Princípio do Desenho do Rotor para Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal
INTRODUÇÃO
Humans usaram o fogo como primeiro tipo de energia, excepto o alimento. Os seres humanos viviam apenas com a comida até ao uso do fogo. Além disso, os humanos separaram-se com o uso do fogo dos outros vivos. Em seguida, usou-se a lenha para o fogo queimar e ela não se extingue. Eles tinham que dividir o trabalho com a vida social. Por isso, os humanos usaram um novo tipo de energia. O novo tipo de energia era outro humano. Por causa da vida nómada teve de se mudar de um lugar para outro. O resultado da vida nómada foi a utilização de animais para o transporte. Outro tipo de energia usada pelos humanos é a energia da água. Esta tinha sido usada com o fim da vida nómada pelos humanos. E os humanos usaram o vento para veleiros e no século 12 (D.C.) com moinho de vento. Depois de 16. Century aumentou particularmente o consumo de energia por causa da produção de carvão. O petróleo foi utilizado no século 19. Os tempos da indústria começaram com o petróleo e os grandes municípios humanos afectados. Depois os seres humanos descobriram a energia nuclear (Inan, 1995).
Fim do século 20 começou a ter problemas com o meio ambiente. E que nos levou a energias limpas e renováveis. Estas energias limpas e renováveis são: sol, geotermia, biomassa, energia hídrica, eólica, etc. (Inan, 1995).
Toda a energia que a terra precisa à superfície vem do Sol. Aproximadamente 1-2% dessa energia é transformada em energia eólica (Vindmolleindustrien, 2006). Assim, podemos dizer que a energia eólica é energia solar que é transformada em energia de velocidade (energia cinética) (Karadeli, 1999). O vento é definido como o movimento do ar na atmosfera para equilibrar o desequilíbrio de calor que é causado pelo aquecimento desigual do ar pela principal fonte de energia, o Sol (Ozdamar e Colak, 2000).
As principais forças na atmosfera que produzem o vento e que afectam a sua velocidade são; força de gradação da pressão, força de desvio, força centrífuga e força de atrito (Yavuzcan, 1974). A força de gradiente de pressão atua para mover o ar de alta pressão para baixa pressão. A força de desvio afeta o ar de duas maneiras: uma é como força de desvio da rotação das terras para movimentos que são criados ao longo dos círculos de latitude e a segunda é como força de desvio da rotação das terras para movimentos do equador para os pólos ou na direção oposta. Os ventos, em geral, estão sob o efeito de uma força que os quer desviar do seu centro porque se enrolam em torno de um centro. Esta força é chamada força centrífuga. A força de fricção tenta diminuir a velocidade do vento. O efeito desta força é o maior quando perto da superfície terrestre (Yavuzcan, 1994).
IMPORTÂNCIA DO ROTOR
Rotor é o órgão que transforma a energia cinética do vento em energia mecânica. Por esta razão, é muito importante para as turbinas eólicas. É muito importante que o rotor e as pás do rotor tenham características óptimas, porque estas têm um efeito directo na eficiência das turbinas eólicas.
| Fig. 1: | Coeficiente de potência (Cp) de acordo com Betz (1926) |
Uma massa de fluxo tem uma energia cinética por causa da sua velocidade (Klug, 2001).
