TCC_UniFG_2022 ( Dimencionamneto e fabricação de pás de torres eolicas (TEEH) (1)

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Dimensionamento e fabricação de Pás de torres eólicas (TEEH)
Hallan de cassio carvalho da costa
Estudante de Engenharia Mecanica, Joaboatão dos Guarapes, Brasil, hdmuska27@gmail.com
Paternak
Professor do Curso de Engenharia Mecânica, UniFG, Jaboatão dos guararapes, Brasil, E-mail
Resumo: O setor de energia eólica se mostra promissor a nível nacional e principalmente no nordeste
brasileiro. A complexidade envolvida no projeto de aerogeradores em especial ao seu sistema de pás requer
um certo nível de conhecimento por parte do corpo de engenharia responsável pelo dimensionamento das
mesmas, é possível se encontrar uma vasta gama de materiais acadêmicos e publicações relacionadas ao tema
energia eólica o qual muitas das vezes aborda o tema de forma geral, a complexidade dos cálculos voltados
para aerodinâmica quando se fala em pás eólicas torna o estudo ainda mais intrigante neste contexto
buscamos compilar o máximo de informações volta ao dimensionamento de pás eólicas abordando de forma
clara todo o seu processo de fabricação desde a escolha do local de instalação, dimensionamento e fabricação
do sistema de pás, estudando o componente suas características e complexidades, utilizando de métodos e
técnicas deste a sua idealização até a fabricação e montagem, estudo das equações matemáticas, estudo das
forças atuantes no componente, materiais e métodos de fabricação.
PALAVRAS-CHAVE: Energia, eólica, torres (TEEH), Pás
ABSTRACT: The wind energy sector shows promise at the national level and especially in the Brazilian
northeast. The complexity involved in the design of wind turbines, in particular its blade system, requires a
certain level of knowledge on the part of the engineering body responsible for their sizing, it is possible to
find a wide range of academic materials and publications related to the wind energy theme. which often
addresses the topic in a general way, the complexity of the calculations aimed at aerodynamics when talking
about wind blades makes the study even more intriguing in this context we seek to compile as much
information back to the dimensioning of wind blades clearly addressing all the its manufacturing process
from the choice of installation site, dimensioning and fabrication of the blade system, studying the
component its characteristics and complexities, using methods and techniques from its idealization to
fabrication and assembly, study of mathematical equations, study of forces acting on the component,
materials and manufacturing methods.
KEYWORDS: Energy, wind, towers (TEEH), blades
1 Introdução
O nordeste brasileiro é considerado atualmente o referencial na produção de energia eólica do Brasil
sendo atualmente o polo de energia eólica nacional Segundo o CEBDS (2019) o nordeste corresponde por
86% da produção de energia eólica no país que já conta com mais de 700 parques eólicos, segundo a
associação brasileira de energia eólica (ABEEolica ). Sendo destes 601 na região nordeste, cerca de 90% da
energia consumida no nordeste brasileiro é desta fonte segundo dados da NEOENERGIA (2020)
Diante da atual situação do planeta e com as medidas referentes ao protocolo de kyoto(1997) em
relação ao aquecimento global e as políticas públicas cada vez mais rígidas para redução de gases poluentes e
de diminuição ao consumo de combustível fóssil um dos principais responsáveis pelo alta emissão de na𝐶𝑂2
atmosfera terrestre a exemplo o carvão, petróleo e etc, e a real necessidade dos países em serem
auto-suficientes na geração de energia que é de suma importância para o desenvolvimento econômico e
social de uma nação, a captação e geração de energia através dos ventos de nosso estado por meio dos
parques eólicos se mostra sem dúvida uma solução promissora desde sua implantação nos meados do ano de
2006 quando contávamos com apenas 4 parques eólicos no país segundo a operadora nacional de sistemas
elétricos (ONS 2006 ).
Atualmente a principal fonte de geração de energia brasileira é oriunda das hidrelétricas que apesar de
ser uma energia limpa sem danos ao meio ambiente e fonte renovável, tem lá suas desvantagens.
Embora seja um recurso natural, não se pode dizer que é inesgotável, pois dependemos diretamente
dos volumes dos nossos mananciais de água para garantirmos a geração de forma eficiente, e nossos
mananciais dependem do volume de chuvas e da intensidade da mesma para se recarregarem. Com o baixo
volume de chuva, nossos mananciais diminuem a sua capacidade de armazenamento e consequentemente
nossas hidrelétricas têm uma baixa produção de energia tendo que buscar outras fontes para garantir o
fornecimento necessário para o país, o que impacta diretamente no custo de produção do KW (Neoenergia
2022).
Neste sentido a região nordeste se mostra bastante promissora haja vista que como baixo volume de
chuva se tem a maior intensidade e velocidade dos ventos o que e primordial para setor eólico, atualmente o
nordeste brasileiro dispõe de inúmeros sítios com as maiores intensidades e velocidades de ventos do brasil.(
Neoenergia 2022)
O vento constitui uma imensa fonte de energia natural e renovável, a partir dele somos capazes de
gerar uma grande quantidade de energia elétrica. Para este feito utilizamos equipamentos chamados de
aerogeradores que possuem potência nominal variando de 1 kw a 7 kw. A tecnologia aplicada para captação
da geração de energia eólica vem se desenvolvendo ao longo das três últimas décadas elevando
substancialmente o porte dos equipamentos fabricados pelas indústrias de aerogeradores (Copyright © 2016
Empresa de Pesquisa Energética (EPE). Entretanto, estas indústrias dispõem de poucos fabricantes a nível
mundial. Os 15 maiores fabricantes de aerogeradores de grande porte detém cerca de 82% do mercado
mundial. Destes, oito possuem sede na China, inclusive a atual líder, Goldwind que conta com cerca de
(12,63%) do mercado mundial, e que recentemente desbancou a dinamarquesa Vestas com (11,94%), hoje
vice-líder (dados de 2015 Escritório Técnico de Estudos Econômicos do Nordeste - ETENE). Observe-se que
fabricantes de origem chinesa detém mais de um terço do mercado mundial de aerogeradores, seguidos pelos
alemães, com cerca de 20% do total (cadernos setoriais ETENE 2017)
2 Metodologia
A partir da premissa de uma revisão bibliográfica sobre os tema de energia eólica seus componentes e
dando ênfase à dimensionamento, materiais e fabricação de um dos principais componentes de um
aerogerador sendo este seu sistema de pá, utilizamos como meio de pesquisa artigos científicos, trabalhos
acadêmicos e site voltado para o tema no busca por informações para composição de um material de leitura
didático porém abrangente, com literatura de fácil absorção por parte do leitor. Utilizamos sites como google
acadêmico pesquisando conteúdo em vários trabalho de doutorados e conclusão de bacharelado em
diferentes áreas de conhecimento como aerodinâmica, engenharia civil, de materiais, elétrica, mecânica. sites
de escolas técnicas como: senai, sesc, ifpe dentre outros buscando compilar o máximo de dados possíveis
relacionado ao tema sempre com a preocupação da transparência da informação por partes dos seus
respectivos idealizadores. realizamos cruzamento de dados e fontes buscando a máxima fidelidade e
veracidade do que aqui está transcrito.
2.1 Principais fabricantes de torres eólicas (TEEHs)
Em relação aos fabricantes de aerogeradores podemos destacar 9 deles onde atualmente, os 5 maiores
são responsáveis pelo fornecimento de cerca de 90% dos equipamentos em operação sendo eles ( EPE
empresa de pesquisas energéticas 2021):
● Alstom/GE, possui 5,905 MW em operação no Brasil em 7 estados (RS, BA, PE, RN, CE, PI e MA),
● A Siemens/Gamesa, possui 3.556 MW em operação divididos em 7 estados (RS, BA, PE, PB, RN,
CE e PI), A Vestas, possui 1.741 MW em operação, divididos em 5 estados (RS, RJ, BA, PE e RN),
● A Wobben-Enercon, possui 1.556 MW em operação, distribuídos em 7 estados (RS, SC, BA, PB,
RN, CE e PI)
https://www.ge.com/renewableenergy/
https://www.siemensgamesa.com/en-inthttp://www.br.vestas.com/
https://www.enercon.de/home/
● A Nordex/Acciona, possui 1.185 MW em operação, distribuídos em 5 estados (RS, BA, RN, CE e
PI).
Os aerogeradores podem ser classificados de diversas formas com relação ao porte das turbinas se
classificam em (DR. DIEGO ROBERTO SOUSA LIMA 2021):
● Pequenas (potência nominal menor que 500 kw)
● Médias (potência nominal entre 500 kw e 1000 kw)
● Grandes (potencial nominal maior que 1 MW)
No início de sua utilização surgiram turbinas de vários tipos com eixo horizontal ou vertical, com
diferentes números de pás e geradores. Com o passar do tempo se firmou no mercado o projeto de turbinas
eólicas com as seguintes características: eixo de rotação horizontal, três pás, alinhamento ativo, gerador de
indução (assíncrono) e estrutura não-flexível (CBEE, 2000 apud ANEEL, 2007). É sobre o sistema de pás
eólicas um dos principais componentes deste tipo de torre que iremos abordar de forma mais detalhada ao
longo desta pesquisa.
3 Referencial teórico
A energia eólica pode ser aproveitados por meios de dois diferentes tipos de parques os com torres de
geração onshore (terrestre) ou offshore (instalada no mar), apesar de dispormos apenas de parques de energia
onshore no Brasil, os parques offshore tem se mostrado bastante promissor principalmente na europa. A
maior vantagem da geração offshore (instalada no mar) em relação à onshore (terrestre) é a alta capacidade
das turbinas, uma vez que o oceano permite a instalação de equipamentos de maior dimensão (Erika
Carvalho Nogueira 2021).
Um bom exemplo é um equipamento de 10 MW, com diâmetro do rotor de 193 metros e pás de 94
metros, com implantação comercial prevista para este ano 2022 o protótipo vai ser instalado na Baía de
Xinghua, que é uma plataforma Chinesa de testes para grandes turbinas eólicas em regime offshore
(echoenergia 2019).
No maior parque marítimo do mundo, o Walney Extension, localizado no noroeste da Inglaterra, os
aerogeradores têm 8.25MW e 7 MW, com aerogeradores de cerca 195 metros de altura (Portal da energia
energias renováveis 2018). Para se ter uma ideia, as maiores turbinas (onshore) terrestres do Brasil têm,
aproximadamente, 4 MW e aerogeradores de 158 m ( willian marcos luis meneses (pesqui fabespe) .
Apesar de sermos banhados pelo segundo maior oceano do mundo, o oceano atlântico, o que nos dá
um território marítimo de 3,6 milhões de (Tiago jokura 2018). Ainda não dispomos de parques eólicos𝑘𝑚2
offshore.
