Desenho de Lâmina de Turbina EólicaTutoriais de Energia Alternativa16/01/201302/08/2020

Tutoriais de Energia Alternativa

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Pás de turbinas eólicas devem ser planas, dobradas ou curvas

O vento é um recurso energético gratuito, até que os governos o tributem, mas o vento é também uma fonte de energia muito imprevisível e pouco fiável, uma vez que está constantemente a mudar tanto em força como em direcção. Para produzir quantidades úteis de energia, as turbinas eólicas geralmente precisam ser grandes e altas, mas para funcionar eficientemente elas também precisam ser bem projetadas e projetadas, o que as torna caras também.

A maioria das turbinas eólicas projetadas para a produção de eletricidade consistiram de uma hélice de duas ou três pás girando em torno de um eixo horizontal. É óbvio dizer que estas hélices como as pás das turbinas eólicas convertem a energia do vento em energia de eixo utilizável chamada torque. Isto é conseguido extraindo a energia do vento, abrandando-a ou desacelerando-a à medida que passa sobre as pás. As forças que desaceleram o vento são iguais e opostas às forças de elevação do tipo impulso que gira as pás.

Um desenho típico de pá de turbina eólica

Apenas como uma asa de avião, as pás de turbina eólica funcionam gerando elevação devido à sua forma curva. O lado com maior curva gera baixa pressão de ar enquanto o ar de alta pressão sob pressão empurra no outro lado do aerofólio em forma de lâmina. O resultado líquido é uma força de elevação perpendicular à direção do fluxo do ar sobre a pá da turbina. O truque aqui é projetar a pá do rotor de forma a criar a quantidade certa de elevação e empuxo da pá do rotor produzindo uma ótima desaceleração do ar e, portanto, uma melhor eficiência da pá.

Se as pás da hélice da turbina giram muito lentamente, permite que muito vento passe sem ser perturbado e, portanto, não extrai tanta energia quanto poderia. Por outro lado, se a pá da hélice girar muito rápido, ela parece ao vento como um grande disco de rotação plana, o que cria uma grande quantidade de arrasto.

Então a relação ideal de velocidade da ponta, TSR, que é definida como a relação entre a velocidade da ponta do rotor e a velocidade do vento, depende do perfil da forma da pá do rotor, do número de pás da turbina e do próprio projeto da pá da hélice da turbina eólica. Portanto, qual é a melhor forma e desenho de pás para pás de turbinas eólicas.

Geralmente, as pás de turbinas eólicas são moldadas para gerar a máxima potência do vento com o mínimo custo de construção. Mas os fabricantes de pás de turbinas eólicas estão sempre procurando desenvolver um design de pás mais eficiente. Melhorias constantes no projeto das pás eólicas produziram novos projetos de turbinas eólicas que são mais compactos, silenciosos e capazes de gerar mais energia a partir de menos vento. Acredita-se que ao curvar ligeiramente a lâmina da turbina, eles são capazes de capturar 5 a 10% mais energia eólica e operar mais eficientemente em áreas que têm tipicamente velocidades de vento mais baixas.

Concepção da lâmina da turbina eólica

Então que tipo de forma de lâmina produziria a maior quantidade de energia para uma turbina eólica? – As pás planas são o desenho de lâmina mais antigo e têm sido usadas há milhares de anos em moinhos de vento, mas esta forma plana e larga está se tornando menos comum do que outros tipos de desenho de lâmina. As pás planas empurram contra o vento, e o vento empurra contra as pás.

A rotação resultante é muito lenta porque as pás que estão girando de volta no curso ascendente após a geração de energia estão em oposição à saída de energia. Isto porque as pás estão agindo como enormes pás se movendo na direção errada, empurrando contra o vento dando-lhes o nome de pás de rotor baseadas em arrasto.

No entanto, projetos de pás planas oferecem benefícios significativos para o DIY’er em comparação com outros projetos de pás de vento. As pás de rotor plano são fáceis e baratas de cortar a partir de uma folha de compensado ou metal, garantindo que as pás tenham uma forma e tamanho consistentes. Elas também são as mais fáceis de entender, exigindo menos habilidades de projeto e construção, mas a eficiência e a facilidade de gerar energia elétrica é muito baixa.