A realização deriva da energia por tempo. Computos do fluxo de massa:
Nestas condições podemos calcular a potência com a seguinte equação (Klug, 2001);
Equidade de potência dá a potência teórica que pode ser obtida a partir da energia cinética que é armazenada no vento como Watt. Esta energia teórica tem de ser transformada em energia útil através da ajuda do rotor da turbina. Neste ponto uma constante, que é efetuada pela velocidade do vento, a velocidade do eixo da turbina e a escolha da pá tem que ser levada em consideração. Esta constante é chamada de constante de potência ideal (Cp). Tipo de lâmina, forma da lâmina, ângulo de inclinação e velocidade da ponta da lâmina são fatores efetivos aqui. Na Fig. 1 o diagrama do coeficiente de potência ideal. A constante de potência teoricamente ideal não pode exceder 0,59. Esta constante é chamada de constante de Betz. Na prática, este valor é ainda menor (Becenen e Eker, 2001). Porque as perdas mecânicas (η) entram em vigor na prática. Mas o valor da eficiência mecânica pode ser negligenciado nos cálculos, porque está próximo de 1. Nossa equação com este conhecimento está abaixo:
Uma coisa que não deve ser esquecida aqui é que a densidade do ar é 1,225 kgm-3 sob condições meteorológicas padrão (temperatura: 15°C e pressão do ar: 1013,3 hPa) (Klug, 2001). As mudanças na temperatura e pressão do ar mudarão a densidade do ar.
| Fig. 2: | Número de ciclos de diferentes estruturas durante a vida útil (Klug, 2001) |
O ROTOR DA TURBINA DE VENTO E OUTRAS CONSTRUÇÕES
Na Fig. 2 número de ciclos de diferentes estruturas durante a vida útil.
Aeronaves comerciais têm mais stress do que as pontes e os helicópteros. Ao contrário disto é menor o número de rotações do que as pontes e os helicópteros. Nesta sequência, as pontes vêm depois dos aviões comerciais. Os helicópteros têm mais stress do que depois das pontes. E as turbinas eólicas vêm na última sequência. Este conhecimento mostra-nos que as turbinas eólicas não têm muito stress, embora tenham maior número de rotações.
INTENÇÃO QUE O ROTOR DESIGN
| – | A baixa velocidade do vento alta alimentação de energia. |
| – | Suprir a alta potência a baixa altura do cubo. |
| – | Suprir a alta potência em pequenos diâmetros de rotor. |
| – | Os coeficientes de potência do aumento do rotor. |
| – | Optimizar a relação de velocidade da ponta do produto do rotor. |
PRINCÍPIOS DO DESENHO DO ROTOR
Obter a máxima produção de energia de uma turbina eólica depende de vários factores. Estes são fatores como a altura da turbina eólica; as pás das turbinas eólicas varrem a área e estrutura aerodinâmica, densidade do ar e velocidade do vento. Os mais importantes destes fatores são a altura da turbina eólica e a estrutura aerodinâmica das pás da turbina eólica. A altura da turbina eólica é importante porque a velocidade do vento aumenta à medida que nos afastamos da superfície terrestre (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). A estrutura aerodinâmica da pá de turbina eólica é importante, porque pode transformar no máximo 59% da energia cinética que o vento tem de energia útil (Klug, 2001).
Aerodinâmica motora da turbina eólica: Na transformação da energia eólica, que é formada pelo aquecimento de diferentes pontos da atmosfera pela fonte principal de energia solar, em energia elétrica; o rotor eólico, que é o primeiro anel na cadeia de transformação, pode ser projetado de acordo com Betz ou Glaubert-Schmitz com o propósito de transferir a energia eólica existente com perda mínima (Ozdamar e Kavas, 1999).
| Fig. 3: | Ajuste dos ângulos β (Piggott, 2006) |
| Fig. 4: | Alguns ângulos de perfis de chapas (Piggott, 2006) |
Computa a velocidade de rotação de um elemento de pá de rotor, que se situa com a distância r do centro do rotor, como para baixo (Ozdamar e Kavas, 1999):
E a relação da velocidade da ponta do rotor pode calcular com a seguinte equação (Ozdamar e Kavas, 1999).
Em um desenho de lâmina deve ajustar os ângulos beta (Fig. 3), a fim de usar o cordão na lâmina (Piggott, 2006).
O vento soprando de direcção oposta, recolhe o vento real de modo a dar o vento visível que proporciona forças de elevação e arrastamento (Piggott, 2006).
