FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA …

FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA

CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA

AMANDA RAQUEL REINHER

LORENZO SOARES MATTÉ

LUCCA MILAN CORRÊA DE MORAES

OTIMIZAÇÃO DAS PÁS DE GERADOR DE ENERGIA EÓLICA (RUTLAND 913)

Orientador: Prof. Fábio Ricardo de Oliveira de Souza

Coorientador: Prof. Elenilto Saldanha Damasceno

Novo Hamburgo

2016





Relatório de pesquisa sobre o aproveitamento de energia

eólica elaborado por alunos do Curso Técnico de

Mecânica da Fundação Escola Técnica Liberato Salzano

Vieira da Cunha para a participação no PID (Projeto de

Integração Disciplinar).

Orientador: Prof. Fábio Ricardo de Oliveira de Souza

Coorientador: Prof. Elenilto Saldanha Damasceno

Novo Hamburgo, setembro de 2016.

FOLHA DE ASSINATURAS





FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA

CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA

Novo Hamburgo, setembro de 2016.

________________________________________________

Amanda Raquel Reinher – [email protected]

________________________________________________

Lorenzo Soares Matté – [email protected]

________________________________________________

Lucca Milan Corrêa de Moraes – [email protected]

________________________________________________

Fábio Ricardo de Oliveira de Souza

Professor orientador

________________________________________________

Elenilto Saldanha Damasceno

Professor coorientador

AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao professor orientador Fábio Ricardo de Oliveira de Souza, que nos

ajudou a tomar o rumo certo do projeto e nos auxiliou, com seus ensinamentos e equipamentos,

para uma melhor execução da pesquisa, e ao professor coorientador Elenilto Saldanha

Damasceno, que se dedicou totalmente para nos auxiliar e esteve sempre presente, atencioso e

prestativo. Somos gratos aos dois professores por nos fazerem crescer academicamente e nos

proporcionarem uma melhor formação profissional, pelo tanto que se dedicaram e nos fizeram

aprender.

RESUMO

O projeto foi executado com a finalidade de otimização das pás do cata-vento de gerador para

melhoria de rendimento da geração de energia eólica, a partir de estudos físicos sobre a

influência do fluido (ar) sobre um elemento (protótipo). Justifica-se a escolha da pesquisa pela

porcentagem de energia dos ventos que pode ser transformada em energia elétrica. Mesmo os

sistemas mais modernos não conseguem converter mais de 59,3% da energia total dos ventos,

de acordo com Aldabó (2002). A pesquisa analisará a possibilidade de otimização das pás do

cata-vento de um gerador, a partir da compreensão sobre o funcionamento das pás até a

conclusão sobre quais são as mudanças mais efetivas, aplicadas no uso doméstico.

Especificamente, essa conclusão partirá da construção de um protótipo virtual da pá igual ao

fornecido pelo curso de Eletrotécnica da Fundação Liberato e de outro protótipo virtual com as

modificações estabelecidas no software Inventor. Essas modificações foram estabelecidas a

partir do comportamento de voo de pássaros. Em seguida, será realizado um estudo do

comportamento da pá e de suas modificações dentro do software do Autodesk, CFD Design

Study Environment. Por último, serão testadas, futuramente, em um túnel de vento da

Universidade do Vale do Rio dos Sinos, uma seção da pá original e uma da pá melhor

qualificada pelos ensaios virtuais.

Palavras-chave: Energia eólica. Otimização. Pás.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 6

2 REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................................................. 7

2.1 Projetos relevantes à pesquisa ......................................................................................... 10

3 METODOLOGIA ............................................................................................................. 12

4 RESULTADOS ................................................................................................................. 13

5 CONCLUSÕES ................................................................................................................. 20

6

1 INTRODUÇÃO

O projeto foi executado com a finalidade de otimização das pás do cata-vento de

gerador para melhoria de rendimento da geração de energia eólica, a partir de estudos físicos

sobre a influência do fluido (ar) sobre um elemento (protótipo). Justifica-se a escolha da energia

eólica, de acordo com Martins, Guarnieri e Pereira (2008), visto que existe uma ameaça ao

suprimento de energia necessário para o desenvolvimento social e econômico. Há perspectivas

de esgotamento das reservas de petróleo nas próximas duas ou três décadas; as perspectivas

citadas colocam em risco a produção de energia, o que leva à busca de fontes alternativas. Por

essa razão, o aprimoramento da pá do gerador surge como uma dessas alternativas, pois

