Design de pás para microturbinas eólicas de eixo horizontal

Abstract

O aumento da demanda energética em nível mundial, em decorrência de mudanças nos padrões de vida, acarretou preocupações com o desenvolvimento de energia limpa, visto que a qualidade de vida de determinada sociedade parece estar associada a distintos aspectos, como o próprio consumo de energia. Com vistas a contribuir para a solução desta problemática, a energia eólica tem recebido investimentos. Nesse âmbito, aventa se o potencial de aplicação das microturbinas eólicas, pois, por intermédio desses equipamentos, é possível propiciar eletricidade para distintas regiões ou pequenos dispositivos eletrônicos. Considerando essas particularidades, este estudo se concentra em estabelecer um design de pás para microturbina eólica de eixo horizontal, considerando aspectos de dimensionamento e geometria das pás em escala centimétrica, perfis aerodinâmicos, número de pás e ângulo de ataque. Isso porque o design de pás com uma geometria otimizada pode contribuir para melhor desempenho de microturbinas em regimes de ventos fracos ou turbulentos. A metodologia adotada tem abordagem quantitativa, e os procedimentos técnicos são caracterizados como experimentais, pois foram realizadas mensuração de dados. Com base na literatura, foram analisados dois modelos de pás — o tipo hélice e o tipo loop-type. Para o dimensionamento dos modelos de pás, utilizou-se a Teoria do Momento do Elemento de Pá (em inglês, blade element momentum [BEM]), atribuindo o coeficiente de potência ótimo, conforme teoria de Betz. Após as definições de ângulos de torção e comprimento de corda de perfil, foram modeladas as duas formas de pás em software CAD 3D. Para avaliação dos modelos, foi realizada uma simulação de fluidodinâmica computacional entre as pás por meio do software ANSYS Discovery 2022 R2. Além disso, os modelos foram prototipados e testados em um túnel aerodinâmico. Observou-se que o modelo tipo loop-type apresenta maior conversão da energia cinética comparado ao modelo tipo hélice.

The increase in global energy demand due to changes in lifestyle patterns has raised concerns about the development of clean energy, as the quality of life of a society seems to be associated with various aspects, including energy consumption itself. In order to contribute to the solution of this issue, wind energy has received investments. In this context, the potential application of micro wind turbines has been considered, as these devices can provide electricity to different regions or power small electronic devices. Considering these characteristics, this study focuses on establishing a blade design for a horizontal-axis micro wind turbine, considering aspects of sizing and geometry of the blades at a centimeter scale, aerodynamic profiles, number of blades, and angle of attack. This is because a blade design with optimized geometry can contribute to better performance of micro turbines under weak or turbulent wind regimes. The methodology adopted has a quantitative approach, and the technical procedures are characterized as experimental since data measurements were performed. Based on the literature, two blade models were analyzed - the helix type and the loop-type type. For the sizing of the blade models, the Blade Element Momentum (BEM) theory was used, assigning the optimal power coefficient according to Betz's theory. After defining the twist angles and profile cord lengths, both blade forms were modeled in a 3D CAD software. To evaluate the models, a computational fluid dynamics simulation was conducted between the blades using ANSYS Discovery 2022 R2 software. Additionally, the models were prototyped and tested in a wind tunnel. It was observed that the loop-type model exhibits higher conversion of kinetic energy compared to the helix-type model.