Se se pretende projectar um rotor de turbina eólica, então o ângulo de assalto depende dos ventos visíveis Φ ângulo e ângulo da pá (Fig. 4).
| Fig. 5: | Aquele volume de vento que os elementos da pá trabalham (Piggott, 2006) |
O ângulo da pá controla o ângulo de assalto, assim controla a quantidade de elevação e arrasto na pá (Piggott, 2006).
Na prática, a maioria dos perfis produz a melhor curva de elevação/deslocamento quando o ângulo de assalto é de 5 graus. Como princípio geral, quando dados detalhados não podem ser obtidos, dar este ângulo de assalto significa expor o ângulo da lâmina (Piggott, 2006).
Quando o ângulo da lâmina está sendo preparado, a largura do cordão também tem que ser preparada. Aqui está a razão para isto; cada elemento de lâmina está sob o efeito de um certo vento como um fio para poder trabalhar. Uma corda com raio r é pequena perto do centro e fica maior à medida que se afasta do centro e a quantidade de vento na corda é mantida baixa. A parte mais importante da coisa são as pás longe a maior parte do centro (Fig. 5). A parte que está mais próxima do centro é menos importante, mas inevitavelmente está numa forma diferente (Piggott, 2006).
De acordo com Betz, o vento desacelera a sua velocidade numa proporção de 1/3 em cada parte da área de varrimento dos rotores e esta desaceleração é realizada empurrando a força que está intimamente relacionada com a força de elevação. Deste regulamento vem a seguinte equação (Piggott, 2006).
Compute para o número da lâmina pode usar a seguinte equação (Piggott, 2006):
A corda na parte externa da lâmina pode calcular com a seguinte equação (Piggott, 2006):
A parte externa da lâmina é mais importante para o movimento dos rotores. Mas a parte interna das pás tem que ser mais larga para ajudar a potência de rotação no início (Piggott, 2006).
Altura do rotor da turbina eólica: À medida que a velocidade do vento se afasta da superfície da terra, liberta-se do efeito de atrito causado pela rugosidade da superfície da terra. Assim, ele se move mais livremente. À medida que se afasta dos obstáculos que desaceleram a sua velocidade, a sua velocidade aumenta. Assume-se que os ventos que estão 1000 m acima da superfície da terra, nomeadamente os ventos geostróficos, não são afectados pela rugosidade da superfície da terra e pelas perdas por atrito. À luz destes pensamentos, podemos dizer que existe uma relação entre a velocidade do vento e a altura do vento. Esta é a razão pela qual as turbinas eólicas são construídas o mais alto possível (Becenen e Eker, 2001).
Os valores da velocidade do vento com a altura do eixo do rotor podem ser calculados com a seguinte equação (Klug, 2001).
O coeficiente de rugosidade dos valores nesta equação vem da observação, da suposição e da experiência (Klug, 2001).
O diâmetro do rotor da turbina eólica: Além de determinar a altura da turbina, o diâmetro do vento que a pá do rotor varre tem de ser determinado. O diâmetro do vento que a pá do rotor varre tem um efeito direto sobre a potência que será obtida da turbina. O diâmetro dos nossos rotores determinará a área da seção de vento que o rotor varre (Klug, 2001).
O potencial de vento em que o rotor da turbina eólica irá operar: O potencial de vento no local onde a turbina eólica será instalada é muito importante. Por este motivo é um dos parâmetros que devem ser considerados no projeto do rotor. O potencial de velocidade do vento no local onde a turbina eólica será instalada tem de ser observado pelo menos durante 6 meses. O potencial de vento é diretamente efetivo na eficiência do rotor da turbina eólica.
A velocidade do vento é o fator mais importante sobre a energia do vento. A potência que será obtida do vento é diretamente proporcional à velocidade do vento terceira potência.
| Fig. 6: | Prender o vento contra aquele obstáculo (Klug, 2001) |
| Fig. 7: | Perfil de vento vertical |
Por exemplo, grosso modo, se a velocidade do vento for 1 m seg-1, então a potência que será obtida será 13 = 1 W e quando a velocidade aumentar para 2 m/seg, então a potência que será obtida será 23 = 8 W, quando a velocidade aumentar para 2 m seg-1, então a potência que será obtida será 33 = 27 W e assim por diante (Vindmolleindustrien, 2006).