conforme Aldabó (2002), a porcentagem de energia dos ventos que pode ser transformada em

energia elétrica ainda é muito baixa. Mesmo os sistemas mais modernos não conseguem

converter mais de 59,3% da energia total dos ventos. A partir disso, chegamos à questão

norteadora: como aumentar a captação de um gerador de energia eólica por aperfeiçoamento

das pás do cata-vento? Dessa forma, seria possível modificar a aerodinâmica da pá e aumentar

seu rendimento? A pesquisa analisará a possibilidade de otimização das pás do cata-vento de

um gerador, a partir das pesquisas bibliográficas obtidas pelo projeto Estudo sobre o

aproveitamento de energia eólica (2015), que irá fornecer um melhor entendimento sobre um

gerador eólico para, então, compreender o funcionamento das pás e concluir quais são as

mudanças mais efetivas, aplicadas no uso doméstico. Especificamente, essa conclusão partirá

da construção de um protótipo virtual da pá igual ao fornecido pelo curso de Eletrotécnica da

Fundação Liberato e de outro protótipo virtual com as modificações estabelecidas no software

Inventor. Essas modificações originam-se do comportamento de voo de pássaros. Em seguida,

será realizado um estudo do comportamento da pá e de suas modificações dentro do software

do Autodesk, CFD Design Study Environment, usado para predizer os fenômenos físicos que

ocorrem em escoamentos. Por último, serão testadas, futuramente, em um túnel de vento da

Universidade do Vale do Rio dos Sinos, uma seção da pá original e uma da pá melhor

qualificada pelos ensaios virtuais.

7

2 REFERENCIAL TEÓRICO

Segundo Aldabó (2002), o combustível do sistema de energia eólica é o vento,

movimento do ar na atmosfera terrestre. Esse movimento do ar é gerado, principalmente, pelo

aquecimento da superfície da Terra nas regiões próximas à linha do Equador e pelo resfriamento

nas regiões próximas aos polos.

Para utilizar a energia dos ventos eficientemente na geração de energia, é necessário

medir a direção e a intensidade dos ventos.

A expressão “perda de energia” significa que uma parte da energia de uma fonte não

pode ser usada no estágio seguinte do processo, porque é convertida em calor. Por isso, rotores,

engrenagens e geradores nunca têm 100% de eficiência, por causa das perdas de calor

provenientes da fricção nos mancais (apoio fixo ao elemento dotado de movimentos giratórios)

ou entre as moléculas.

McCosker (2012) comenta, em Design and optimization of a small wind turbine, que

existem dois tipos de pás usadas em geradores de energia eólica. Há as que funcionam com o

arrasto e atrito do vento, que as empurra e faz com que as mesmas girem e transformem, assim,

a energia cinética do vento em energia mecânica, que será transmitida para o gerador de energia.

Também existem os geradores de sustentação; tais geradores utilizam, em suas pás, o princípio

de Bernoulli, criam sustentação e, assim, fazem com que as pás movimentem o gerador de

energia elétrica.

Segundo Rocha em Teoria de voo de baixa velocidade (1978), as hélices trabalham

com o princípio de Bernoulli, em que um fluido tende a diminuir a pressão conforme a sua

velocidade aumenta. Por esse motivo, as hélices são desenhadas de forma a fazer com que as

partículas de ar que passam pelo extradorso do aerofólio tenham que passar mais rápido que as

partículas que passam pelo intradorso, de modo que a diferença de pressão entre as partes force

a pá para frente. O mesmo princípio é aplicado nas asas de aeronaves.

De acordo com a National Aeronautics and Space Administration (NASA, 2016), o

National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) foi criado com o objetivo de

supervisionar e orientar o estudo científico dos problemas de voo, tendo em vista suas soluções

práticas.

Conforme Virginia Tech Department of Aerospace and Ocean Engineering (1997), a

nomenclatura National Advisory Committee for Aeronautics para os perfis de quatro dígitos é

definida por:

NACA MPXX

https://en.wikipedia.org/wiki/National_Advisory_Committee_for_Aeronautics

8

Em que M é o valor máximo de linha média em centésimos de corda, P é a posição da

curvatura máxima da linha de corda em décimos de corda e XX é a espessura máxima.

