Levantamento das curvas de torque e potência de uma turbina eólica do tipo Darrieus em laboratório

Abstract

A geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis vem ganhando espaço nas últimas décadas em todo o mundo, e a energia eólica tem sido o foco de diversos estudos. Turbinas eólicas de eixo horizontal de grande porte foram estudadas por diversos pesquisadores devido a sua elevada eficiência na conversão de energia em grandes parques. Porém, turbinas eólicas de eixo vertical têm recebido foco em estudos recentes, que propõem a sua aplicação em ambientes urbanos, no topo de edificações, em conjunto com um sistema estator que busca o aumento de sua eficiência. Este trabalho apresenta um estudo experimental do desempenho de uma turbina eólica de eixo vertical Darrieus de pás retas (tipo H) com cinco pás, montada sobre uma estrutura que busca simular o efeito do topo de uma edificação, com um estator de oito pás aplicado à turbina. O objetivo do trabalho é o levantamento das curvas de torque estático, coeficiente de torque estático, coeficiente de torque dinâmico, coeficiente de potência e de potência da turbina. A metodologia aplicada foi a medição de torque por um sistema de peso variável, polia e balança de tração e da velocidade de rotação por um tacômetro, no eixo de um modelo reduzido da turbina, submetido a um escoamento de ar em túnel aerodinâmico, de modo que sejam obtidas as curvas de desempenho da máquina para diversas velocidades do vento e diferentes cargas aplicadas ao eixo. O método utilizado neste trabalho mostrou-se eficiente para a análise do desempenho dinâmico da turbina, com as curvas do desempenho dinâmico da turbina atendendo ao esperado pela literatura. Porém, houve uma incerteza de medição maior para os pontos de baixa potência no eixo da turbina devido às limitações da balança de tração. Para a análise do desempenho estático da turbina, o método se mostrou deficiente, visto que a incerteza de medição aumentou consideravelmente para a curva de coeficiente de torque estático, o que impossibilitou uma conclusão sobre o seu comportamento. O coeficiente de torque foi máximo para uma razão de velocidade de ponta de pá de 0,09, com um valor de 0,041. A curva do coeficiente de potência apresentou um ponto de máximo de 0,019 para uma razão de velocidade de ponta de pá de 0,56. A potência máxima foi de 0,153 W para uma rotação de 358 RPM e velocidade do vento de 7,3 m/s. O torque estático máximo encontrado foi de 0,011 Nm para uma velocidade do escoamento de 9,1 m/s.

Generation of electricity from renewable sources has gained ground in recent decades all over the world, and wind energy has been the focus of several studies. Large horizontal axis wind turbines have been studied by several researchers due to their high efficiency in the conversion of energy in large wind farms. However, vertical axis wind turbines have received focus in recent studies, which propose their application in urban environments, on top of buildings, in conjunction with a stator system that seeks to increase their efficiency. This work presents an experimental study of the performance of a Darrieus vertical axis wind turbine (type H) with five blades, mounted on a structure that seeks to simulate the effect of the top of a building, with an eight-blade power-augmentation-guide-vane applied to the turbine. The objective of the work is to survey the curves of static torque, static torque coefficient, dynamic torque coefficient, power coefficient and turbine power. The methodology applied was the measurement of torque by a variable weight, pulley and digital traction scale system and the speed of rotation by a tachometer, on the axis of a reduced model of the turbine, subjected to an aerodynamic tunnel air flow, so that the machine performance curves for various wind speeds and different loads applied to the shaft are obtained. The method used in this work was efficient for the analysis of the dynamic performance of the turbine, with the curves of the dynamic performance of the turbine in accordance with the literature. However, there was a greater measurement uncertainty for the points of low power on the turbine shaft due to the limitations of the digital traction scale. For the analysis of the static performance of the turbine, the method proved to be deficient, since the measurement uncertainty increased considerably for the static torque coefficient curve, which made it impossible to make any conclusions about its behavior. The torque coefficient was maximum for a blade tip speed ratio of 0.9, with a value of 0.041. The power coefficient curve showed a maximum point of 0.019 for a blade tip speed ratio of 0.56. The maximum power was 0.153 W for a rotation speed of 358 RPM and wind speed of 7.3 m/s. The maximum static torque found was 0.011 Nm for a flow velocity of 9.1 m/s.