O brasil atualmente encontra-se em processo licitatório para a instalação de parques eólicos offshore que
somados nos darão uma capacidade de geração de 42 gigawatts ultrapassando a capacidade dos parques
onshore que é de 18 GW ao todo os 42 GW estão distribuídos em 20 parques em 7 estados brasileiros sendo
(Bahia, Ceará, Espírito Santo, Piauí, Rio de Janeiro, Rio grande do Norte e Rio Grande do Sul) os parque
deverão ser instalados a cerca de 20km da costa em profundidades de 15 e 30 metros, contaremos ao todo
com 320 aerogeradores e 160 parques cada um capacidade nominal de 12 GW. Atualmente o nordeste
brasileiro conta com cerca de 601 parques eólicos onshore o que nos dá um total de cerca de 7 mil
aerogeradores (segundo ABBeolica). Dentre as maiores fabricantes de aerogeradores podemos destacar
quatro delas como principais fornecedoras do mercado brasileiro sendo: GE, Vestas, Acciona e a Alstom
(epbr 1 de abril de 2022 Em Eólica, Transição energética). O que nos desperta a curiosidade quanto aos
funcionamento dos aerogeradores eólicos seu principais componentes e características o discorreremos ao
longo desta revisão bibliografica.
.
https://www.nordex-online.com/en/
https://epbr.com.br/author/redacao/
https://epbr.com.br/eolicas-offshore-projetadas-para-o-brasil-chegam-a-106-gw/
https://epbr.com.br/mercado/setor-eletrico/eolica/
https://epbr.com.br/clima/transicao-energetica/
4 Tipos de torres eólicas
Embora existam vários tipos de turbinas eólicas, tanto de eixo horizontal (TEEH) como vertical
(TEEV) e com números de pás variados, de configurações diversas como contra o vento ou a montante
(upwind) ou a favor do vento ou ajustante (downwind) entretanto um tipo de turbina se tornou se tornou o
padrão das turbinas eólicas modernas: a turbina de eixo horizontal e três pás na configuração upwind
conforme citado em artigo publicado por (Dr Diego Roberto Souza Lima 2021) no site da oak engenharia em
1 de agosto de 2020 o qual discorremos um pouco e daremos ênfase a um dos seus principais componentes
nesta pesquisa.Vejamos agora alguns dos principais modelos de (TEEV) criados.
A principal configuração das (TEEV) se dá pelo fato de que o vento atinge de forma perpendicular o
eixo de rotação da turbina que tem sua fixação de forma vertical. Promovendo assim a possibilidade da
transformação da energia cinética dos ventos em energia mecânica e posteriormente em energia elétrica. As
(TEEVs) atuais se destacam tanto por sua elegância e graciosidades que são usadas em sua maioria como
obras de artes em pontos turísticos,hotéis e shopping centers de algumas cidades.
Alguns dos principais modelos de turbina ( TEEVs) encontradas no mercado para uso residencial ou
de pequenos portes são: Savonius, Darrieus e Panemone. As forças atuantes dos ventos sobre essas diferentes
turbinas podem ser dos tipos: força de arrasto e força de sustentação ou a combinação das duas forças em
conjunto.
4.1 Turbina do tipo savonius
A turbina Savonius foi desenvolvida em meados do século 1929 na Finlândia por Sigurd J. Savonius
porém a mesma foi patenteada nos EUA na mesma época conforme mostrado na figura 4.1.
Figura 4.1.(Turbina eólica de eixo vertical do tipo Savonius)
fonte (oak energia)
Seu rotor atua sobre força de arrasto predominantemente porém ainda sim existe a força de sustentação
as quais proporcionam o movimento de rotação da turbina. E por conta das combinações das força de
sustentação e arrasto que esta turbina se torna capaz de desenvolver um alto torque de partida mesmo com a
baixa velocidade do vento. Um dos principais benefícios é que ele é capaz de funcionar com ventos de
qualquer direção e possuem diversos modelos que visam maximizar a eficiência energética do equipamento.
Entretanto podemos ressaltar como uma das principais desvantagens da Savonius a limitação de
velocidade de rotação da turbina acarretando assim na baixa eficiência energética da mesma.
4.2 Turbina do tipo Darrieus
Desenvolvida por volta de 1920 pelo francês G.J.M Darrieus, diferentemente da Savonius a força
motriz desta turbina se dá apenas pela força de sustentação conforme se pode verificar nas figuras (4.2 e
4.2.1).
Figura 4.2 (Turbina eólica de eixo vertical do tipo Darrieus com lâminas ou pás retas)
Figura 4.2.1( Turbina eólica de eixo vertical do tipo Darrieus com lâminas ou pás helicoidais)
fonte (oak energia)
São constituídas por hélices de lâminas curvas, retas ou helicoidais podendo ser duas ou três hélices de
perfil aerodinâmico atadas na extremidade ou no eixo vertical, criando assim a sustentação para se
movimentar e gerar energia elétrica.Seus rotores são capazes de atingir alta velocidades com um torque de
partida próximo do nulo.
A principal desvantagem deste modelo de turbina é a alta complexidade do projeto e fabricação devido
ao design das suas hélices.
4.3 Turbina eólica de Panemone
Este tipo de turbina provavelmente e um do mais antigos teve sua patente por volta de 1980 e
fundamentada nas máquinas eólicas mais antigas construídas pelos povos persas as forças de arrasto são a
principal força atuantes deste modelo de turbina ainda que exista a força de sustentação porém em minoria
seu rotor inclui uma pluralidade de paletas dispostas verticalmente e presas em suas extremidades.
Tem como característica o eixo principal rotativo disposto de forma verticalmente onde as pás se
movem em paralelo ao vento (conhecidas como moinhos de vento). Estas são as turbinas de menor eficiência
no mercado conforme se mostra na figura (4.3)
Figura 4.3 (Turbina eólica de eixo verticaldo tipo Panemone)
fonte (oak energia)
4.4 Turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEH)
As turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEH) são as mais utilizadas no mundo nos dias atuais, devido
ao seu alto desempenho na geração de energia, as TEEHs são as turbinas mais utilizadas nos parques eólicos
Brasileiros e da região nordeste no nosso país, essas turbinas possuem eixo horizontal em paralelo ao chão e
possuem torres de sustentação de diferentes tamanhos variando de dezenas a centenas de metros de altura
conforme mostra se a figura (4.1)
Figura 4.4 (turbina eólica de eixo horizontal TEEH)
fonte (oak energia)
Suas pás podem variar de poucos metros e atingirem dimensões como 90m ou mais, juntos os
componentes torre + rotor podem atingir dimensões de até 200m além de ser as únicas turbinas com
potências de até 8 MW. Atualmente a maior TEEH desenvolvida é a (Haliade-X 12 MW) desenvolvida pela
GE Renewable Energy® sua capacidade de geração e de 67 GWh por ano.
Classificamos as TEEHs de acordo com distribuição das pás e posicionamento do seu rotor em relação
ao fluxo de vento podendo ser upwind (contra o vento) ou downwind (a favor do vento). As turbinas upwind
possuem seu rotor eólico posicionado um pouco a frente da torre conduzindo a passagem do vento,
diretamente, pelas pás é a TEEH mais implementadas nos sistemas de grande porte embora necessite de um
sistema rigoroso de controle de orientação para com a direção do vento. Já as TEEH downwind possuem
uma inclinação no posicionamento do sistema permitindo que o vento passe primeiro por trás da turbina e
depois por suas pás.
Existem atualmente dois tipos de TEEHs as de concreto e as metálicas, as metálicas são geralmente
construídas em indústrias e transportadas para os parques eólicos para serem montadas, feitas normalmentes
de tubos são transportadas em partes para o local da montagem.já as torres de concreto podem ser produzida
em locais próximos aos parques eólicos sendo fabricada em pedaços e concluídas no local de instalação
conforme se mostra na ilustração (4.2)
Figura 4.5 (esquema de aproveitamento dos ventos pelos diferentes tipos de turbinas eólicas)
fonte (oak energia)
https://www.ge.com/renewableenergy/home
5 Composição das Turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEHs)
Fazendo umanalide por meio dos dados coletado pela empresa de manutenção (Windbox 2020) e publicado
em seu site em 3 de janeiro de 2020 Pode-se assim dizer que as TEEHs são divididas em 3 partes
fundamentais sendo elas: aerogerador ou turbina, torre e bloco de fundação essas peças são introduzidas no
eixo catavento para assim transformar a energia cinética oriunda do vento em energia elétrica. Entretanto
existem subsistemas dentro dessas 3 partes fundamentais que iremos abordar suas características por serem
os principais componentes utilizados nas TEEHs principalmente para produção em larga escala conforme se
mostra no esquema da figura 5.1 .
Figura 5.1. (principais componentes de uma torre eólica com eixo horizontal)
fonte (Winbox operação e manutenção)
● Torre e fundação: são componentes estruturais da turbina eólica ( TEEH) podendo ser treliçadas, de
seções tubulares de aço, ou ainda de concreto. Serve para dar sustentação ao restante do
equipamento, também serve de posicionamento a Nacele que fica sobreposta à estrutura.
● Rotor: É a parte composta pelas pás do equipamento e pelo cubo (peça que une as pás) para que seja
possível a obtenção da energia mecânica do vento através do movimento de rotação a assim
transmitir através do eixo central que por sua vez mantém contato com a caixa de transmissão. Em
sua grande maioria o rotor pode ter de 60 m a 150 m podendo contar com ou não com um sistema
hidráulico para possibilitar a variação no posicionamento das pás podendo assim captar ventos com
as pás em diferentes posições ou até mesmo para o movimento.
● Pás: Perfil aerodinâmico projetado de forma a garantir a melhor obtenção e desempenho ao entrar
em contato com vento. São confeccionadas normalmente com materiais leves e resistentes a exemplo
a fibra de vidro ou de carbono.
● Nacele: é a casa de máquinas de uma (TEEH) dentro dela está a caixa de transmissão,gerador e o
sistema de controle. É a parte mais pesada da (TEEH) podendo chegar até a 100 toneladas em alguns
casos. Ela funciona como uma estação de operação e manutenção onde os funcionários entram e
realizam algumas correções no funcionamento.
● Caixa de transmissão: Conhecida em inglês como gearbox e responsável por converter a
velocidade que vem do rotor para uma velocidade na qual o gerador possa operar. Este equipamento
é constituído por um conjunto de engrenagem capaz de gerar um ator multiplicador na ordem de 120.
Elevando assim as rotações baixas e fornecendo ao eixo um aumento significativo permitindo assim
o bom funcionamento do gerador.
● Gerador: Responsável por converter a energia mecânica de rotação do eixo em energia elétrica. O
primeiro é o síncrono, que é o caso em que a velocidade de rotação é proporcional à frequência da
tensão na qual ele está conectado. Já o assíncrono é quando a velocidade de rotação não é
proporcional a essa frequência
● Anemmometro: Responsável por medir a intensidade,velocidade e direção dos ventos, esses dados
são lidos pelo sistema de controle para garantir o posicionamento mais adequado da (TEEH).
