Optimized Blade Design for Homemade Windmills/pt

O objetivo deste projeto, desenvolvido em colaboração com a disciplina Mech425, é identificar o ângulo ideal para pás planas e uniformes em relação ao fluxo de ar. O ângulo das pás deve ser otimizado para converter a maior quantidade possível de energia em movimento rotacional. Pás planas são utilizadas em conjunto com turbinas de eixo vertical e esse projeto geralmente é escolhido quando se busca simplicidade ou quando o acesso a ferramentas e materiais é limitado.

• O projeto foi selecionado para oferecer suporte a pessoas interessadas em gerar eletricidade aproveitando a energia eólica.
• O público-alvo são pessoas que não têm condições de comprar modelos disponíveis no mercado e optaram por construir os seus próprios.

Os moinhos de vento têm muitas funções e podem ser operados em qualquer lugar onde haja vento. Eles usam suas pás para converter a energia eólica em movimento rotacional. Esse movimento rotacional pode ser usado para trabalho direto ou convertido novamente em eletricidade. Originalmente, os moinhos de vento eram usados ​​para moer grãos em moinhos. Hoje, eles ainda são usados ​​para esse fim, mas ampliaram seu leque de aplicações para bombear água e gerar eletricidade. Em países menos desenvolvidos economicamente, a eletricidade gerada por moinhos de vento caseiros é frequentemente usada para carregar baterias e celulares ou para operar dispositivos de iluminação, rádios e bombas de irrigação.

As turbinas eólicas modernas disponíveis comercialmente foram projetadas para lidar com velocidades de vento específicas e são capazes de gerar megawatts de eletricidade por turbina. No entanto, soluções caseiras geralmente são de baixa tecnologia e foram pouco analisadas em termos de otimização. Este relatório tem como objetivo identificar o melhor ângulo de inclinação das pás em relação ao vento incidente para gerar a maior quantidade de eletricidade possível.

William Kamkwamba é um exemplo fantástico de alguém que poderia se beneficiar da análise apresentada neste relatório. Ele conseguiu construir o moinho de vento usando sua engenhosidade e uma mentalidade de tentativa e erro. Transformou com sucesso materiais descartados ao seu redor em um moinho de vento funcional que fornece luz e irrigação. Seu trabalho proporcionou uma vida melhor para sua família e amigos, além de inspirar pessoas em todo o mundo. No entanto, devido à sua limitada formação acadêmica, ele não incorporou cálculos de engenharia para otimizar o projeto. À medida que mais pessoas buscam aproveitar o potencial do vento, torna-se extremamente valioso otimizar esses dispositivos para maximizar seus benefícios sociais.

Para obter mais informações sobre William, sua história inspiradora pode ser vista abaixo:

Benefícios das lâminas planas

As lâminas planas são menos comuns do que outros modelos, mas oferecem benefícios significativos, especialmente em áreas remotas ou de baixa renda. A seguir, uma lista dos benefícios oferecidos pela utilização de lâminas planas:

• Fácil de construir
• Menos projeto e conhecimento local necessários
• São necessários menos equipamentos e tempo durante a construção.
• Assim fica mais fácil garantir que as lâminas tenham formato e tamanho consistentes.

Cálculos de Engenharia

A energia cinética armazenada no vento pode ser calculada de acordo com o Princípio de Bernoulli:

KE = 1 / 2( m * v ² )

Para encontrar a energia do vento, precisamos encontrar a massa do cilindro. Isso se baseia no volume do cilindro multiplicado pela densidade do fluido:

m = ρ * V

O volume total do fluido representado pela coluna cilíndrica é:

V = A * L

Podemos calcular a área da base do cilindro da seguinte forma:

A = 1 / 4(π * D ² )

O comprimento do cilindro representa a quantidade de fluido que passou pela área varrida pelo moinho de vento. Isso é calculado multiplicando-se a velocidade do vento pelo tempo:

L = v * t

Isso pode ser simplificado da seguinte forma:

KE = 1/8(ρ * π * D ² ) * v ³ * t

Por fim, a potência do vento é simplesmente a energia por unidade de tempo.

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

Como demonstrado, a potência do vento está altamente relacionada à velocidade do ar e, em menor grau, ao diâmetro das pás. A quantidade de energia no fluido está relacionada ao cubo da velocidade do fluido, o que indica a importância de altas velocidades de vento. Portanto, para aumentar a produção de energia, o fator mais importante é encontrar um local com altas velocidades de vento. Isso pode ser alcançado construindo-se uma torre para posicionar o aerogerador em um local mais elevado. Isso ajudará a reduzir o impacto de quaisquer obstruções vindas do solo. O tamanho das pás da turbina também é importante e deve ser considerado como um método para obter mais potência.

