidro/ resina de poliéster, fibra de vidro/epoxy, fibra de vidro/poliéster e compósitos de fibra de carbono. Os compósitos de fibra de vidro e fibra de carbono têm uma relação de resistência à compressão/peso substancialmente mais elevada em comparação com os outros materiais. Além disso, a fibra de vidro é leve, forte, barata, tem boas características de fadiga e pode ser usada em vários processos de fabricação.
O tamanho, tipo e construção da turbina eólica que você pode precisar depende de sua aplicação específica e dos requisitos de potência. Pequenos projetos de turbinas eólicas variam em tamanho de 20 watts a 50 kilowatts (kW) com turbinas menores ou “micro” (20 a 500 watts) a serem usadas em locais residenciais para uma variedade de aplicações como geração de energia elétrica para carregamento de baterias e alimentação de luzes.
A energia eólica está entre as fontes de energia renovável de crescimento mais rápido do mundo, pois é um recurso energético limpo, amplamente distribuído e abundante, tem custo zero de combustível, tecnologia de geração de energia livre de emissões. A maioria dos aerogeradores modernos disponíveis atualmente são projetados para serem instalados e usados em instalações do tipo residencial.
Como resultado, são fabricados menores e mais leves, permitindo que sejam rápida e facilmente montados diretamente em um telhado ou em um poste ou torre curta. A instalação de um novo gerador de turbina como parte do seu sistema de energia eólica doméstico lhe permitirá reduzir a maioria dos custos mais elevados de manutenção e instalação de uma torre de turbina mais alta e mais cara como você teria feito no passado.
No próximo tutorial sobre Energia Eólica, vamos olhar para o funcionamento e design de geradores de turbinas eólicas usadas para gerar eletricidade como parte de um sistema de geração de turbina eólica doméstica.