● Biruta (sensor de direção): Esse sensor fica junto do anemômetro e seu papel é mensurar qual a
direção do vento. Ao enviar essas informações pro sistema de controle, as ações podem ser tomadas.
Isso vai auxiliar na operação do parque eólico, possibilitando que a nacele gire (através de um
motor) e direcione o rotor para onde o vento está incidindo mais.
Como podemos perceber um aerogerador de de energia (TEEH) e um conjunto de equipamentos e
sistema que juntos são capazes de captar e converter de forma eficiente a energia cinética gerada pela força
do vento em energia elétrica que podemos utilizar em diferentes aplicações residencial ou industrial de forma
limpa e sem agredir nosso planeta, por se tratar de uma fonte de energia renovável e abundante
principalmente nos países com características geográficas e posicionamentos privilegiados geograficamente
falando, o que é o caso do (Brasil) que por ser posicionado próximo à linha do equador tem as maiores
incidências e velocidades de vento o que é comum aos países situados nesta região.
Entretanto um dos componentes necessários de suma importância para o funcionamento e desempenho
de uma (TEEH) são sem dúvidas seus conjuntos de pás pois é a partir do seu contato (atrito) com o vento que
a TEEH tem todo o seu princípio de funcionamento. É sobre este componente que daremos ênfase em nosso
artigo a partir de agora, vamos conhecer fatores importantes como desenvolvimento (criação), fabricação
(usinagem), montagem e desempenho ( funcionamento). As pás ou hélices de uma torre TEEH fazem parte
de um conjunto de sistema denominado de rotor, sendo assim podemos dizer que as pás ou hélices são um
subconjunto do cubo do rotor. O rotor é o conjunto composto pelas pás e o cubo do rotor, responsável por
efetuar a transformação da energia cinética dos ventos em energia mecânica de rotação. Todo o conjunto é
conectado a um eixo que transmite a rotação das pás para o gerador (Comitê Técnico Setorial de Energia
Eólica 2020). Este sistema é composto por:
● Cubo do rotor (hub): Componente que conecta as três pás ao eixo principal do aerogerador.
● Carenagem do rotor (Spinner, Deflector, Nose cone): Carenagem montada na parte frontal do cubo
do rotor na direção do vento e que possui formato cônico, com objetivo de aumentar a aerodinâmica.
● Atuador para giro da pá (Actuator for blade pitching): Subsistema do sistema de controle de passo
● Sistema de controle do ângulo de passo da pá (Pitch system): Responsável pelo ajuste do ângulo de
passo da pá, possibilitando otimizar a captação da energia cinética do vento, conforme suas
variações.
● Pá (blade): principal componente do sistema responsável por captar a energia cinéticagerado pelo
vento que é usada para girar o cubo rotor (hub)
Embora se mostre de certa forma simples as pás de torres TEEHs tem sua geometria cuidadosamente
projetada para garantir a melhor eficiência na captação da energia cinética quando colocada em contato com
o vento, para isso se faz necessário que o corpo de engenharia e os projetistas pensem cuidadosamente em
cada detalhe de ângulos e curvas deste componente visando garantir assim um designer com o máximo de
eficiência possível. Conforme cita o Comitê Técnico Setorial de Energia Eólica em seu artigo publicado em
29 de fevereiro de 2020 onde descreve toda a terminologia básica de um aerogerador desde os seus principais
componentes até a sua fundação de maneira didática e de fácil entendimento .
Vamos identificar agora as principais características de uma pá TEEH
Figura 5.1 (partes de uma pa de torre TEEH)
fonte (Comitê Técnico Setorial de Energia Eólica)
● Alma: Reforço estrutural que se estende longitudinalmente na pá. É fixado nas cascas na região da
longarina por meio de adesivos. O formato e a quantidade podem variar de acordo com o projeto.
Quando a pá possui duas almas, a diferenciação é feita denominando-se alma do bordo de fuga e
alma do bordo de ataque.
● Longarina: Lâminas incorporadas as cascas da pá (faces de pressão e sucção), fabricadas de
polímeros reforçados com fibra de vidro (PRFV) ou polímeros reforçados com fibra de carbono
(PRFC), unidas por meio da alma.
● Casca (sucção e pressão): Estrutura composta principalmente de PRFV e também, em algumas
regiões, por madeira balsa e/ou espuma e que forma a estrutura aerodinâmica de uma pá. Para a
formação de uma pá são necessárias duas cascas, onde, após montadas, são identificadas como casca
de sucção (suction face), correspondente ao lado de menor pressão aerodinâmica, e casca de pressão
(pressure face), que é o lado de maior pressão aerodinâmica.
● Borda de ataque: Lado de maior atrito da superfície da pá com o ar. Corresponde ao lado de entrada
do vento (ataque).
● Borda de fuga: Lado de menor atrito da superfície da pá com o ar, e corresponde ao lado de saída do
vento (fuga).
● Raiz: Parte da pá responsável pela conexão com o cubo do rotor. O sistema de fixação é feito por
meio de prisioneiros.
● Pont (ponta): Segmento de menor seção de uma pá, e correspondente à extremidade oposta à raiz.
Cada ângulo e curva são projetadas de forma interagir com as forças vetoriais que irão atuar nesta
estrutura visando assim assegurar seu funcionamento e desempenho de forma mais eficiente e segura
possível.
6 Cálculos para dimensionamento força dos ventos
Segundo Taylor, 2004 a diferença de pressão presentes nas diferentes regiões do globo é a principal
causa para a formação dos ventos. Esta variação de pressão decorre dos diferentes fluxos de radiação que
incidem sobre a superfície terrestre. Em 1984, Tubelis e Nascimento descreveram que o vento é o
movimento do ar em relação à superfície terrestre sendo gerado por gradiente de pressão atmosférica. O
vento sofre diversas influências modificadoras do seu movimento, como a rotação da terra, a força centrífuga
ao seu movimento e por fim , o atrito da massa de ar com a superfície terrestre.
A energia eólica e segundo Custódio, 2013 a energia cinética contida nas massas de ar em movimento.
A energia cinética de um corpo [J] de massa m deslocando-se a uma velocidade v é dada por:
𝐸
𝑐 
= 𝑚𝑣
2
2
(6.1)
A potência disponível P no vento é definida como a derivada da energia no tempo, dada por:
𝑃 = 𝐸
𝑐
=
𝑑𝐸
𝑐
𝑑𝑇 =
𝑚 𝑣2
2
(6.2)
onde P é a disponível no vento em [W] e é a taxa de energia em [J/s], t é o tempo [s], e m vazão da massa𝐸
𝑐
de ar [kg/s].
A vazão em massa de ar é dada por:
𝑚 = 𝑝𝑣𝐴
(6.3)
onde p é massa específica de ar [kg/ ] é A e a área da secção transversal [ .Substituindo a equação (6.3)𝑚3 𝑚2]
na (6.2) temos a potência disponível no vento que passa em uma secção A transversal a um escoamento de ar.
que a dada por:
𝑃 = 𝑝𝑣
3𝐴
2
(6.4)
7 Dimensionamento das Pás
Para dimensionamento do conjunto de pás devemos conhecer as forças atuantes neste conjunto para
fazermos a decomposição destas forças por meios de equações matemáticas. Temos ao menos cinco forças
principais atuando de forma direta em uma pá de torre TEEH sendo elas:
● Fd: força de arrasto
● F1: força de sustentação
● Vw: velocidade do vento
● Vres: velocidade resultante
● Vtang: velocidade tangencial
Dentro do contexto de dimensionamento de pás podemos verificar no trabalho acadêmico do Sr. Vasco
Manuel Jeronimo Maia. Universidade do porto em (2009) onde o mesmo descreve os cálculos de
dimensionamento desde as decomposições das forças atuantes na pá, sua entrada em perda e a variação do
ângulo de passo aparti da analise da figura 7.1.
Figura 7.1 (Sistemas de forças atuantes em Pás de torres TEEHs)
Fonte: (CASTRO, 2003)
A velocidade relativa do vento W que atua no elemento de pá, resulta de duas componentes: a
velocidade do vento Up e a velocidade tangencial da pá Ut . O ângulo de ataque α, definido como sendo o
ângulo entre a linha que une os bordos de entrada e de saıda do perfil (linha de corda) e a velocidade relativa,
o ângulo β é o ângulo entre o plano de rotação da pá e a linha de corda, o ângulo do escoamento, φ é a soma
de α com β (CASTRO, 2003).
A força F pode ser dividida em duas componentes: uma atuando na mesma direção da velocidade
relativa, designada de força de resistência D (drag), a outra é perpendicular e denomina-se por sustentação L
(lift). O vetor força F pode, igualmente, ser decomposto na direção do plano de rotação e na direção
perpendicular, obtendo-se a componente que contribui para o movimento da pá N, e a componente que
contribui para o binário motor T. Estas forças podem ser, respectivamente (CASTRO, 2003):, calculadas por:
𝑁 = 𝐿𝑠𝑒𝑛ϕ − 𝐷𝑐𝑜𝑠ϕ
(7.1)
𝑇 = 𝐿𝑐𝑜𝑠ϕ − 𝐷𝑠𝑒𝑛ϕ
(7.2)
É desejável que o desempenho da pá possa ser caracterizado, independentemente do seu tamanho e da
velocidade, para isto costuma-se dividir a força de sustentação L e a força de resistência D pela força
experimentada pela secção reta A de uma pá.
Aliada a velocidade do vento U. Obtém-se, respectivamente, o coeficiente de sustentação e o𝐶
𝐿
coeficiente de resistência :𝐶
𝐷
𝐶
𝑙
= 𝐿1
2 𝑝𝑈
2𝐴
(7.3)
𝐶
𝐷
= 𝐷1
2 𝑝𝑈
2𝐴
(7.4)
Onde p é a massa específica do ar.
De modo geral, o comportamento dos perfis alares em função do ângulo de ataque α pode ser dividido
em três zonas de funcionamento . Conforme podemos verificar na tabela 7.1
tabela 7.1 (ângulo de ataque x regime)
ângulo de ataque α regime
-15° < α < − 15° linear
15° < α < 30° desenvolvimento de perda
30º < α < 90° travão
Para os perfis normalmente utilizados em turbinas eólicas, verifica-se que o coeficiente de sustentação
atinge o seu valor máximo para um ângulo de ataque de cerca de 10° a 15° , a partir do qual decresce. O
coeficiente de arrastamento mantém-se aproximadamente constante até se atingir o ângulo de ataque para o
qual o coeficiente de sustentação atinge o seu máximo; para valores de α superiores, o coeficiente de
arrastamento sofre um crescimento acentuado.
No entanto, este coeficiente é mais difícil de calcular, porque depende, fortemente, da rugosidade da
pá e de efeitos de fricção. Com a finalidade de extrair do vento a máxima potência possível, a pá deve ser
dimensionada para funcionar com um ângulo de ataque tal, que a relação entre a sustentação e o arrastamento
seja máxima (Vasco Manuel Jeronimo Maia (2009).