Os aerofólios NACA combinam envelope de espessura com linha média. As equações

que descrevem esse procedimento estão contidas em Theory of wing sections dover (ABBOTT;

DOENHOFF, 1959) e são:

𝑥𝑢 = 𝑥 − 𝑦𝑡 (𝑥) 𝑠𝑖𝑛𝜃

𝑦𝑢 = 𝑦𝑐 (𝑥) 𝑥 + 𝑦𝑡 (𝑥) 𝑥 𝑐𝑜𝑠𝜃

𝑥𝑙 = 𝑥 + 𝑦𝑡 (𝑥) 𝑥 𝑠𝑖𝑛𝜃

𝑦𝑙 = 𝑦𝑐 (𝑥) 𝑥 − 𝑦𝑡 (𝑥) 𝑥 𝑐𝑜𝑠𝜃

Onde yt (x) é a espessura e yc (x) é a função da linha média.

O gradiente da linha média é dado por:

𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1 (𝑑𝑦𝑐

𝑑𝑥)

A distribuição da espessura dos aerofólios NACA de 4 dígitos é dada pela equação:

𝑦𝑡

𝑐= (

𝑡

𝑐) [𝑎0√

𝑥

𝑐− 𝑎1 (

𝑥

𝑐) − 𝑎2 (

𝑥

𝑐)

2

+ 𝑎3 (𝑥

𝑐)

3

− 𝑎4 (𝑥

𝑐)

4

]

Para determinar o raio do bordo de ataque, deve-se utilizar a equação:

(𝑟𝐿𝐸

𝑐) = 1.1019 (

𝑡

𝑐)

2

O ângulo do bordo de fuga é obtido pela equação:

𝛿𝑇𝐸 = 2𝑡𝑎𝑛−1 {1.1625 (𝑡

𝑐)}

A linha de corda é dada por:

𝑦𝑐

𝑐 =𝑀𝑃2 [2𝑃 (

𝑥𝑐) − (

𝑥𝑐)

2

]

𝑑𝑦𝑐

𝑑𝑥=

2𝑀𝑃2 (𝑃 − (

𝑥𝑐))

} (𝑥

𝑐) < 𝑃

9

𝑦𝑐

𝑐 =𝑀

(1 − 𝑃)2 [1 − 2𝑃 + 2𝑃 (𝑥𝑐) − (

𝑥𝑐)

2

]

𝑑𝑦𝑐

𝑑𝑥=

2𝑀(1 − 𝑃)2 (𝑃 − (

𝑥𝑐))

} (𝑥

𝑐) ≥ 𝑃

A partir disso, ao aplicar às fórmulas os valores informados pelos quatro dígitos, é

possível conhecer algumas das suas características.

Segundo Wenzel (2007) em Projeto aerodinâmico de pás de turbinas eólicas de eixo

horizontal, o fator de redução de potência causado por perdas aerodinâmicas nas pontas das pás

é dado pela equação:

ɳ𝐵 = (1 −1,386

𝐵𝑠𝑒𝑛

Φ

2)

2

Na equação, B é o número de pás e Φ é o ângulo teórico de fluxo, que é definido por:

Φ =2

3𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛

1

λ

λ é dado pela relação de velocidades de ponta.

No livro Introdução à mecânica dos fluidos, de Fox, McDonald e Pritchard (2006), o

número de Reynolds é um critério que pode ser usado para determinar o regime de escoamento.

A razão entre as forças é obtida pela equação:

𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝑙

𝜇=

𝑣𝑙

𝑣

Os escoamentos com números de Reynolds nos quais as forças de inércia são

''pequenas'' em relação às forças viscosas são, geralmente, laminares. Já os escoamentos em que

o número é considerado ''grande'' são, normalmente, turbulentos. Ou seja, quanto maior o

número de Reynolds, mais turbulento é o escoamento; então, é necessário um número baixo

para obter pouca turbulência e, assim, diminuir o arrasto induzido que é causado pelo vácuo e

atrasa a pá.

De acordo com a empresa de geradores eólicos Aerogeradores.org (2011), limite de

betz é um limite teórico calculado da máxima eficiência energética que um gerador de energia

eólica ideal pode ter; esse número é de 59,3%. Atualmente, os geradores eólicos trabalham em

uma faixa de 35% a 45% de rendimento, visto que o rendimento de 59,3% é basicamente

10

inalcançável, pois existem problemas que nunca serão inibidos, como atrito em mancais e

rolamentos, perdas de energia em conversores etc.

