Trabalho 1 Eólica: Análise de Implementação Prof. Adriane UFRGS

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Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Klaus Jürgen Folz
Projeto de Turbina Eólica
Porto Alegre
2016
Sumário
3Introdução	�
42. Projeto	�
42.1 Dados Iniciais	�
42.2 Potência da Turbina	�
62.3 Perfil Aerodinâmico	�
10Conclusão	�
11Referência Bibliográficas	�
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Introdução
Instigados pela alta volatilidade no preço do petróleo e pela redução na emissão dos gases causadores do efeito estufa (GEE), muitos Países elaboraram propostas para expandir a produção de energia por via de fontes renováveis e limpas. No Brasil o Plano Decenal de Expansão de Energia para 2020 juntamente com o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) ressaltam a importância da exploração de fontes renováveis e a diversificação da matriz energética. Nesse contexto se insere a energia eólica que complementa a produção de energia em Usinas Hidrelétricas, principal fonte de energia do País, por virtude de que as épocas de estiagem também são as que apresentam maior média na velocidade do vento.
Segundo dados apresentados no relatório Ranking Mundial de Energia e Socioeconomia emitido pela Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético o Brasil tem 42,3 % de participação de fontes renováveis na sua matriz energética, em termos de Matriz Elétrica esse número se eleva para aproximadamente 80%, representado em sua maioria pela geração em fontes hídricas. O Ministério de Minas e Energia garante a compra da energia eólica gerada, através de leilões específicos e preço fixo durante um período de 20 anos. Além disso, há também incentivos fiscais, redução de taxas governamentais e possibilidade de financiamento junto ao BNDES (Banco Nacional do Desenvolvimento) com taxas de juros na faixa de 2% ao ano.
A produção de energia renovável representava 13% da matriz energética mundial em 2013, segundo dados da International Energy Agency (IEA), ademais a previsão para 2030 é que esta represente 25 % da produção mundial, sendo que desses, um quarto será proveniente da energia eólica. Essa expansão nas matrizes renováveis são movidas pela ambição de promover menos agressão ao ambiente na obtenção de eletricidade. 
2. Projeto
	Este projeto visa desenvolver de uma turbina eólica de eixo horizontal de 3 pás para geração de energia elétrica. Será projetada uma turbina de pequeno porte para microgeração. O local de implementação será a região do Campanha Gaúcha, no município de São Gabriel. 
2.1 Dados Iniciais
Segundo o Atlas eólico nessa região a velocidade a 100 e 150 metros de altura são respectivamente 8.2 e 8.5 m/s. Considerando que a instalação será conduzida em campo aberto com viscosidade baixa de aproximadamente 0.02 metros e dispondo da equação logarítmica para variação da velocidade com altura:
Onde: V é a velocidade do vento na altura “h”, Z é a altura de rugosidade, k a constante de Von Karman e U a velocidade de atrito. Dessa maneira a velocidade a 20 metors de altura (Altura escolhida para instalação) é 6.65 m/s.
O diâmetro escolhido para a turbina é de 4 metros. Para a Velocidade média da localização a velocidade nominal da turbina é de 10 m/s aproximadamente o valor referente a 1.5 vezes a velocidade média da localização para altura de 20 metros.
2.2 Potência da Turbina
Devido ao fato da turbina ser de pequeno porte a relação de velocidade escolhida deverá ser menor que a ótima para máquinas de 3 pás com o intuito de evitar rotações elevadas e dessa forma ruídos elevados e comprometimento da estrutura da turbina. A relação escolhida será de 6. Segundo a figura abaixo pode-se estimar que o Coeficiente de Potência é de aproximadamente 0.45 ou 45%.
Figura 1 - Razão de velocidade para diferentes tipos de turbina
	Partindo da equação da Razão de velocidade de ponta de pá, pode-se estimar a rotação da turbina. Se R=2 m e a Velocidade (V) é de 6.65 m/s a rotação tem valor de 19.95 rad/s. Dessa forma a velocidade Tangencial (U) na ponta da pá é de 39.9 m/s.
 
	Providos da equação abaixo é possível estimar a potência da Turbina. Assumindo: que a massa específica (ρ) de 1.22 kg por metro cúbico, a eficiência dos componentes (η) de 0.7 devido a Razão de Velocidade reduzida, o Coeficiente de Potência (Cp) de 45% e o diâmetro de 4 metros. A potência da máquina, após atribuição dos valores foi de 2.4 kW.
 