7.2 Entrada em perda
As turbinas que controlam a potência usando o método da entrada em perda tem as pás fixas, ou seja,
não rodam em torno de um eixo longitudinal. O ângulo de passo β é constante.
A estratégia de controlo de potência assenta nas características aerodinâmicas das pás do rotor que são
projectadas para entrar em perda a partir de uma certa velocidade do vento.Uma vez que as pás estão
colocadas a um dado ângulo de passo fixo, quando o ângulo de ataque aumenta para além deum certo valor,
a componente de sustentação diminui, ao mesmo tempo que as forças de arrastamento passam a ser
dominantes. Nestas condições, a componente T da força que contribui para o binário diminui (expressões 7.3
e 7.4): diz-se, neste caso, que a pa ́ entrou em perda (de sustentação). Note-se que o ângulo de ataque
aumenta quando a velocidade do vento aumenta, porque o rotor roda a uma velocidade constante (Vasco
Manuel Jeronimo Maia (2009).
7.3 Variação de passo
Esta outra opção para limitar o rendimento da apropriação da energia do vento, a altas velocidades,
consiste em permitir a rotação de toda a pá em torno do seu eixo longitudinal; neste caso,diz-se que o
controle é feito por variação do passo das pás, exactamente porque se actua sobre o ângulo de passo, β. Até
se atingir a velocidade nominal de projecto (para a qual a turbina está a fornecer a potência nominal), o
sistema de controlo vai variando o passo da pá, de modo a maximizar sempre a componente da força que
contribui para o binário.
Para velocidades do vento superiores à nominal, o sistema de controlo do passo actua de modo a que o
binário motor produzido corresponda à potência nominal, isto é, provoca artificialmente, através de uma
adequada inclinação da pá, uma diminuição do binário. Entretanto um assunto que ainda não está totalmente
solucionado refere-se a extensão da pá sujeita a este tipo de controle. Enquanto alguns fabricantes aplicam
este controle apenas na ponta da pá, permanecendo a restante fixa, outros optam por permitir o movimento
da pá em toda a sua extensão. A primeira solução permite retirar o movimento da zona crítica de
encastramento da pá no cubo do rotor, o que permite robustecer a pá. A favor da outra solução pode
argumentar-se que o controle é aplicado a uma área maior é mais efetivo (Vasco Manuel Jeronimo Maia
(2009).
8 Aerodinâmica
Os esforços que originam o movimento das lâminas são pesquisadas no ramo da aerodinâmica, que é o
estudo dos gases em movimento e sua associação e reação com corpos imersos neles. As teorias de
transferência de momento e de elemento de pá são combinadas para construir matematicamente modelos de
projeto e análise de eficiência das pás de turbinas. Os tópicos seguintes apresentarão o desenvolvimento
dessa teoria unificada desde sua forma mais simplificada até sua forma aplicável ao projeto, demonstrando
seus limites, características, premissas físicas e possibilidades. Vale salientar que estes modelos operam sob
regime de escoamento estacionário, as características do fluido não se modificam com o tempo, e o fluxo
opera em regime laminar, não considerando perdas por turbulência.
8.1 Teoria de momento unidimensional e limite de Beltz
A definição do limite máximo de eficiência aerodinâmica, também chamado de Limite de Beltz, é
derivado do estudo da transferência de momentos e trocas de energia entre o vento e os rotores num volume
de controle. O modelo possibilita a obtenção de dados para uma turbina ideal, tais como o impulso
aerodinâmico T sobre as hélices, os efeitos do rotor sobre a velocidade do vento em pontos distintos do
volume e a potência extraída (MANWELL; MCGOWAN; ROGERS, 2009).
A turbina pode ser identificada no centro da Figura 8.1 que apresenta o volume de controle, bem como
as entradas e saídas de fluxo de ar e suas respectivas simbologias de velocidades em regiões específicas
enumeradas.
Figura 8.1 (Rotor eólico num volume de controle idealizado)
Fonte: (CASTRO, 2003)
Aplicando-se a lei da conservação de momento linear no volume de controle fechado, o impulso no
rotor é dado pela equação:
𝑇 = 𝑈
1
(𝑝𝐴𝑈)
1
− 𝑈
4
(𝑝𝐴𝑢)
4
(8.1)
onde, 𝑇 é a força de impulso, 𝜌 é massa específica do ar, 𝐴 é a área varrida pelo rotor, 𝑈 é a velocidade
do ar e os números subscritos indicam a região no volume de controle. Se o fluxo é permanente, então
(𝜌𝐴𝑈)1 = (𝜌𝐴𝑈)4 = �̇� , onde �̇� é o fluxo de massa, ou seja:
𝑇 = 𝑚(𝑈
1
− 𝑈
4
)
(8.2)
Baseado na equação (8.2) algumas interpretações físicas podem ser feitas. A velocidade à jusante do
rotor , é menor que a velocidade à montante , pois a força de impulso é positiva, isto é, esforços são 𝑈
4
 𝑈
1
exercidos no rotor. Como não há nenhum trabalho sendo aplicado no sistema, então aplicamos as equações
de Bernoulli para os pontos 1 e 2, 3 e 4, conforme as equações (8.3) e (8.4).
𝑝
1
+ 12 𝑝𝑈1
2 = 𝑝
2
+ 12 𝑝𝑈2
2
(8.3)
𝑝
3
+ 12 𝑝𝑈3
2 = 𝑝
4
+ 12 𝑝𝑈4
2
(8.4)
Devido às pressões estáticas na entrada e na saída serem iguais à pressão atmosférica, conclui-se que
as pressões e são iguais à pressão atmosférica e a velocidade imediatamente antes e depois do rotor são𝑝
1
𝑝
4
iguais . O impulso também pode ser representado como uma força resultante da diferença da perda(𝑈
2
= 𝑈
3
)
de pressão do sistema no rotor, conforme a equação (8.1.5):
𝑇 = 𝐴(𝑃
2
− 𝑃
3
)
(8.5)
visto que 𝐴
2
= 𝐴
3
= 𝐴
isolando na equação (8.5.),e subtraindo (8.4.) na equação (8.3) e substituindo o que foi(𝑝
2
− 𝑝
3
)
isolado, temos que:
𝑇 = 12 𝑝𝐴(𝑈1
2 − 𝑈
4
2)
(8.6)
Aplicando um pouco de álgebra na equação (8.6), teremos e(𝑈
1
2 − 𝑈
4
2) = (𝑈
1
+ 𝑈
4
)(𝑈
1
− 𝑈
4
)
substituindo na equação (8.2) lembrando que e isolando a equação em relação a velocidade𝑚 = 𝑝𝐴
2
𝑈
2
temos que
𝑈
2
=
𝑈
1
+𝑈
4
2
(8.7)
Desta forma temos que a velocidade do vento no rotor e a média da velocidade do vento na entrada e
na saída do volume controle deste modelo.
Vejamos agora o índice de indução axial que representa a taxa decimal do vento transferida ao rotor,α 
decorrente da velocidade do vento na entrada do volume de controle conforme equação (8.8)
α =
𝑈
1
−𝑈
2
𝑈
1
(8.8)
Vamos isolar (8.8) em função de e de (8.7) tem-se:𝑈
2
𝑈
2
= 𝑈
1
(1 − 𝑎)
(8.9)
𝑈
4
= 𝑈
1
(1 − 2𝑎)
(8.10)
𝑎 é chamado de velocidade induzida no rotor, com uma interpretação física da parcela de energia𝑈
1
cinética do vento que é transferida para o rotor. Observando-se a equação (8.10) quando o índice de indução
axial aumenta a velocidade na saída do volume de controle será menor, e se a indução axial for igual 0,5 a
velocidade na saída será igual a zero. Portanto, o modelo de transferência de momento não é válido para𝑈
4
valores de indução axial iguais ou superiores a 0,5, pois os cálculos apresentariam valores fisicamente
impossíveis, tal como negativo.𝑈
4
Neste caso temos que a potência P extraída pelo motor é igual a força multiplicada pela velocidade:
𝑃 = 12 𝑝𝐴(𝑈1
2 − 𝑈
4
2)𝑈
2
= 12 𝑝𝐴(𝑈1 + 𝑈4)(𝑈1 − 𝑈4)𝑈2
(8.11)
Agora vamos substituir e com a equação (8.9) e (8.10) e fazendo a velocidade do vento U𝑈
2
𝑈
4
𝑈
1
temos:
𝑃 = 12 𝑝𝐴𝑈
34𝑎(1 − 𝑎)2
(8.12)
O coeficiente de potência ou eficiência aerodinâmica, é definido como o índice de potência extraída do vento
pelo o rotor, conforme as equações (8.13) e (8.14):
𝐶
𝑝
= 𝑃1
2 𝑝𝐴𝑈
3 =
𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟
𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜
(8.13)
𝐶
𝑝
= 4𝑎(1 − 𝑎)2
(8.14)
O máximo da função do coeficiente de potência pode ser encontrado derivando-se (8.14) em relação a
a e igualando a zero, resultando em 𝑎 = 1/3. Logo o coeficiente de potência máximo é dado pela equação
(8.15).
𝐶
𝑝,𝑚𝑎𝑥
= 1627 = 0, 5926
(8.15)
O conhecido como limite de Beltz representa o limite teórico de eficiência aerodinâmica das turbinas
eólicas de eixo horizontal. De modo nunca, haverá rotores que extraiam mais do que 59,26% da potência
eólica, devido às leis físicas e condições favoráveis e impossíveis, imposta ao modelo teórico. Os principais
fatores que reduzem o limite Beltz, não sendo considerados nessa teoria, são: o número finito de pás e perdas
de ponta associadas (arrasto induzido), o arrasto aerodinâmico e o efeito de esteira de rotação (Wake
Rotation).
9 Perfis Aerodinâmicos
O perfil aerodinâmico é definido como a forma geométrica do corte longitudinal da lâmina da TEEHs
Sua função é produzir os esforços mecânicos que descrevem a rotação e tensões estruturais da TEEH a
geometria das lâminasé projetada com base em correlações com a potência energética desejada,
propriedades do perfil aerodinâmico e considerações estruturais (Nathan Gazon da Silva 2017). no que se
refere ao direcionamento do perfil aerodinâmico das pás de um aerogerador pudesse usar como base o
trabalho realizado por Nathan Gazon da Silva (2017) que expressa deste as principais característica
aerodinâmicas até a parte de dimensionamento aerodinâmico com o modelos e equações matemáticas o qual
está citado em (9), (10), (11) partindo perfil aerodinâmico, teoria do elemento de pá e teoria do BEM.
A Figura 9.1 apresenta as nomenclaturas utilizadas em perfis aerodinâmicos. A corda corresponde a
distância entre os pontos extremos horizontais do perfil.