Segundo a Software Depot (2016), o software CFD fornece dinâmica de fluidos

computacional e ferramentas de simulação térmica. Com o CFD Design Study Environment, é

possível prever o desempenho do produto, otimizar os projetos e validar o comportamento do

produto antes da fabricação. Dinamicamente, simula a interface entre líquidos e gases com

capacidade de modelagem de superfície livre.

Conforme Ribeiro (2014), o Autodesk Inventor é uma ferramenta que tem o objetivo

de projetar e modelar elementos tridimensionais e que permite, também, que se realizem

simulações de movimento e efeitos de estresse mecânico, com recriação de um ambiente seguro

para realizar testes e análises sobre as consequências da Física aplicada.

De acordo com a empresa GOM (2016), o sensor ATOS é posicionado na frente da

peça; após cada medição, o sensor ou a peça é movido para obter áreas não capturadas no

escaneamento. Todas as medições são transformadas, automaticamente, em um sistema de

coordenadas, o que resulta em uma nuvem de pontos em 3D completa. ATOS utiliza uma

configuração de estéreo câmera que opera segundo o princípio da triangulação, entendida como

um método para fixar uma posição. É avaliado por uma malha poligonal computada que

descreve superfícies complexas e geometrias regulares. O sensor projeta padrões de franja

diferentes sobre a superfície do objeto e realiza uma varredura para avaliar suas dimensões e

enviá-las para o software.

Souza, Silva e Souza (2010) destacam que o Tritop é um sistema de medição ótica

industrial para a aquisição, em 3D, de coordenadas de pontos sobre objetos. Todas as

características relevantes são marcadas com pontos adesivos e utiliza-se uma câmera para

aquisição de tomadas em diversas posições, com diferentes ângulos. O software calcula as

coordenadas a partir dessas imagens digitais e utiliza os conceitos de fotogrametria a cada três

medições. Essa tecnologia pode ser utilizada para controle de qualidade, verificação de

deformação e análise de superfícies, principalmente quando os objetos possuem dimensões

maiores que 2 m e são de difícil locomoção.

2.1 Projetos relevantes à pesquisa

O projeto de Guilherme München Wenzel (2007) teve como objetivo apresentar uma

metodologia simplificada para o dimensionamento das pás de uma turbina eólica a partir da

seleção de um perfil aerodinâmico com propriedades conhecidas.

11

Sua pesquisa demonstra a aplicação do método simplificado para o desenho de pás;

porém, esse método não considera uma variação no ângulo de ataque ao longo do comprimento

das pás. Tal método também só considera a relação de velocidades e não considera efeitos das

velocidades axiais e tangenciais. Seleciona o perfil aerodinâmico, a partir da relação entre o

coeficiente de arrasto e o coeficiente de sustentação, e busca o menor número possível, a partir

da curva polar. Dessa forma, se obtém o coeficiente de sustentação do projeto e o seu ângulo

de ataque.

O projeto de Fábio Luiz Argentino e Sergio Katsumi Beppu (2007) dá ênfase ao estudo

e à construção de um gerador eólico de eixo horizontal de pequeno porte; portanto, os dados

técnicos relativos ao gerador de energia eólica contidos na obra não preenchem as lacunas e

necessidades do grupo em sua pesquisa. Porém, os dados sobre o cálculo da energia cinética do

vento, que é a energia cinética utilizada pelo aerogerador, mostram-se úteis para a parte teórica

do projeto.

O trabalho de Eden Rodrigues Nunes Junior (2008) tem como um dos objetivos

específicos a análise aerodinâmica, realizada em uma simulação numérica preliminar seguida

de ensaios experimentais em túnel de vento, para os quais foram construídos protótipos dos

perfis das hélices. A metodologia dos testes aerodinâmicos é semelhante à desta pesquisa;

porém, no estudo realizado pelo autor citado, não ficaram claros quais procedimentos foram

adotados e seus resultados, pois seu foco é a construção de turbinas eólicas de pequeno porte.

O projeto de Helena Vitória Colvara Cardoso, Lucca Milan Corrêa de Moraes e Kelly

Leandra Vicente Paluchowski (2015) tem como objetivos entender o funcionamento do gerador

de energia eólica e analisar a possibilidade de otimização das pás do cata-vento.

Essas pesquisas também foram utilizadas como embasamento para planejar, analisar e

concluir as mudanças mais efetivas na aerodinâmica das pás, com possibilidade de aplicação

no uso doméstico.