Eficiência máxima possível

O limite de Betz foi desenvolvido por Albert Betz e tem como objetivo representar a energia máxima que um dispositivo pode extrair de um fluxo de fluido a uma determinada velocidade. No caso de um moinho de vento, a eficiência teórica máxima de um rotor fino pode ser determinada com base nas seguintes premissas:

• O rotor é considerado ideal, possuindo um número infinito de pás e nenhuma resistência aerodinâmica.
• O fluxo de entrada e saída do rotor é axial e está de acordo com as equações de conservação.
• O fluido é modelado com base em um fluxo incompressível.

O limite de Betz previu que o valor máximo teórico para o coeficiente de potência é de 0,593. Isso significa que o limite teórico de potência removida do fluido é de 59,3%. Em comparação, as turbinas eólicas comerciais atualmente conseguem atingir uma conversão de 40 a 50% devido a pequenas ineficiências relacionadas ao projeto das pás e ao processo mecânico. ^{[ 1 ]}

Ângulo ideal das lâminas

A quantidade de energia disponível em um fluxo de fluido é indicada abaixo e está intimamente relacionada tanto à velocidade do fluido quanto à área varrida pelas pás. Outro componente importante é quanta energia pode ser extraída do fluido incidente. Para pás planas, o ângulo de inclinação das pás da turbina eólica em relação ao fluxo de fluido determinará quanta energia pode ser convertida em movimento rotacional e, consequentemente, capturada pelo sistema para gerar trabalho útil. O ângulo ideal foi calculado abaixo:

A pressão do vento é a quantidade de força exercida pelo vento por unidade de área das pás e é dada por: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• Onde c é uma constante e é igual a 1,0 para placas planas longas.

A força do vento contra a pá da turbina eólica é calculada multiplicando-se a pressão do vento pela área da pá voltada para o fluxo de ar. Caso a pá esteja inclinada em relação ao fluxo de ar, a área da pá exposta ao fluido é reduzida por um fator de sen θ . Assim, o cálculo da pressão do vento é multiplicado por A * sen θ para se obter a força do vento sobre as pás. Além disso, a força do vento convertida em movimento rotacional está relacionada ao ângulo da pá em relação ao fluxo de fluido. Essa relação é dada por um fator de cos θ .

Além disso, as pás encontrarão um coeficiente de arrasto relacionado ao ângulo das pás enquanto giram em seu próprio eixo perpendicular ao fluxo de fluido incidente. Esse coeficiente de arrasto será representado por D * cos θ .

Portanto, o cálculo combinado para determinar o equilíbrio de forças nas pás é:

F = ρ * v ² * A * sin θ * cos θ * D * cos θ

Uma relação importante a observar é a que existe entre a força e θ . O equilíbrio de forças combinado indica uma relação entre a força e sen θ * cos θ * cos θ .

Consequentemente, a inclinação ideal das pás proporcionaria um ângulo ao fluxo de ar tal que sin θ * cos θ * cos θ fosse máximo. Esse valor foi apresentado no gráfico abaixo para mostrar como ele varia conforme θ é ajustado. 

O ângulo é ajustado em radianos e parece indicar um valor máximo em aproximadamente 0,62 radianos, ou cerca de 35,5 graus. Isso se traduz em uma conversão máxima de 38,5% da força do vento em movimento rotacional. Portanto, as pás devem ser inclinadas em um ângulo de aproximadamente 35,5 graus em relação à corrente de ar incidente para obter a quantidade ideal de energia usando turbinas eólicas de pás planas.

Uma análise de dinâmica de fluidos computacional (CFD) foi planejada para este ângulo de pá, a fim de investigar a distribuição de pressão e o fluxo de ar ao passar pelas pás. Infelizmente, a licença do software CFD, Fluent, expirou. O modelo discretizado do projeto da pá, utilizando o programa Gambit, está incluído abaixo.

A análise CFD completa será publicada assim que o acesso ao Fluent ou a um software equivalente estiver disponível.