Figura 9.1 (Nomenclatura utilizadas em perfis aerodinâmicos)
A corda pode ser equacionada em função do raio do rotor 𝑐(𝑟), o que torna possível encontrar a
distribuição horizontal do perfil aerodinâmico com o seu vão e, consequentemente projetar a geometria da
lâmina da turbina, visto que as dimensões (x,y) em secção do aerofólio são proporcionais à corda.
As propriedades aerodinâmicas são avaliadas em testes de túnel de vento e escoamento.A Figura 9.2
apresenta os parâmetros principais como as forças de sustentação (lift), de arrasto (drag) e momento fletor de
torção (pitching moment).
Figura 9.2 (Força de sustentação, arrasto e momento de torção num perfil aerodinâmico)
Conforme a Figura 9.2, as duas forças e o momento de torção que atuam a uma distância de um quarto
da corda a partir do bordo de ataque, são provenientes da variação de pressão e das forças viscosas onde de
acordo com MANWELL; MCGOWAN; ROGERS (2009) são definidas como:
● Força de sustentação (Lift force): é perpendicular à direção do ângulo de ataque do vento, sendo uma
consequência das pressões desiguais na superfície superior e inferior do perfil aerodinâmico;
● Força de arrasto (Drag force): é paralela à direção do ângulo de ataque do vento, surgindo devido às
forças viscosas na superfície e às pressões desiguais no aerofólio;
● Momento de torção (Pitching moment): sua direção é paralela ao eixo de corte da seção do perfil
aerodinâmico e gera tensões de torção ao longo do vão da lâmina da pá
Teoria e pesquisas mostram que vários modelos de fluxo de fluidos podem ser caracterizados por
parâmetros não-dimensionais, sendo o mais importante deles o número de Reynolds. O número de Reynolds
define em que tipo de regime (laminar, transiente ou turbulento) se apresenta o escoamento (MANWELL;
MCGOWAN; ROGERS, 2009). O número de Reynolds é dado pela equação (9.1)
𝑅𝑒 = 𝑈𝐿𝑉 =
𝑝𝑈𝐿
µ =
𝑓𝑜𝑟ç𝑎𝑠 𝑖𝑛é𝑟𝑐𝑖𝑎
𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑎
(9.1)
onde:
𝑅𝑒 − 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠
𝑈 − 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑒𝑚 [𝑚/𝑠]
𝑉 − 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚á𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑚 𝑚2𝑡𝑎𝑙 𝑞𝑢𝑒 𝑣 = µ/ρ 
µ − 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑎𝑙 𝑞𝑢𝑒 𝑁. 𝑠/𝑚2
𝑝 − 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑚 𝐾𝑔/𝑚3
𝐿 − 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟í𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑠 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑜 é 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑑𝑎 𝑒𝑚 𝑚
Os coeficientes de momento, de força de sustentação e de arrasto, quando medidos de forma
bidimensional, são representados com o caractere subscrito minúsculo, 𝐶𝑑 , em contrapartida, os coeficientes
medidos de forma tridimensional são representados com o subscrito maiúsculo, 𝐶𝐷 . Esse fato é importante
porque o projeto de lâminas de rotores, geralmente, usa coeficientes bidimensionais, determinados num
intervalo de ângulos de ataque e número de Reynolds em testes de túnel de vento (MANWELL;
MCGOWAN; ROGERS, 2009)
Os coeficientes de sustentação, arrasto e momento são dados, respectivamente, pelas equações (9.2) a
(9.4)
𝐶
𝑙
= 𝐿/𝑙1
2 𝑝𝑈
2𝑐
= 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜/𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑎/𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
(9.2)
𝐶
𝑑
= 𝐷/𝑙1
2 𝑝𝑈
2𝑐
= 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠𝑡𝑜/𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑎/𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
(9.3)
𝐶
𝑚
= 𝑀1
2 𝑝𝑈
2𝐴𝑐
= 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟çã𝑜𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑖𝑛â𝑚𝑖𝑐𝑜
(9.4)
onde:
𝐿 − 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 𝑒𝑚 𝑁
𝐷 − 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑚 𝑁
𝑀 − 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟çã𝑜 𝑒𝑚 𝑁. 𝑚 
𝑙 − 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑚 𝑚 
𝑈 − 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑛𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒
𝑐 − 𝑐𝑜𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙 𝑒𝑚 𝑚 
ρ − 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑚 𝑘𝑔/𝑚3
𝐴 − á𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙 ( 𝑐𝑜𝑟𝑑𝑎 𝑥 𝑣ã𝑜 ) 𝑒𝑚 𝑚2
A camada limite do perfil aerodinâmico pode apresentar tanto os regimes de fluxo laminar, suave e
permanente, quanto o turbulento com vórtices tridimensionais.
Figura 9.3 (Comportamento do fluxo de ar num perfil aerodinâmico)
Conforme pode ser observado na Figura 9.3, em algum ponto do bordo de ataque existe um ponto de
estagnação de fluxo. Ao seguir em direção à parte superior, o escoamento apresenta um regime laminar que é
preferível por gerar menos forças viscosas no aerofólio, contudo em algum ponto do mecanismo o
escoamento se torna turbulento. Por consequência, as forças viscosas se tornam mais relevantes e o arrasto
aumenta, elevando as tensões estruturais e diminuindo a potência eólica extraída. Dadas essas características,
objetiva-se projetar perfis aerodinâmicos de modo a reduzir os efeitos de turbulência.
A Figura 9.4 apresenta a maneira de representação dos aerofólios. As dimensões do perfil são
geralmente proporcionais a sua largura (corda)
Figura 9.4 (Representação do perfil aerodinâmico DU-93-W-210 em função da corda)
As turbinas eólicas são projetadas a fim de que a razão entre a sustentação e o arrasto seja a maior
possível, de modo a extrair a maior potência possível e minimizando as tensões na estrutura. Com vistas a
melhorar a eficiência estrutural, os rotores eólicos possuem espessura do aerofólio que decresce com o vão
da pá, sendo grossa no cubo e fina nas pontas. Os rotores mais modernos e de grande escala, geralmente,
operam num intervalo de número de Reynolds de 500.000 a 10 milhões. Também, evita-se a acumulação de
insetos e poeira nos perfis, porque a rugosidade da superfície aumenta e, consequentemente, pode-se reduzir
em até 40% a potência extraída.
Frequentemente, implementa-se um sistema de controle de estol para que as turbinas possam operar
em ventos mais intensos sem que se danifique o gerador devido à maior produção energética (MANWELL;
MCGOWAN; ROGERS, 2009).
10 Teoria do Elemento de Pá
A teoria de momento caracteriza o comportamento do escoamento do vento num volume controlado
sobre um rotor, fundamentado na conservação de momento linear e angular do vento. Tal teoria utiliza os
fatores de indução axial e angular que representam a potência extraída e os esforços de impulso sobre o rotor.
A teoria do elemento de pá especifica os esforços atuantes numa seção da lâmina da turbina a partir
das características do perfil aerodinâmico e da geometria da pá. O uso dessas duas teorias em conjunto
permite projetar os rotores e prever a potência extraída do vento (MANWELL; MCGOWAN; ROGERS,
2009).
Segundo a teoria de momento inclui-se o efeito de esteira de rotação para o sistema apresentado na
Figura 10, o impulso e o torque transmitido ao rotor conforme podem observar na figura 10.
Figura 10 (Efeito esteira numa linha de fluxo devido à rotação de uma turbina eólica)
O impulso e o torque transmitido ao rotor são, as equações (10.1) e (10.2)
𝑑𝑇 = 4𝑎(1 − 𝑎) 12 𝑝𝑈
22π𝑟𝑑𝑟
(10.1)
𝑑𝑄 = 4𝑎'(1 − 𝑎) 12 ρ𝑈Ω𝑟
22π𝑟𝑑𝑟
(10.2)
A teoria de elemento de pá demonstra os esforços das lâminas em função do coeficiente de
sustentação, do coeficiente de arrasto e do ângulo de ataque supondoque a pá dividida em 𝑁 elementos,
conforme a Figura 10.1.
Figura 10.1 (Representação infinitesimal dos elementos da pá)
(Ingran, 2011)
A teoria de elemento de pá segue as seguintes premissas (INGRAM, 2011):
● Não interação aerodinâmica entre os elementos, ou seja, as ações experimentadas por um elemento
não são sentidas por outros;
● As forças aplicadas em cada elemento da lâmina são exclusivamente determinadas pelo coeficiente
de sustentação e arrasto.
Conforme mencionado na seção 9, o esforço de sustentação é perpendicular à direção do vento
relativo, enquanto que o arrasto é paralelo. O vento relativo é a soma vetorial da velocidade de vento𝑈
𝑟𝑒𝑙
 
axial 𝑈(1 − 𝑎), e da velocidade de vento tangencial ao rotor (1 + 𝑎 ′ )𝜔𝑟. A Figura 10.2 ilustra o exposto,
onde 𝜃 é o ângulo de passo, 𝜑 o ângulo de incidência e 𝛼 o ângulo de ataque (HANSEN, 2008).
Figura 10.2 (Soma vetorial das velocidades induzidas no rotor)
(Hansen, 2008).
A componente de velocidade rotacional do aerofólio é a soma da velocidade tangencial da lâmina 𝛺𝑟 ,
e a velocidade tangencial da lâmina induzida pelo vento 1 2 𝜔𝑟 , devido a transferência de momento angular,
conforme a equação (10.3):
Ω𝑟 + 12 ω𝑟 = Ω𝑟 + Ω𝑎'𝑟 = Ω𝑟(1 + 𝑎')
(10.3)
A Figura 10.3 apresenta a vista de baixo para cima da ponta da lâmina de uma pá, a partir da qual
definem-se as seguintes variáveis:
Figura 10.3 (Representação tridimensional do fluxo incidente em uma pá)
(Hansen, 2008).
θ𝑝 − â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑜 (𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ), â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 𝑒 𝑎 𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑑𝑎
θ𝑝
0
 − â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑜 𝑛𝑎 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑎
θ
𝑇
 − â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟çã𝑜 𝑑𝑎 𝑙â𝑚𝑖𝑛𝑎
α − â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑎𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜, â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑒 𝑎 𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑑𝑎
φ − â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑑𝐹
𝑙
 − 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎𝑙;
𝑑𝐹
𝑑
 − 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎𝑙;
𝑑𝐹
𝑛
 − 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎𝑙 𝑎𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 𝑜𝑢 𝑒𝑚𝑝𝑢𝑥𝑜;
𝑑𝑓
𝑡
 − 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎𝑙 à 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑛𝑓𝑒𝑟ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑜 𝑔𝑖𝑟𝑜 𝑑𝑎𝑠 𝑝á𝑠, 𝑎 𝑞𝑢𝑎𝑙 𝑐𝑟𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑒
𝑈𝑟𝑒𝑙 − 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑈 − 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑛𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒
𝑎 − 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑢çã𝑜 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 
𝑎' − 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑢çã𝑜 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
Ω − 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑎 𝑝á
𝑟 − 𝑟𝑎𝑖𝑜 𝑑𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
O ângulo de passo 𝜃𝑝 da pá varia com raio, o que dá um aspecto retorcido à lâmina do rotor. O ângulo
de incidência do vento 𝜑 é expresso como a soma do ângulo de passo 𝜃𝑝 e o ângulo de ataque do vento 𝛼.