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3 METODOLOGIA

O projeto propôs a construção de um protótipo virtual, para analisar a eficiência da

geração de energia eólica através de modificações na aerodinâmica das pás do cata-vento. Visou

à materialização de um produto, de um processo e de um estudo de viabilização desses, a partir

de uma pesquisa tecnológica, um desenvolvimento experimental.

Com base em dados técnicos obtidos no relatório Estudo sobre o aproveitamento da

energia eólica (2015), foram realizadas pesquisas em livros (como Energia eólica e Teoria de

voo de baixa velocidade) e na internet. Também foi desenvolvido um estudo sobre o teorema

Pi de Buckingham, segundo o livro Introdução à mecânica dos fluidos, capítulo 7, Análise

dimensional e semelhança, escrito por Robert W. Fox (2006), para obter um melhor

entendimento do funcionamento dos dimensionamentos e das escalas. Logo após, foi fornecido,

pelo curso de Eletrotécnica da Fundação Liberato, um gerador eólico, do qual se retirou uma

pá para realização de ensaios. Para esses ensaios, o professor orientador Fábio Ricardo de

Oliveira de Souza levou a pá ao seu laboratório e colocou-a no equipamento Gom Atos (figura

1), que é uma câmera que projeta franjas de luz (figura 2) sobre o protótipo e realiza uma

varredura sobre a superfície para avaliar suas dimensões e enviá-las para um software 3D.

Imediatamente, foi possível comparar as medidas da pá fornecida com as encontradas no

National Advisory Committee for Aeronautics, da instituição NASA, e descobrir qual o perfil

da pá disponibilizada. À vista disso, utilizou-se o software do Autodesk, Inventor, em que se

dividiu a pá em seções e se contornou quatro delas com ferramentas do programa, executou-se

uma transição, criou-se um novo plano, com uma distância de 130 mm do eixo à face, extrusou-

se um cubo de 200 mm por 250 mm sobre a pá e se combinou a base (cubo) com a operação

(pá); então, no software CFD Design Study Environment, com princípio no cálculo das reações

de um elemento (protótipo) sob influência de um fluido (ar), realizaram-se alterações para

avaliar as mudanças de pressão e, assim, possibilitar ver quais os benefícios, em relação à pá

utilizada, no momento em que o ar passa pela pá, para produzir energia. As alterações foram

realizadas a partir do formato de asas de pássaros, tais como falcão de coleira (Falco femoralis),

falcão peregrino (Falco peregrinus), whooping crane (Grus americana), quero-quero (Vanellus

chilensis), águia real (Aquila chrysaetos), beija-flor (Archilochus colubris) e o common tern

(Sterna hirundo). Tais pássaros foram escolhidos por seu comportamento quando em voo. De

modo específico, em um dos lados do cubo, foi colocada velocidade de 20 m/s, nos vetores y e

z; no outro lado, pressão zero; nas partes de cima e de baixo do cubo também foi aplicada

pressão zero e, nos dois lados restantes, simetria. Foi avaliada uma seção no meio da pá, com

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aplicação da fórmula de pressão, sua área e força no vetor z. Por fim, espera-se executar

experimentos, futuramente, com a construção da réplica da pá já utilizada e de uma pá com as

atualizações vistas no software, em uma impressora 3D, fornecida pelo professor orientador e,

com as duas pás, retirar uma seção de cada e realizar ensaios em um túnel de vento, que

permitirá observar o movimento do ar ao redor dos objetos posicionados dentro dele, sendo

composto por um motor, um ventilador, um inversor de frequência, um plenum, uma colmeia e

um canal de quatro seções, fornecido pela Universidade do Vale do Rio dos Sinos, com o

equipamento Gom Tritop, também disponibilizado pelo professor orientador. Para utilização do

dispositivo, que é uma câmera, faz-se marcações na base do protótipo e tira-se uma sequência

de fotos, para avaliar o deslocamento que a seção da pá obteve e, assim, analisar a força de

arrasto e sustentação e comprovar a eficiência da pá otimizada.

Figura 1 – Equipamento Gom Atos

Fonte: Souza (2016).

Figura 2 – Projeção de franjas de luz

Fonte: Souza (2016).

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4 RESULTADOS

O projeto propôs a construção de um protótipo, para analisar a eficiência da geração

de energia eólica através de modificações na aerodinâmica das pás do cata-vento. Dessa forma,

utilizou programas da Autodesk para avaliar e construir as possíveis mudanças. Após analisar

todas as pás fornecidas pela NACA em Airfoil Tools (2016), foi possível descobrir que o nome

do perfil disponibilizado pelo curso de Eletrotécnica da Fundação Liberato é plano convexo

Curtis C72.

