Publicado em 21 de dezembro de 2023 por Mecânica de Comunicação

Projetos de melhoria em pás de turbinas eólicas podem aumentar a produção de energia

Na indústria eólica, há, cada vez mais, uma tendência de construir turbinas cada vez maiores. De modo a continuar a aumentar a potência das turbinas eólicas, a área varrida pelos rotores tem que ser aumentada, isto é, os tamanhos das turbinas precisariam aumentar, resultando em novos desafios para os engenheiros estruturais. Só que para realizar tal tarefa, é necessário um maior aprofundamento na questão pá-rotor.

O princípio de funcionamento da turbina eólica se dá através da geração energia através da força da natureza, através do movimento rotativo das pás. Para execução deste processo, as pás das turbinas eólicas aproveitam a energia do fluxo de ar que se aproxima a fim de aumentar o torque no rotor e produzir mais energia. Para que a turbina eólica funcione de forma mais eficiente e aumente o tempo de operação durante as condições de altas velocidades e rajadas, é essencial, que além dos sistemas de controles, haja uma estrutura robusta que cubra não apenas o essencial da geração de energia, mas também reduza o efeito dos danos nestes casos extremos.

Isso significa que a pá é o componente mais importante em uma turbina eólica. A sua eficiência é determinante para a performance da turbina. Diversos parâmetros podem impactar no projeto de uma pá eólica, como a escolha dos aerofólios e suas espessuras, a geometria da pá e as características dos materiais utilizados para sua fabricação.

As pás de turbinas eólicas são moldadas para gerar a máxima potência do vento sob custo mínimo e o seu design é impulsionado pelos requisitos aerodinâmicos. Este processo de design começa com um compromisso de "melhor palpite" entre eficiência aerodinâmica e estrutural.

A escolha dos materiais e o processo de fabricação também terão uma influência sobre quão fina a pá poderá ser construída. Similarmente a uma asa de avião, as pás das turbinas eólicas funcionam gerando sustentação e arrasto, devido à sua forma. O extradorso, superfície curva superior, gera menores pressões quando comparadas as do intradorso, superfície quase plana inferior, produzindo as forças de sustentação e arrasto, sendo elas perpendicular e paralela à direção do fluxo do ar, respectivamente.

A força de sustentação aumenta quando a pá é rotacionada para se apresentar em ao vento em um ângulo maior (ângulo de ataque, AoA). Com o aumento do AoA, a pá tende a entrar em "stall" e a sustentação começa a diminuir. Há, também, uma força retardadora na pá: o arrasto, paralelo ao fluxo do vento, e que também aumenta com o ângulo de ataque. Se o formato do aerofólio for bom, a força de sustentação é muito maior que a de arrasto, mas para ângulos muito altos, especialmente nas regiões de stall das pás, o arrasto aumenta dramaticamente e governa a aerodinâmica.

Para ser mantido o ângulo ideal de trabalho nos perfis, é preciso que a pá seja torcida ao longo do seu comprimento, justamente por causa do advento do vento aparente. Em geral, há uma grande angulação na raiz que, além de contribuir para eficiência aerodinâmica com a elevação no torque, também colabora com o aumento da resistência ao momento de flexão, nesta seção. Ademais, para reduzir o ruído na ponta da pá e facilitar a rotação, a seção da ponta precisa ser paralela à direção do fluxo do vento.

Os projetos de melhoria em pás de turbinas eólicas podem acarretar em um aumento da produção de energia, redução dos esforços mecânicos e peso, menor propagação de ruído e uma maior segurança ao longo de toda estrutura. Aperfeiçoamentos no projeto estrutural também podem implicar numa pá mais leve, economizando material e facilitando sua montagem.

As informações acima foram extraídas da dissertação de mestrado Desenvolvimento de uma metodologia para a otimização de rotores de aerogeradores, defendida por Eduardo Corte Real Fernandes, no Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade Federal de Pernambuco, sob orientação do professor Alex Maurício Araújo e coorientação do professor José Ângelo Peixoto da Costa.