A partir da Figura 10.3 são definidas as equações (10.4) a (10.10) relacionadas a teoria de elemento de
pá e momento.
φ = θ
𝑝
+ 𝑎
(10,4)
𝑡𝑎𝑛(φ) = 𝑈(1−𝑎)Ω𝑟(1+𝑎') =
1−𝑎
(1+𝑎')λ
𝑟
(10.5)
𝑈
𝑟𝑒𝑙
= 𝑈(1 − 𝑎)/𝑠𝑒𝑛(φ)
(10.6)
𝑑𝐹
𝑙
= 𝐶
𝑙
1
2 𝑝𝑈𝑟𝑒𝑙
2 𝑐𝑑𝑟
(10.7)
𝑑𝐹
𝑑
= 𝐶
𝑑
1
2 𝑝𝑈𝑟𝑒𝑙
2 𝑐𝑑𝑟
(10.8)
𝑑𝐹
𝑁
= 𝑑𝐹
𝑙
𝑐𝑜𝑠(φ) + 𝑑𝐹
𝑑
𝑠𝑒𝑛(φ)
(10.9)
𝑑𝐹
𝑇
= 𝑑𝐹
𝑙
𝑠𝑒𝑛(φ) − 𝑑𝐹
𝑑
𝑐𝑜𝑠(φ)
(10.10)
Caso o rotor tenha 𝐵 número de lâminas, então a força normal e tangencial infinitesimal em função do
raio para 𝐵 pás são dadas pelas equações (10.11) e (10.12):
𝑑𝐹
𝑁
= 𝐵 12 𝑝𝑈𝑟𝑒𝑙
2 (𝐶
𝑙
𝑐𝑜𝑠(φ) + 𝐶
𝑑
𝑠𝑒𝑛(φ))𝑐𝑑𝑟
(10.11)
𝑑𝐹
𝑇
= 𝐵 12 𝑝𝑈𝑟𝑒𝑙
2 (𝐶
𝑙
𝑠𝑒𝑛(φ) − 𝑐𝑜𝑠(φ))𝑐𝑑𝑟
(10.12)
O torque infinitesimal 𝑑𝑄 devido à força tangente em função do raio é dado pela equação (10.13):
𝑑𝑄 = 𝑟𝑑𝐹
𝑇
= 𝐵 12 𝑝𝑈𝑟𝑒𝑙
2 (𝐶
𝑙
𝑠𝑒𝑛(φ) − 𝑐𝑜𝑠(φ))𝑐𝑟𝑑𝑟
(10.13)
A potência extraída da lâmina infinitesimal 𝑑𝑃 é dada pela equação (10.14)
𝑑𝑃 = Ω𝑑𝑄
(10.14)
Todos esses valores infinitesimais são calculados pela integração no intervalo de raio do cubo (hub)
até o raio da lâmina. É importante notar que a teoria de elemento de pá também retrata as equações presentes
na teoria de momento para força de impulso e torque, de maneira que a força normal, equação (10.11),
representa a força de impulso, e o torque é denotado pela equação (10.13). Ambas são função dos ângulos de
escoamento do vento, das características do aerofólio e da pá. Essas equações são essenciais para o
dimensionamento da geometria do rotor, dos esforços gerados e o desempenho do gerador (MANWELL;
MCGOWAN; ROGERS, 2009).
11 Teoria BEM Aplicada a Rotores Genéricos, com Esteira de Rotação
O modelo de equações para pás genéricas, com esteira de rotação a partir da teoria conjunta de
elemento de pá e momento, será apresentado a seguir. Da teoria de momento linear e angular, considera-se as
equações do impulso e do torque, dados pelas equações (10.1) e (10.2), respectivamente. Da teoria de
elemento de pá, considera-se as equações do impulso e do torque, dados pelas equações (10.11) e (10.12),
respectivamente. Ressalta que a equação da força normal equivale ao impulso. A velocidade relativa do
vento pode ser expressa como função da velocidade de vento 𝑈, equação (10.6). Reescrevendo as𝑈
𝑟𝑒𝑙
equações (10.11) e (10.12) em função de 𝑈 temos:
𝑑𝐹
𝑁
 = 𝜎 ′𝜋𝜌𝑈2 (1−𝑎)
2
𝑠𝑖𝑛(φ) 2
 (𝐶
𝑙
𝑐𝑜𝑠(𝜑) + 𝐶
𝑑
𝑠𝑒𝑛(𝜑))𝑟𝑑𝑟
(11.1)
𝑑𝑄 = 𝜎 ′𝜋𝜌𝑈2 (1−𝑎)
2
𝑠𝑖𝑛(φ) 2
(𝐶
𝑙
𝑠𝑒𝑛(φ) − 𝐶
𝑑
𝑐𝑜𝑠(φ))𝑟2𝑑𝑟
(11,2)
onde 𝜎 ′ (𝑟) é definido como a solidez local, e representa a fração de área infinitesimal angular do rotor
pela área infinitesimal coberta pelas pás de acordo com a equação (11.3) deduzida da Figura 11.1 .
Figura 11.1 (Seção transversal da pá)
σ'(𝑟) = 𝐵𝑐(𝑟)𝑑𝑟2π(𝑟)𝑑𝑟 =
𝐵𝑐(𝑟)
2π(𝑟)
(11.3)
O cálculo dos fatores de indução axial 𝑎 e angular 𝑎 ′ para a teoria conjunta de elemento de pá e
momento considera o coeficiente de arrasto como zero, pois a escolha do coeficiente de arrasto e de𝐶
𝑑
sustentação é tal que a razão / seja a menor possível. Geralmente o coeficiente de arrasto das tabelas de𝐶
𝑙
𝐶
𝑐
𝐶
𝑙
ensaios de aerofólios será aproximadamente zero. Portanto, essa simplificação implicará em erros
desprezíveis ao dimensionamento (MANWELL; MCGOWAN; ROGERS, 2009).
Igualando as equações de torque (11.1) e (11.2) e impondo o arrasto desprezível temos:𝐶
𝑑
= 0
𝑎'
(1−𝑎) =
σ'𝐶
𝑙
4λ(𝑟)𝑠𝑒𝑛(φ)
(11.4)
Igualando as equações de impulso da teoria de momento e elemento de pá (10.1) e (11.1) e impondo o
arrasto desprezível temos:𝐶
𝑑
= 0
𝑎'
(1−𝑎) =
σ'𝐶
𝑙
𝑐𝑜𝑠(φ)
4𝑠𝑒𝑛(φ) 2
(11.5)
Após manipulações algébricas das equações (10.5), (11.4) e (11.5), obtém-se as equações para o fator
de indução axial a e o fator de indução angular 𝑎 ′ , para teoria BEM, conforme as equações (11.6) e (1.7)
𝑎 = 1/[1 + 4 𝑠𝑒𝑛(φ)2/(σ'𝐶
𝑙
𝑐𝑜𝑠(φ))]
(11.6)
𝑎' = 1/[
4𝐶
𝑙
𝑐𝑜𝑠(φ)
σ'𝐶
𝑙
( ) − 1]
(11.7)
Com os fatores de indução axial 𝑎 e angular 𝑎 ′ calculados, equaciona-se o coeficiente de potência total
para teoria BEM, dado pela equação (11.8). Sua demonstração pode ser encontrada em DE VRIES (1979)
𝐶
𝑝
8
λ2( )λ
2
λ
∫ 𝑠𝑒𝑛(φ)2(𝑐𝑜𝑠(φ) − λ(𝑟)𝑠𝑒𝑛(φ))(𝑠𝑒𝑛(φ) + λ(𝑟)𝑐𝑜𝑠(φ)) 1 −
𝐶
𝑑
𝐶
𝑙
( )𝑐𝑜𝑡(φ)⎡⎢⎣ ⎤⎥⎦ λ(𝑟)2𝑑λ(𝑟)
(11.8)
onde é a razão de velocidade local no cubo (hub)λ
ℎ
12 Materiais de fabricação de pás de torres TEEH
As principais características dos materiais que iram compor uma pá de torre TEEH são baixa
densidade, alta resistência com bom coeficiente de elasticidade, resistir a fadiga e ser tolerante a danos. A
maioria das grandes pás de torres TEEHs modernas utilizam materiais como a fibra de vidro do tipo E e a
fibra de carbono como reforço, entretanto as mais comuns sãoas de polímeros de poliéster, epóxi ou
vinil-éster. Madeira balsa ou espuma PVC são utilizadas como núcleo dos painéis sanduíche. Vejamos agora
um pouco sobre estes materiais citados.
12.1 Fibra de vidro
O tipo de fibra mais comumente usado no processo de fabricação de pás de torres TEEHs é a fibra de
vidro que utilizada em composto com a matriz polimérica devido a seu baixo custo, alta resistência à tração e
grande inércia química. Entretanto sua desvantagem quando agregada ao compósito é o seu baixo módulo de
elasticidade, alta abrasividade e baixa resistência à fadiga (NETO et al, 2006).
O tipo de fibra de vidro mais utilizado pelas indústrias fabricantes de pás de torres TEEHs são as do
tipo E por possuir um bom balanço entre propriedades mecânicas, químicas e elétricas. Vejamos na tabela
abaixo a composição da fibra de vidro do tipo E
Tabela 12.1. (composição da fibra de vidro utilizada em compósitos)
Constituintes SiO2 Al2O3 B2O3 MgO CaO Na2O
Fibra tipo E 55,2 14,8 7,3 3,3 18,7
Tabela 12.1.2 (Propriedades da fibra de vidro utilizadas como reforço em compósitos)
Propriedades Tipo E
Massa específica (g/cm3 ) 2,54
Módulo de elasticidade
(GPa)
70
Resistência à tração
(GPa)
3,45
12.2 Fibra de carbono
Apesar das pás atualmente serem produzidas tipicamente com materiais compósitos reforçados com
fibras de vidro, a tendência de aumento no tamanho das pás, especialmente no setor offshore, cresce também
o interesse por materiais compósitos reforçados com fibras de carbono. Os compósitos de fibra de carbono
tem como característica uma baixa massa específica, a boa resistência a substâncias químicas e excelentes
propriedades mecânicas. Entretanto as propriedades mecânicas da fibra de carbono dependem da orientação
das suas cadeias carbônicas ( Del arco,1997). Atualmente se faz a utilização da fibra de carbono nas
longarinas das das pás de torres TEEHs com comprimentos maiores que 45 m possibilitando a estrutura uma
maior resistência e menos peso. Estudos revelam que a substituição de fibra de vidro pelo carbono nos traz
um ganho de cerca de 20% em relação ao peso da estrutura.
12.3 Resina Epóxi
Resinas epóxi são as matrizes mais versáteis disponíveis comercialmente pois possuem um largo
espectro de propriedades físicas, mecânicas e de processamentos que as tornam incomparáveis (MAY, 1987).