Quando a velocidade do vento tem esse efeito na potência que será obtida da turbina eólica, o potencial do vento no local onde a turbina será construída é muito importante. O objetivo principal é encontrar o ponto onde a velocidade do vento é máxima e instalar a turbina lá.
Estrutura do terreno do local onde o rotor da turbina eólica irá operar: Existe uma relação entre a velocidade do vento e a altura do vento. Esta relação está dependente de algumas condições. Estas condições têm origem nas formas da terra. As mesmas condições não se aplicam em uma superfície de terra plana e uma superfície com obstáculos. Numa superfície de terra plana à medida que a altura aumenta, a velocidade também aumenta numa relação directa, mas isto não será verdade numa superfície de terra com obstáculos. Numa superfície com obstáculos, o vento terá de subir sobre os obstáculos para retomar o seu curso e isto causará uma pausa na velocidade do vento.
Se os critérios mais importantes para obter energia do vento são a velocidade do vento, então é muito importante encontrar as áreas onde a velocidade do vento é alta e instalar o rotor da turbina eólica lá. Mas não temos que fazer uma falsa suposição de que quando aumentamos a altura sempre pegamos ventos que contenham mais energia (Fig. 6).
Os fatores que afetam a velocidade do vento dependendo da altura são: constante Von Karman, velocidade de atrito superficial e comprimento da rugosidade.
A constante Von Karman é tomada em vários valores entre 0 e 4; o comprimento da rugosidade é tomado entre 0 e 5. Um gráfico relativo a estes valores é dado abaixo (Fig. 7).
O desempenho exigido do rotor da turbina eólica: Antes de escolher uma turbina eólica para uma empresa, primeiro temos de determinar quanta energia eléctrica a nossa empresa necessita. Desta forma, a potência da turbina eólica que será instalada pode ser determinada. O desempenho exigido do rotor tem de ser determinado de acordo com a potência instalada da empresa. Neste ponto, a quantidade de energia que a empresa vai precisar no futuro tem que ser considerada também (Yavuzcan, 1978).
Potência total da central (Yavuzcan, 1978):
Para o máximo consumo de energia usada está aqui (Yavuzcan, 1978);
O poder da luz da empresa é (Yavuzcan, 1978);
PRINCÍPIOS DE ROTORES DESIGNADOS
Cálculos sobre as lâminas de teste projetadas: Determinando a gravidade específica do ar: Os valores da temperatura do ar no túnel de vento durante o trabalho das pás de teste devem ser medidos. E pode computar com a seguinte equação. Assim, este valor irá determinar a densidade atmosférica (Vardar, 2002).
Determinando a área da seção transversal do rotor: O plano da secção do rotor é um valor constante e depende do diâmetro do rotor. No cálculo do plano de seção o rotor usa a seguinte equação.
Cálculo da potência teórica do vento que vai para o rotor: O vento tem uma energia cinética por causa da sua velocidade. Por causa da energia cinética, aqui dá uma potência. E esta potência é a potência máxima do vento que vem e é utilizável. Esta a potência máxima pode ser calculada com a seguinte equação (Klug, 2001).
Determinando o valor da potência eléctrica no motor eléctrico: Por causa da velocidade do vento, o rotor vai girar. E, portanto, a corrente e a voltagem do motor elétrico sairão. O valor desta corrente e voltagem pode medir com os analisadores de circuito. E estes dois valores são escritos na seguinte equação, aqui obtém-se a potência elétrica (Erna, 1977).
Determinando a relação da velocidade da ponta das pás: A relação da velocidade da ponta está relacionada com a velocidade rotacional (Do ponto na distância do r (raio) do centro do rotor é a velocidade rotacional) e a velocidade do vento. Esta velocidade rotacional pode determinar com a seguinte equação (Ozdamar e Kavas, 1999).