Ao examinar as asas de pássaros e comparar com os perfis NACA, escolheu-se

algumas das pás para aplicar no software Inventor, desenhar uma seção e extrudar os 280 mm

de pá e aplicar no software CFD; os resultados foram analisados a partir da fórmula de pressão:

𝑃 =𝐹

𝐴

Realizou-se o cálculo com a área e a força z nas partes de baixo e de cima da pá; depois,

se calculou a diferença de pressão ∆𝑃. Para realizar a análise o software estipula que a pá é

composta de uma superfície infinitesimalmente fina. Calculando a pressão nessa superfície de

dentro para fora, a parte de baixo deverá ser o maior valor positivo e a parte de cima também.

Os resultados negativos se dão pela orientação da força. A partir disso, ponderou-se as pás mais

eficientes para produzir energia.

Quadro 1 – Resultado dos ensaios realizados

Nome da pá Parte de baixo da pá Pz (Pa) Parte de cima da pá Pz (Pa)

Pá original -7,581 82,719

Original + falcão peregrino -12,336 47,958

Falcão peregrino slat -26,973 74,587

Whooping crane -8,849 43,336

Falcão peregrino 11,794 70,279

NS_1 15,088 48,033

NS_3 -13,421 55,591

Coruja 18,438 81,295

Coruja slat -0,960 74,025

Whooping crane pousando 12,294 85,666

Fonte: os autores (2016).

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Figura 3 – Pá original


Pá disponibilizada pelo curso de Eletrotécnica da Fundação Liberato. Seus resultados

apresentam muita pressão na parte da frente da pá, o que causa mais arrasto. A pressão baixa

na parte de cima da pá é boa; porém, a baixa pressão na parte de baixo e a alta pressão no final

da pá não, pois esta gera arrasto e aquela, pouca sustentação.

Figura 4 – Whooping crane pousando


A pá whooping crane pousando foi desenhada a partir da Grus americana quando está

a pousar. Através da análise dos resultados, pode-se observar que, na ponta da pá, há uma área

de alta pressão maior que a original; na parte de baixo da pá, uma área de baixa pressão maior

que a original; e na parte de cima, uma pressão menos baixa, ruim para a eficácia da pá. No

final da pá, há uma alta pressão, muito boa para a sustentação da pá.

16

Figura 5 – Falcão peregrino


A pá falcão peregrino foi selecionada para os testes a partir do falcão peregrino, por

ser um exímio caçador de pássaros e pelos inúmeros reportes de pesquisadores de que é um dos

animais mais rápidos do mundo quando em mergulho. Sua velocidade de voo em cruzeiro é de

aproximadamente 24 a 33 milhas por hora (38 a 52 Km/h) e, quando em perseguição, aumenta

para até 67 milhas por hora (107 Km/h aproximadamente), de acordo com a Cornell University

(2015). Sua área de alta pressão na frente da pá é semelhante à pá original. Tem uma pressão

alta no meio e, em cima, uma baixa pressão, as duas maiores que a original, o que melhora a

pá; porém, embaixo, há uma área de pressão baixa.

Figura 6 – Falcão peregrino com slat


A pá falcão peregrino slat foi testada para avaliar a falcão peregrino com slat

(dispositivo de hiperssustentação auxiliar). Sua área de pressão baixa em cima da pá é

semelhante à original. Porém, na parte da frente, há uma alta pressão; embaixo, uma grande

área de baixa pressão; e no final, pouca pressão alta, o que piora a pá.

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Figura 7 – Coruja


A pá coruja foi escolhida porque, segundo a Deutsche Welle (2012), as asas das corujas

são maiores e mais arqueadas; isso possibilita às aves uma sustentação muito maior a baixas

velocidades e, também, nas arestas frontais, elas apresentam uma delicada estrutura de ganchos

dispostos em forma de pente, o que resulta em microturbulências na superfície das asas durante

o voo. Essas microturbulências na superfície das asas da coruja melhoram a aderência da

corrente aérea. Fator que dificulta a eficácia da pá, no ensaio, é possível ver uma área um pouco

maior de alta pressão na parte da frente; embaixo, uma área de baixa pressão maior que a

original; porém, há fatores positivos, pois no final da pá tem uma área de alta pressão e, em

cima, uma área de baixa pressão maior que a original.