Epóxis são polímeros que contêm pelo menos dois grupos epóxis terminais, conhecidos também como
grupos oxirano ou etoxilina, por molécula (NETO, 2006).
A estrutura básica da resina epóxi mais utilizada é a que tem como base o diglicidil éter do bisfenol A
(Odian, 1991). Resinas epóxis do tipo DGEBA são misturas de monômeros, cujas unidades de repetição (n)
podem variar de 0 a 25, podendo ser obtidas resinas líquidas de baixa viscosidade (0<n1) (BAUER, 1989).
Essa característica possibilita o processamento de compósitos de epóxi por métodos como a infusão
assistida à vácuo. As resinas epóxis são transformadas irreversivelmente em polímeros termorrígidos com
ligações cruzadas entre suas cadeias através de uma reação química chamada de cura. A cura pode ser
realizada pela adição de agentes de cura (os mais comuns sendo as aminas), com ou sem aquecimento e
pressão (REINHART, 1987). O tipo de agente de cura (endurecedor) utilizado influencia a cinética de cura e
o ciclo de processamento (viscosidade em função do tempo) que irão afetar as propriedades do material
curado (NETO, 2006). A estequiometria da mistura resina epóxi/endurecedor é fundamental para
propriedades como transição vítrea, módulo de elasticidade e resistência mecânica do material curado.
Sua estrutura básica é mostrada na figura 9.
Figura 12.3. (Estrutura química de uma resina epóxi diglicidil éter do bisfenol-A)
12.4 Madeira Balsa
Por ser um tipo de madeira leve porém resistente principalmente quando utilizada junto a compósitos
como os aplicados na confecção das pás de torres TEEHs é bastante utilizada no setor eólico no mundo. Ela é
nativa principalmente da América central, sendo encontrada entre as matas tropicais ao Norte da América do
Sul até o Sul do México. A sua densidade quando seca, varia entre 100–200 kg/m³, mas com uma densidade
típica de 140 kg/m³ (aproximadamente um terço de outros tipos de madeiras duras) a madeira Balsa é um
recurso natural usado como componente na construção das pás que giram as turbinas eólica.O Equador, que é
o principal exportador, com 75% do mercado global conta com várias grandes empresas, em Guayaquil, que
dedica até 10.000 hectares ao cultivo do balso para comercialização conforme figura 12.4.
Figura 12.4 (malha de madeira balsa para infusão)
A madeira de balsa de baixa densidade é ideal para a construção de laminados compósitos de altas
prestações mecânicas. Compatível com quase todas as resinas termoestáveis: poliéster e viniléster, epóxi,
uretano-acrílicas (Crestapol), etc. Os laminados fabricados com este tipo de madeira proporcionam alta
resistência à compressão, flexão e cisalhamento.
Os setores de aplicação da madeira de balsa são muitos, destacando-se os seguintes: náutica
desportiva, energia eólica, transporte e, em geral, em aplicações em que se necessita de um material leve de
alta performance mecânicas.
É fornecido em placas cortadas em quadrados e com uma malha de vidro presa às costas para permitir
adaptá-la às curvaturas das peças conforme figura (12.1)
13 Fabricação
Existem vários processos de fabricação de componentes com materiais compósitos tendo seu
desempenho dedicado a uma situação específica, alguns aspectos devem ser levados em consideração para a
escolha do método adequado. Antenor Pinheiro de Almeida (2011). Segundo a ABMACO os processos mais
utilizados no país são :
● Spray-up ( laminação por pistola) com cerca de 59% dos processos
● Hand-lay-up ( laminação manual) com cerca de 14% dos processos
● Laminação contínua e derramamento com de 7% dos processos
● Vaccum bag, alteração e filamento winding com apenas 1% dos processos
nos processos considerados abertos estão a laminação por pistola e a laminação manual, porém temos
também os processos considerados fechados mais comumente usado na fabricação de pás de torres TEEHs
como: moldagem a facul, prensagem quente e a frio, e injeção de resina (RTM). existem também os
processos considerados composto a exemplo: prensagem (SCM), e os de prensagem a quente (CMC).
13.1 Processo de montagem por membrana (Vaccum bag)
este processo é mais comumente usado no fabrico de pás de torres TEEHs se constitui do refino do
processo manual no qual a superfície externa do composto e recoberta por uma membrana, e com o uso de
pressão extra obtemos, melhor qualidade da superfície externa, remoção do excesso de resina o que
representa um aumento da resistência do compósito por conta do aumento do volume relativo de fibra e a
expulsão das bolhas de ar aprisionadas ( este ar aprisionado pode chegar a cerca de 5% do valor com o
processo de expulsão temos cerca valores como 0.1% do composto curado).
podemos subdividir o processo de moldagem por membrana em três tipos: moldagem a vácuo,
moldagem por pressão e moldagem em autoclave. Antenor Pinheiro de Almeida (2011). Os processos não
são necessariamente excludentes, ao contrário disto são normalmente utilizados em conjunto as principais
etapas do processo são:
● Cobrir o molde com uma película separadora perfurada, evitando assim a adesão da mesma com as
demais membranas.
● Cobrir a camada separadora com uma camada de materiais porosos permitindo assim a saída do
fluxo de ar e do excesso de resina
● Posicionar uma tira ou junta para isolar a passagem de ar logo após a borda do molde.
● Cobrir o conjunto com uma pelicula de plastico formando uma bolsa
● Aplicar lentamente o vácuo enquanto se posiciona a bolsa plástica sobre o molde, retirando-se o
excesso de ar
● Manter o conjunto sobre pressão ou vácuo até a cura completa, podendo ser em temperatura
ambiente ou em forno
O processo pode ser observado através do esque representados nas figuras 13.1 , 13.2 e 13.3
Figura 13.1( processo de moldagem por membrana a pressão)
Fonte (Mendonça 2005)
Figura 13.2 ( processo de moldagem por membrana a vácuo)
Fonte (Mendonça 2005)
O processo autoclave e o padrão aplica na indústria aeroespacial o processo é análogo aos de pressão e
vácuo a autoclave é simplesmente um vaso de pressão aquecido no qual o conjunto é submetido a ciclo
específico de pressão e temperatura para a cura. as pressões aplicadas podem variar na faixa de 0,25 Mpa a
0.7 Mpa.
Figura 13.3 (processo de moldagem em autoclave)
Fonte (Mendonça 2005)
13.2 Passo a passo da fabricação
Conforme vimos ao longo desta pesquisa as pás eólicas são feitas de materiais compostos, geralmente
de polímeros reforçados com fibra de vidro e isso torna o processo de fabricação bem peculiar. Vamos dividir
este processo em 12 passos de manufatura para facilitar nosso entendimento sobre a fabricação de pás para
torres TEEHs conforme descreve thayc-marinho em seu artigo publicado no site linkedim.
Primeiro passo (corte do tecido e formação dos kits); O início da fabricação começa através do corte
dos tecidos de fibra de vidro. Isso é necessário porque a geometria da pá é única e os tecidos chegam à
fábrica em forma de rolos. thayc-marinho. ( figura 13.4)
Figura 13.4 ( rolo de fibra de vidro)
Figura 13.5 (corte da fibra de vidro)
São cortados os tecidos que serão posicionados no molde dos componentes: cascas, longarinas, almas,
caixas de balanceamento e bordos de ataque (figura 13.5).Após as camadas serem cortadas, são formados
"kits" com a quantidade e posição que serão utilizadas para a produção dos componentes. Além disso, nesse
setor também são formados "kits" de materiais de núcleo e materiais a serem utilizados nos processos de
infusão.
Figura 13.6 (modelagem das camadas)
Segundo passo (posicionamento das camadas); Após a formação dos "kits" de tecido de fibra de vidro,
núcleo e materiais secundários, esses "kits" são levados para os moldes dos componentes a serem fabricados.
Inicia-se o processo de acomodação de camadas cortadas, conhecido como lay-up thayc-marinho. comforme
figura 13.7 e 13.8 .
Figura 13.7 ( Posicionamento de camadas em uma casca)
Figura 13.8 (Acomodação de camadas do lay-up de uma casca)
Uma equipe de colaboradores vai posicionando e acomodando as camadas, uma por uma e de acordo
com o projeto ( figura 13.7). Na figura 13.8 é possível se ver a longarina e balsa componentes estruturais da
pá TEEH conforme citado em (5) e (12.4)
Figura 13.8 (Parte do processo de Lay-up onde se percebem as balsas e longarinas posicionadas)
Terceiro passo ( pano de infusão); Após a etapa de posicionamento de camadas de tecidos de fibra de
vidro, são colocados materiais secundários para preparar a injeção de resinas termofixas na estrutura
Figura 13.9 (esquema de plano de infusão)
● Camada de nylon: Após a etapa de posicionamento de camadas de tecidos de fibra de vidro, são
colocados materiais secundários para preparar a injeção de resinas termofixas na estrutura
● Manta ( release filme):Plástico anti-aderente que permite a remoção de ar e gases voláteis e tem a
função de conter a resina durante a consolidação e processo de cura
● Tecido respirador: Tecidos respiradores têm a função de fazer o ar escoar facilmente, permitindo que
todo ar seja retirado das camadas no processo de vácuo.
● Plástico de vácuo e selante: É posicionado por cima do plano de infusão e selado ao molde com
ajuda dos selantes. Esses selantes são frequentemente chamados de "bam-bam" na indústria eólica.
Figura 13.10 (Plano de infusão posicionado nos componentes. Note a resina entrando na estrutura que está
sendo manipulada pelo operador) e Figura 13;11 ( esquema de plano de infusão)
Quarto passo ( infusão); Após o plano de infusão ser posicionado, o processo é iniciado com o
objetivo de tirar todo o ar do plano com a ajuda de bombas de vácuo. Se a pressão absoluta do ar estiver na
especificação, se inicia o processo de infusão. Esse processo consiste em derramar resina sobre os tecidos
através de tubos. Geralmente não é necessário conferir pressão sobre a resina, pois, como há um vácuo no
plano de infusão (quase nenhuma pressão absoluta), a pressão atmosférica já faz esse papel.
Quinto passo (cura); Antes de a resina termofixa ser injetada no plano de infusão, a mesma é
misturada com um catalisador. Esse catalisador inicia o processo de solidificação do material (conhecido,
também, como cristalização). Esse processo é exotérmico, ou seja, as moléculas da resina estão se arranjando
de forma mais rígida e expulsam a energia do sistema através do calor. A transferência de calor aumenta a
temperatura da estrutura e pode prejudicar o seu desempenho em "molhar" todos os tecidos devido à
mudança de viscosidade da resina. O operador que acompanha tal processo deve assegurar que a temperatura
na superfície da peça acompanhe as temperaturas indicadas na especificação.