E a relação da velocidade da ponta pode calcular com a seguinte equação (Ozdamar e Kavas, 1999).
Calculando o coeficiente de potência: Toda a potência teórica do vento não se pode transformar na potência prática (Betz, 1926). Durante a transformação, há algumas perdas de potência. Nesta condição deve ser calculada a relação de transformação da potência teórica do vento para a potência do eixo. Nos cálculos pode ser usada a seguinte equação (Ozdamar e Kavas, 1999).
Na Tabela 1 o valor da perda do vórtice.
| Tabela 1: | Valores de CPschmitz de acordo com λ (Ozdamar e Kavas, 1990) |
A perda de perfil pode computar com a seguinte equação (Ozdamar e Kavas, 1999).
O número do slide pode computar com a seguinte equação (Ozdamar e Kavas, 1999).
O valor desta ε pendura-se dependendo do perfil da lâmina.
Os valores de velocidade obtidos com os experimentos escrevem na seguinte equação (Piggott, 2006).
Se os valores de Re computados e o perfil utilizado observarem, pode-se obter o valor ótimo de CK/CD e α (ângulo de ataque) (com a ajuda do software Snack 2.0).
A perda da ponta pode computar com a seguinte equação (Ozdamar e Kavas, 1999).
Determinando a potência do eixo: Com as Eq. 18 e 22 pode determinar a potência teórica do vento e o coeficiente de potência. Estes dois valores podem colocar na seguinte equação, a potência prática do eixo dos perfis das lâminas (Ozdamar e Kavas, 1999).
Cálculos sobre lâminas reais: Levando em consideração os resultados dos testes, o valor de potência que pode ser obtido do eixo do rotor que será instalado na turbina eólica pode ser calculado pelo seguinte método.
Determinando a área da seção transversal do rotor: Também o plano de secção do rotor da pá real pode calcular com a equação 17 (Birnie, 1999). Os valores do diâmetro do rotor devem ser os mesmos para comparar os rotores após os cálculos.
Determinando a potência do eixo do rotor: O valor de Cp, que é usado na potência do eixo do rotor, foi computado o valor com a Eq. 22. Os valores da densidade atmosférica e da velocidade do vento devem ser estáveis para comparar os rotores após os cálculos. A potência do eixo do rotor das pás reais pode ser calculada com a seguinte equação (Klug, 2001).
Adaptando as pás reais às regiões de presença de vento: Os valores de velocidade do vento aqui utilizados são valores que foram medidos e observados durante pelo menos 6 meses. Os valores da velocidade do vento aqui utilizados são valores medidos a 10 m acima do solo. O valor do coeficiente de potência que é usado aqui é importante. Para comparar os rotores no final dos cálculos, a gravidade específica do ar tem que ser tomada como um valor constante.
Área de cálculo da secção transversal dos rotores: O plano da secção do rotor nas adaptações reais das pás na região, pode calcular com a ajuda da Eq. 17 (Birnie, 1999).
Determinando a velocidade do vento na altura do eixo do rotor: A velocidade do vento na altura do cubo do rotor pode computar com a ajuda da seguinte equação (Klug, 2001).
Calcular a potência do eixo dos rotores: A potência no eixo pode computar com a ajuda da Eq. 25 (Klug, 2001).
CONCLUSÕES
Para aumentar a eficiência das turbinas eólicas, os princípios de planejamento do rotor são muito importantes para turbinas eólicas com eixo horizontal. Não é possível esperar a máxima eficiência de uma turbina eólica instalada sem fazer os processos de otimização.
Como em todos os tópicos, para ter sucesso no uso da energia eólica, os valores básicos devem ser baseados em dados científicos. Quando o tópico é considerado deste ponto de vista, os parâmetros de projeto do rotor têm que ser colocados em turbinas eólicas. A partir daqui, os sistemas mais adequados podem ser desenvolvidos tomando como base os dados da fonte.
A estratégia básica é colocar em prática sistemas de alto desempenho que possam competir.
Nomenclatura