Figura 8 – Coruja com slat


O motivo pelo qual a pá coruja slat foi testada é as características da coruja, porém,

com slat. Todas suas avaliações foram ruins, pois na frente da pá, sua área de alta pressão é

grande; embaixo, a área é semelhante a original; e em cima, há pouca baixa pressão.

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Figura 9 – Original + coruja


A pá original + coruja foi construída a partir da parte de baixo da pá original e da parte

de cima da pá coruja. Sua área de pressão baixa em cima da pá é semelhante a original; na parte

de baixo, há uma pequena área de baixa pressão. Na parte da frente, a pá é um pouco pior que

a original.

Figura 10 – Novo sólido_1


A pá NS_1 foi desenhada a partir da pá original, com acréscimo de um slat. Não é boa

a área de alta pressão na frente da pá; porém, são boas a pouca baixa pressão embaixo, a alta

pressão no final e a baixa pressão em cima da pá.

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Figura 11 – Novo sólido_3


A pá NS_3 foi testada com intuito de modificar a pá original com um slat maior. Essa

pá tem uma área semelhante à original na frente; em cima, uma área de baixa pressão um pouco

maior; e uma área ruim de pressão baixa embaixo da pá e de alta pressão no final.

Figura 12 – Whooping crane


A pá whooping crane foi escolhida pelo fato de a Grus americana ser capaz de migrar

por longas distâncias e cobrir até 4000 quilômetros, segundo Wildscreen Arkive (2003), o que

faz com que seja uma boa referência em eficiência energética. Na frente da pá, tem-se uma

grande pressão alta, mas embaixo, a pressão baixa é semelhante à original; no final, a pressão

alta é menor e, em cima, a área de baixa pressão também é menor.

Dessa forma, é possível avaliar que a coruja e falcão peregrino são as pás que mais se

encaixam nas condições necessárias, segundo cálculos e imagens.

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5 CONCLUSÕES

A pesquisa visou à possibilidade de otimização das pás do cata-vento de um gerador,

aplicada no uso doméstico.

Desenvolveu a construção de um protótipo virtual da pá igual ao fornecido pelo curso

de Eletrotécnica da Fundação Liberato e de outros protótipos, com as modificações conforme

as asas de pássaros e especificações da NACA, dentro do software Inventor. Realizou um estudo

do comportamento da pá e de suas modificações dentro do software do Autodesk, CFD Design

Study Environment e pretende, futuramente, testar, em um túnel de vento da Universidade do

Vale do Rio dos Sinos, uma seção da pá original e uma da pá melhor qualificada pelos ensaios

virtuais, com intuito de validar a eficácia da pá otimizada.

Foi levado em consideração que as hélices fossem desenhadas de forma a fazer com

que as partículas de ar que passam pela face curva superior do aerofólio tenham que passar mais

rápido que as partículas que passam pela face curva inferior, de modo que a diferença de pressão

entre as partes force a pá para frente. Pode-se avaliar, pelos cálculos e pelas imagens, que as

pás mais eficientes na geração de energia são as pás coruja e falcão peregrino.

Portanto, o projeto se realizou com sucesso, pois todos os objetivos foram alcançados,

tanto específicos quanto gerais.

21

REFERÊNCIAS

ABOTT, Ira H.; DOENHOFF, Albert E. Von. Theory of wing sections dover. Toronto:

General Publishing Company, 1959. Disponível em:

<http://by.genie.uottawa.ca/~mcg4345/AdditionalNotes/theory_of_wing_sections_ch6.pdf>.

Acesso em: 21 jul. 2016.

AEROGERADORES.ORG. Disponível em:

<http://www.aerogeradores.org/limitedebetz.php>. Acesso em: 10 jul. 2016.

AIRFOIL TOOLS. Disponível em: <http://airfoiltools.com/search/list?page=a&no=1>.

Acesso em: 24 maio 2016.

ALDABÓ, Ricardo. Energia eólica. 2. ed. São Paulo: Artliber, 2002.

ARGENTINO, Fábio Luiz; BEPPU, Sergio Katsumi. Projeto e construção de turbina eólica

para instalações comerciais e residenciais. São Paulo: Escola Politécnica da Universidade

de São Paulo, 2007. Disponível em:

<http://sites.poli.usp.br/d/pme2600/2007/Artigos/Art_TCC_011_2007.pdf>. Acesso em: 7 jul.

2016.