Lâminas curvadas são muito semelhantes a uma asa de avião longa (também conhecida como aerofólio) que tem uma superfície curvada no topo. A lâmina curva tem ar circulando ao seu redor com o ar se movendo sobre a parte superior curva da lâmina mais rápido do que sob a parte plana da lâmina, o que faz com que a lâmina tenha uma área de pressão mais baixa na parte superior e, como resultado, está sujeita a forças de elevação aerodinâmicas que criam movimento.

Estas forças de elevação são sempre perpendiculares à superfície superior da lâmina curva, o que faz com que a lâmina se mova girando ao redor do cubo central. Quanto mais rápido o vento sopra, mais elevação é produzida na lâmina, daí a rapidez de rotação. As vantagens de uma pá de rotor curvo em comparação com uma pá plana é que as forças de elevação permitem que as pontas das pás de uma turbina eólica se movimentem mais rapidamente do que o vento se move, gerando mais potência e maior eficiência. Como resultado, as pás de uma turbina eólica baseadas em levantamento estão se tornando mais comuns agora. Além disso, lâminas de turbinas eólicas de pvc feitas em casa podem ser cortadas a partir de tubos de drenagem de tamanho padrão tendo a forma curva já embutida dando-lhes a melhor forma de lâmina.

Fluxo de ar e desempenho da lâmina curva

Mas as lâminas curvas também sofrem de arrasto ao longo do seu comprimento que tenta parar o movimento da lâmina. O arrasto é essencialmente o atrito do ar contra a superfície da lâmina. O arrasto é perpendicular ao Lift e está na mesma direção que o fluxo de ar ao longo da superfície da lâmina. Mas podemos reduzir esta força de arrasto dobrando ou torcendo a lâmina e também afinando-a ao longo do seu comprimento produzindo o desenho mais eficiente de lâmina de turbina eólica.

O ângulo entre a direção do vento em sentido contrário e o passo da lâmina em relação ao vento em sentido contrário é chamado de “ângulo de ataque”. Como este ângulo de ataque se torna maior, mais elevação é criada, mas como o ângulo se torna ainda maior, maior do que cerca de 20o, a lâmina começará a diminuir a elevação. Assim, existe um ângulo de inclinação ideal da pá do rotor que cria a melhor rotação e as modernas pás do rotor da turbina eólica são na verdade projetadas com um giro ao longo de seu comprimento, desde um passo íngreme em sua raiz até um passo muito raso em sua ponta.

Como a velocidade na ponta de uma pá rotativa é mais rápida do que na sua raiz ou centro, as modernas pás de rotor são torcidas ao longo do seu comprimento entre 10 a 20o da raiz à ponta, de modo que o ângulo de ataque diminui de onde o ar se move relativamente devagar perto da sua raiz, para onde se move muito mais rápido na ponta. Esta torção das pás maximiza o ângulo de ataque ao longo do comprimento, obtendo a melhor elevação e rotação.

Em conclusão, o comprimento das pás de um rotor de turbina eólica determina quanta energia eólica pode ser capturada à medida que giram ao redor de um cubo central e o desempenho aerodinâmico das pás de uma turbina eólica é muito diferente entre uma pá plana e uma pá curva. As pás planas são baratas e fáceis de fazer, mas têm altas forças de arrasto, tornando-as lentas e ineficientes.

Para aumentar a eficiência das pás das turbinas eólicas, as pás do rotor precisam ter um perfil aerodinâmico para criar elevação e rotação da turbina, mas as pás do tipo aerofólio curvo são mais difíceis de fazer, mas oferecem melhor desempenho e velocidades de rotação mais altas, tornando-as ideais para a geração de energia elétrica.

Mas para obter o melhor design para as pás das turbinas eólicas, podemos melhorar ainda mais a aerodinâmica e a eficiência usando pás de rotor tipo hélice torcida e afilada. A torção da pá muda o ângulo do vento ao longo da pá com o efeito combinado de torcer e afinar a pá ao longo do seu comprimento melhora o ângulo de ataque aumentando a velocidade, a eficiência e reduzindo o arrasto. Além disso, as pás cónicas são mais fortes e leves do que as rectas, uma vez que o esforço de flexão é reduzido.

O desenho das pás da turbina eólica é crucial para que uma turbina eólica funcione de acordo com as expectativas. Inovações e novas tecnologias usadas para projetar lâminas de turbinas eólicas não pararam aqui, pois novas fórmulas e projetos estão sendo considerados para melhorar seu desempenho, eficiência e potência diariamente.

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