Sexto passo (desmoldagem dos componentes menores); Assim que a resina estiver totalmente curada,
são removidos os materiais consumíveis: manta, respirador, plástico de vácuo e selante. O nylon ainda não
foi removido, pois sua função é deixar a superfície áspera para futuros processos de colagem e retirá-la antes
do tempo pode comprometer esse processo. Um ponto importante de análise é a temperatura de retirada
desses componentes. Retirá-los antes da temperatura indicada pela especificação pode deformar a sua
geometria. Em minha experiência de fábrica tive alguns problemas com a deformação de segmentos que
seriam infundidos na base da pá. O operador do componente estava sempre o retirando em uma temperatura
acima da especificação e o segmento encolhia ao esfriar fora do molde e saia das dimensões geométricas
desejáveis.
Sétimo passo (colagem e fechamento); As cascas, que já incluem em seu componente as longarinas,
prepegs (ou segmentos) e BA's, são preparadas para colagem das almas. Além disso, os operadores preparam
as superfícies de conexão entre as cascas para deixarem-nas ásperas o suficiente para colagem. Eles
preparam o posicionamento dos cabos de para-raio ligando da ponta à base. Nesse processo também são
posicionados as caixas de balanceamento. A aplicação de massa de colagem em cima da longarina da casca
pressão é realizada precedendo do posicionamento de almas.
Figura 13.12 ( Aplicação de Massa de Colagem para ligação das almas a casca) e Figura 13.13 (Aplicação de
massa de colagem nas almas)
A figura 13.14 mostra o esquema do processo de fechamento.
Figura 13.14 ( Esquema do processo de colagem e fechamento)
Oitavo passo (Rebarbação); Quando as massas de colagem estão curadas, o molde é aberto e a pá
verde é retirada para seguir para o processo de rebarbação. As arestas excedentes da geometria de projeto são
cortadas com objetivo de deixar o produto fidedigno ao projeto estabelecido.
Figura 13.15 (Pá sendo encaminhada para rebarbação)
Assim como na pá, todos os componentes desmoldados passam por um processo de rebarbação para
manter o componente dentro das especificações.
Nono passo: Corte, furação, montagem e reparos ); Após a rebarbação, a pá é inteiramente
inspecionada interna e externamente. Um relatório é gerado sobre os defeitos encontrados para que a equipe
trabalhe reparando os defeitos conforme as figuras 13.16 e 13.17.
Figura 13.16 (Área de Montagem e Reparos)
Figura 13.17 (Lixamento de um defeito)
Em alguns projetos de pás, o processo de corte e furação da raiz se torna necessário. Desse processo
serão montados os parafusos que permitirão a conexão da pá com o hub da turbina. Existe uma máquina
especialmente para a furação da raiz. Esse processo precisa de um operador bem treinado, pois o menor erro
pode comprometer a utilização da pá. Os reparos são iniciados tanto na parte interna da raiz quanto na parte
externa. Isso porque qualquer defeito fora da especificação enfraquece toda a estrutura da pá. Por isso, os
defeitos são lixados e novas fibras de vidro e resina são colocados no lugar.Os parafusos na raiz, os vórtex's e
close out's(tampa da raiz) são montados na pá. Nesse processo também são laminados os bordos de ataque e
de fuga.
Decimo passo (acabamento); O objetivo principal dessa etapa é cobrir a pá com uma tinta protetora
contra os raios solares e intempéries. Para que a tinta consiga aderir corretamente à superfície da pá, toda ela
é lixada 100%. Esse lixamento deixa a superfície áspera para melhoria da adesão dos produtos que serão
aplicados em sua superfície. As irregularidades da superfície são preenchidas por massas e somente depois
desse preenchimento a pá é pintada conforme figura 13.18 e 13.19.
Figura 13.19 ( processo de pintura a rolo)
Figura 13.18 ( aplicação de massa para suavizar a superfície da pá)
décimo primeiro passo (balanceamento); Como as pás trabalham rotacionando na turbina eólica, elas
não podem ter pesos ou momentos diferentes para que não haja excesso de vibração na turbina. Se isso
ocorrer, haverá esforços repetitivos que fadigam a turbina e diminui o seu tempo de vida. Com isso, após o
acabamento, as pás são dirigidas para serem pesadas. A partir dessa análise, são formadas famílias de três pás
de mesmo peso e momento - chamadas de SET. Quando a pá está com um peso menor que o especificado, há
uma furação do ponto específico onde as caixas estão e assim é injetado massa nas caixas de balanceamento
já posicionadas antes do fechamento.
Décimo segundo passo (embalagem e estoque): Finalizado todos os processos que determinam os
pesos das pás. Estas são posicionadas em embalagens metálicas e vão para o estoque conforme figura 13.20 e
13.21.
Figura 13.20 (Pás estocadas em estruturas metálicas)
Figura 13.21 (Estoque de pás na fábrica)
5 Considerações Finais
.
De acordo com o trabalho de pesquisa desenvolvido ao longo desta revisão bibliográfica na busca de
informações, sobre material e métodos para dimensionamento do sistema de pás do aerogerador eólico foi
possível perceber a complexidade envolvida no projeto de tal componente. a diversidade de material
acadêmico relacionado ao tema é vasta porém muita das vezes complexas e não objetiva de forma a não
abrangência do assunto do tema em específico. A complexidade dos cálculos e do projeto aerodinâmico
requer uma vasta gama de conhecimento matemáticos na área de cálculos e na física na quanto a de
decomposição de forças vetoriais transcorre pela área de ciência de materiais e química quanto se refere a
parte dos compósitos. com tudo pode se notar que muito do que é feito ainda se baseia em estudos e teorias
desenvolvidas ainda no século passado que se mostram ainda com alto grau de eficiência na confecção das
pás de um aerogerador. técnicas e teorias como a teoria do elemento de pá, limite de Beltz ainda são os
principais métodos aplicados no projeto de dimensionamento. O estudo e escolha do local de aplicação dos
aerogeradores são fator crucial para determinar o dimensionamento e performance dos aerogeradores eólicos
estudos e medições quanto a intensidade e volumento dos ventos se faz necessário para o entendimento dos
requisitos que o aerogerador deve ter, é importante salientar que a geometria do conjunto de pás e única e
dimensionada de acordo com as características de operação desejada. Apesar da alta complexidade do
projeto, o tema vem ganhando espaço e atraindo investimento muitos em parte do governo federal por meio
de apoio subsídios a projetos voltado a este segmento pesquisas para expansão da produção de energia eólica
a âmbito nacional o que é o caso das licitações para instalações das usinas offshore prometendo entregar
produções em muito superiores às que temos hoje restauradas. A técnicas para confecção das pás de um
aerogerador apesar de industrializadas requer um alto grau de conhecimento por parte de toda a equipe de
confecção das mesmas por conta do alto custo de produção envolvido não deixando assim espaço para o
amadorismo. o controle de qualidade junto a uma indústria de pás de aerogeradores segue rigorosos critérios
de avaliações tanto de resistência a forças atuantes no componente quanto ao seu acabamento exterior haja
vista que também é um fator primordial ao desempenho do componente quanto colocado em atrito com o
vento.
Contudo é possível perceber o quanto este segmento se mostra promissor e com bastantes espaço a
serem preenchidos e explorados no cenário nacional.
AGRADECIMENTOS
Agradeço o final deste conteúdo aos meus familiares e amigos mais próximos o qual me
acompanharam e incentivaram ao longo desta jornada agradeço em especial a minha esposa e filhas por
acreditar e depositar esperança ao longo de todo este período, aos meus professores e todo o corpo docente
da instituição pelo empenho e dedicação na minha formação acadêmica, principalmente ao meu professor
orientador pela paciência e dedicação empregada. A busca por conhecimento nem sempre é uma tarefa fácil
o caminho é longo e cheio de obstáculos o qual dependemos do apoio sempre dos mais próximos e dos que
realmente acreditam no nosso potencial nos incentivam e encorajam em nossa busca por crescimento
intelectual de forma que a conquista e sempre do coletivo e o mérito e de todos que de alguma forma
torceram a favor do sucesso.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Angela Fernando Belfort (2021) Mais 10 parques eólicos vão se implantar no Nordeste. Disponível
em:https://jc.ne10.uol.com.br/economia/2021/07/13016174-mais-10-parques-eolicos-vao-se-implantar-no
-nordeste-veja-onde-vao-ficar.html/> acesso em 10 mar 2022
Antenor Timoteo de Almeida e Micael Martins da Silva. Desenvolvimento e montagem de um gerador eólico
com pás compósitas 2011.Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) faculdade de tecnologia
Universidade de Brasília departamento de engenharia mecânica.
Cicero F.S.B Filho. Fundamentos da microprodução eólica 2020. Trabalho de Conclusão de Curso
(graduação) energia elétrica.
Comitê Técnico Setorial de Energia Eólica. Terminologia Básica Aplicável aos Componentes do
Aerogerador Prática Recomendada PRe-004. 2020
Diogo Alexandre Correia Pestana 2016. Sistemas estruturais para torres eólicas Dissertação submetida para
a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil FCEE – Faculdade de Ciências Exatas e da
Engenharia Campus Universitário da Penteada
Dr. Diego Roberto Sousa Lima (2020) Turbinas eólicas ou aerogeradores. Disponível em:
https://oakenergia.com.br/> acesso em 02 abr 2022
Erika Carvalho Nogueira 2020. Análise da inserção da geração eólica offshore no sistema interligado
nacional.Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Planejamento
Energético, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro
Francisco Diniz Bezerra (2017) Potência da energia eólica no Nordeste. Disponível em:
https://www.bnb.gov.br/s482-dspace/bitstream/123456789/347/3/2017_CDS_05.pdf/> Acesso em 25 mar
2022
Francisco Diniz Bezerra, Engenheiro Civil. Doutor em Desenvolvimento e Meio Ambiente Coordenador de
Estudos e Pesquisas do BNB/ETENE 2017
Jorge Fernando Martins Henriques, 2012. Modelação e análise comparativa com estruturas tubulares
auto-suportadas. Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de mestre em
engenharia civil - Especialização em estruturas. Faculdade de engenharia da universidade do porto.
Yan Nunes Nascimento, 2018. Fabricação de protótipo de desempenho de turbinas. Trabalho de Conclusão
de Curso (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia de
Energias Renováveis, Fortaleza.
Maxdavid Oliveira Campos 2013. Estudo comparativo de Pás para aerogeradores de grande porte
fabricados em materiais compósitos reforçados com fibra de carbono ou fibra de vidro. Dissertação
apresentada ao programa de pós graduação em ciência e engenharia de materiais Universidade federal do
rio grande do Norte.
Miguel José Antunes Machado 2015. Projeto e fabrico de pás em compósito de resina epóxi reforçada por
fibra de vidro para mini turbina eólica. Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia
Eletromecânica. Universidade da Beira Interior.
https://jc.ne10.uol.com.br/economia/2021/07/13016174-mais-10-parques-eolicos-vao-se-implantar-no-nordeste-veja-onde-vao-ficar.html