CARDOSO, Helena Vitória Colvara; MORAES, Lucca Milan Corrêa de; PALUCHOWSKI,

Kelly Leandra Vicente. Estudo sobre o aproveitamento de energia eólica. Novo

Hamburgo: Fundação Liberato, 2015. Relatório Feicit.

CORNELL UNIVERSITY. All about birds. Ithaca, 2015. Disponível em:

<https://www.allaboutbirds.org/guide/Peregrine_Falcon/lifehistory>. Acesso em: 26 ago.

2016.

DEUTSCHE WELLE – DW. Disponível em:

<http://www.dw.com/pt/cientistas-aprendem-com-voo-silencioso-das-corujas/a-15881295>.

Acesso em: 26 ago. 2016.

FOX, Robert W.; MCDONALD, Alan T.; PRITCHARD, Philip J. Introdução à mecânica

dos fluidos. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006.

GOM. Disponível em: <http://www.atos-core.com/pt/features.php>. Acesso em: 10 jun. 2016.

JUNIOR, Eden Rodrigues Nunes. Metodologia de projeto de turbinas eólicas de pequeno

porte, 2008. 190 p. (Dissertação de Mestrado), Faculdade de Engenharia Mecânica.

Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2008. Disponível em:

22

<http://www.ppgem.eng.uerj.br/trabalhosconclusao/EdenRodrigues-Final.pdf>. Acesso em:

10 jun. 2016.

MARTINS, Fernando R.; GUARNIERI, R. A.; PEREIRA, E. B. O aproveitamento de energia

eólica: the wind energy resource. Revista brasileira de ensino de Física, v. 30, n. 1, p.1304/

1-13, 2008. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/rbef/v30n1/a05v30n1.pdf>. Acesso em:

24 maio 2015.

MCCOSKER, John J. Design and optimization of a small wind turbine, 2012. 56 p.

(Masters Dissertation), Faculty Hof Rensselear Polytechnic Institute, Hartford, 2012.

Disponível em: <https://www.ewp.rpi.edu/hartford/~ernesto/SPR/McCosker-

FinalReport.pdf>. Acesso em: 17 mar. 2015.

NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION. Disponível em:

<http://www.nasa.gov/>. Acesso em: 5 set. 2016.

RIBEIRO, Daniel. O Inventor 2014 é uma poderosa ferramenta de modelagem 3D. Rio de

Janeiro: Globo.com. Disponível em: <http://www.techtudo.com.br/tudo-sobre/autodesk-

inventor.html>. Acesso em: 10 jul. 2016.

ROCHA, Luiz Carlos Weigert. Teoria de voo de baixa velocidade. Rio de Janeiro: Escola de

Aperfeiçoamento e Preparação da Aeronáutica Civil, 1978.

SOFTWARE DEPOT. Disponível em: <http://topappsoutlet.com/product/autodesk-cfd-

2016/>. Acesso em: 10 jun. 2016.

SOUZA, Fábio Ricardo de Oliveira de. Fotografias. Mensagem pessoal recebida por:

[email protected]. Acesso em: 9 de set. 2016.

SOUZA, Fábio Ricardo de Oliveira de; SILVA, Luciano Santos da; SOUZA, Dilson José

Aguiar de. Desenvolvimento de metodologia para inspeção de vidros de para-brisas utilizando

tecnologia de medição por fotogrametria e luz branca estruturada. In: Anais Conem 2010:

VI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica. Campina Grande: Associação Brasileira de

Engenharia e Ciências Mecânicas, 2010. Disponível em:

<http://www.abcm.org.br/anais/conem/2010/PDF/CON10-1930.pdf>. Acesso em: 11 jul.

2016.

VIRGINIA TECH DEPARTMENT OF AEROSPACE AND OCEAN ENGINEERING.

Disponível em: <http://www.dept.aoe.vt.edu/~mason/Mason_f/CAtxtAppA.pdf>. Acesso em:

7 jul. 2016.

23

WENZEL, Guilherme München. Projeto aerodinâmico de pás de turbinas eólicas de eixo

horizontal. 2007. 76 p. (Trabalho de Conclusão). Graduação em Engenharia Mecânica,

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007. Disponível em:

<http://revistaseletronicas.pucrs.br/ojs/index.php/graduacao/article/viewFile/3490/2738>.

Acesso em: 7 jul. 2016.

WILDSCREEN ARKIVE. Disponível em: <http://www.arkive.org/whooping-crane/grus-

americana/>. Acesso em: 26 ago. 2016.

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