Para calcular a Velocidade Aparente do vento (W) utilizamos a Equação abaixo:
Onde V nesse caso é dois terços da velocidade média do vento, segundo Betz. Isto é:
Então a velocidade Relativa W fica 40.15 m/s. 
2.3 Perfil Aerodinâmico
Os perfis aerodinâmicos são responsáveis em grande parte pelo bom desempenho dos rotores eólicos, uma vez que as forças de sustentação e arrasto dependem da geometria do perfil. Encontramos diversos perfis aerodinâmicos possíveis, mas preferimos nos basear em modelos já existentes e estudados de rotores de três pás. 
Para aplicação em microgeração os perfis NACA da série 44xx são apropriados. O perfil será constante ao longo da turbina. Isso é possível também devido à natureza do projeto que não exigirá um perfil mais espesso na raiz devido a necessidades estruturais. As pás terão o perfil aerodinâmico NACA 4418. 
Figura 2 - NACA 4418
	Para estimar a configuração ótima do perfil é necessário escolher o maior valor possível para a razão entre os coeficientes de sustentação e arrasto. Os gráficos a seguir ilustram as relações entre os coeficientes, ambos, e o ângulo de ataque. Para gerar os gráficos é necessário estimar a ordem de grandeza do número de Reynolds:
	Onde: V é a velocidade do vento, c a corda do perfil e υ é a Viscosidade cinemática do ar a 20 °C. Assumindo que a corda terá algo em torno de 0.5 m , Reynolds assumiu uma ordem de grandeza de 10 elevado a quinta potência.
Figura 3 - Coeficiente de Sustentação em função do ângulo de ataque
Figura 4 - Razão entre o Coeficiente de Sustentação e Arrasto em função do ângulo de ataque
Figura 5 - Coeficiente de Arrasto em função do ângulo de ataque
	Com base na figura 4 é possível identificar o ângulo de ataque ótimo que é aproximadamente 7.5°. Para este ângulo o coeficiente de sustentação (Cl) é de 1.25. Com esses dados e a relação de ponta de pá estimado anteriormente, juntamente com o Raio do projeto é possível estimar o tamanho da corda e o ângulo de torção da turbina. A equação seguinte define o cálculo da corda no perfil.
	
Onde: c é o comprimento corda, n é o número de pás, r é a posição de referência em metros do centro do rotor, R é o raio da turbina (R=2 metros), λ é a Razão de Velocidade e cl é o coeficiente de sustentação do perfil.
Utilizando essa equação a corda na ponta da pá assumiu o valor de 0.082 metros, isto é de 8.2 cm. Na parte central (r=1m) o comprimento da corda c, foi igual a 0.17 metros, c=17 cm.
Dispondo da equação acima é possível determinar o ângulo de torção da. Onde α é o ângulo de ataque. Dessa forma para ponta da pá (r=R) o ângulo de torção (β) fica -1.15°.
Conclusão
	A escolha do aerofólio NACA 4418 provou ser coerente com a exigência da Turbina. Os esforços não serão exagerados na raiz, mesmo assim a turbina terá um aumento gradual no comprimento da corda partindo da ponta de pá até a raiz para amenizar esse efeito. A Potência de 2.4 kW foi satisfatória considerando a baixa altura, 20 metros, o que foi devido também a baixa rugosidade da região. O ângulo de Ataque de 7.5° foi escolhido de forma a reduzir o arrasto e otimizar a sustentação.
	Por fim analisando todas as considerações feitas e o valor da potência nominal obtida, em destaque o coeficiente de eficiência (η) cujo valor buscou prever perdas generalizadas, desde transmissão elétrica até perdas mecânicas (perdas em ponta de pá). O baixo valor para esta variável foi atribuído com intuito de prever, além das perdas acima citadas, a redução pela escolha da Razão de velocidade, que porsua vez visava reduzir a velocidade de rotação da turbina, evitando assim ruídos elevados e complicações estruturais na turbina. O resultado foi coerente com a realidade do projeto.
	
	 
Referência Bibliográficas
	
	CUSTÓDIO, R. S. Energia eólica para produção de energia, Rio de janeiro: Eletrobrás, 2009;
PETRY, A. P.; MATTUELLA, J. M. L. Dra. Introdução ao estudo de energia eólica
	AIRFOIL TOOLS. Disponível em: http://airfoiltools.com/ . Acessado em 20 de novembro de 2106;
	
	
	
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