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
AMANDA RAQUEL REINHER
LORENZO SOARES MATTÉ
LUCCA MILAN CORRÊA DE MORAES
OTIMIZAÇÃO DAS PÁS DE GERADOR DE ENERGIA EÓLICA (RUTLAND 913)
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
AMANDA RAQUEL REINHER
LORENZO SOARES MATTÉ
LUCCA MILAN CORRÊA DE MORAES
OTIMIZAÇÃO DAS PÁS DE GERADOR DE ENERGIA EÓLICA (RUTLAND 913)
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
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.
12
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
13
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).
14
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).
15
Figura 3 – Pá original
Fonte: os autores (2016).
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
Fonte: os autores (2016).
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
Fonte: os autores (2016).
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
Fonte: os autores (2016).
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.
17
Figura 7 – Coruja
Fonte: os autores (2016).
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
Fonte: os autores (2016).
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.
18
Figura 9 – Original + coruja
Fonte: os autores (2016).
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
Fonte: os autores (2016).
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
Fonte: os autores (2016).
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
Fonte: os autores (2016).
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.
20
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.
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