Considerações regionais

As regiões-alvo para esta tecnologia são locais onde as pessoas têm acesso limitado a ferramentas ou suprimentos, como a África Subsaariana. Além disso, a área deve ter acesso a recursos eólicos razoáveis ​​e a certos materiais essenciais. Esses materiais incluem muitos componentes tecnologicamente avançados, como geradores e motores. No entanto, esses itens podem ser encontrados em ferros-velhos, desde que estejam funcionais e atendam às suas necessidades básicas. Embora muitas pessoas não tenham condições de comprar esses itens, existem muitos carros e eletrodomésticos quebrados que seriam suficientes.

Em termos de impacto social, o acesso à eletricidade é uma ferramenta poderosa que pode ajudar comunidades a saírem da pobreza. Por outro lado, também tem se mostrado eficaz em perpetuar e ampliar a desigualdade econômica. É fundamental que a energia seja tratada com respeito e que não seja usada como instrumento para agravar a pobreza.

Materiais

A lista a seguir representa os materiais básicos necessários para construir um moinho de vento em casa ou usando materiais reciclados. Como William Kamkwamba demonstrou e inspirou pessoas no mundo todo, os materiais que ele usou para construir seu primeiro moinho de vento são mostrados abaixo: ^{[ 2 ]}

Se o moinho de vento estiver sendo construído e a intenção for armazenar eletricidade, os seguintes materiais também serão necessários: ^{[ 3 ]}

• Baterias de ciclo profundo de 12V (caso o usuário pretenda armazenar energia elétrica)
• Controlador de carga para regular a quantidade de carga da bateria.
• Conversor CC/CA
• Ponte retificadora (para garantir que a eletricidade flua para as baterias)

Ferramentas

Se não houver restrições quanto às ferramentas disponíveis, seria útil ter uma serra, chave de fenda, parafusos, martelo, pregos, arruelas, porcas e parafusos, um nível e um marcador. Além disso, o trabalho elétrico seria facilitado com alicates e também com medidores de voltagem, amperagem e resistência. No entanto, em áreas rurais do mundo, as pessoas são obrigadas a ser mais criativas com os recursos disponíveis. Aqui estão alguns exemplos de como isso acontece: ^{[ 4 ]}

• As lâminas planas podem ser criadas cortando um tubo de PVC longitudinalmente, usando uma serra ou ferramenta similar, e depois aquecendo o tubo sobre o fogo. Uma vez quente, ele pode ser moldado em uma lâmina longa e plana.
• As arruelas podem ser feitas achatando tampas de garrafa com um martelo e, em seguida, fazendo um furo no meio.

Nessas circunstâncias, pregos, pedras, fogo e madeira se tornam as ferramentas para construir a turbina eólica. Aço ou pedras podem ser usados ​​como martelos, raios de bicicleta podem ser raspados em uma pedra para criar uma borda plana e sacolas plásticas podem ser derretidas para construir uma alça em uma das extremidades. Além disso, brocas podem ser criadas usando uma espiga de milho como cabo e um prego saliente. O prego pode então ser aquecido em fogo aberto até ficar em brasa e usado para perfurar certos materiais.

Habilidades e Conhecimentos

Para aproveitar o potencial de geração de energia das turbinas eólicas, é importante entender quanta energia eólica está disponível em um determinado local. A escala de Beaufort fornece uma indicação da velocidade do vento com base em várias pistas visuais. Embora essas pistas indiquem a velocidade do vento no solo, é provável que haja uma quantidade maior de energia no vento à medida que a altitude aumenta. Isso se deve à camada limite que se desenvolve na superfície da Terra, juntamente com várias obstruções no solo que afetam o fluxo do vento. A escala de Beaufort é apresentada abaixo: ^{[ 5 ]}

Para obter uma lista mais completa dos fatores de identificação física, siga este link.

Além disso, para transmitir a eletricidade gerada para uso em aplicações como iluminação, rádios ou carregamento de baterias, é fundamental compreender a teoria elétrica, como a tensão e a amperagem necessárias para alimentar o dispositivo desejado. Um resumo desse conhecimento pode ser encontrado aqui.

Especificações técnicas

William conseguiu construir seu moinho de vento com base no esquema mostrado abaixo. ^{[ 6 ]} Ele foi então montado em uma grande torre de madeira que ele criou. No geral, a máquina é bastante simples em conceito, com as principais limitações sendo os materiais disponíveis e o acesso limitado a ferramentas. Através de testes, William descobriu que, usando seu projeto, um moinho de vento de quatro pás era capaz de gerar mais energia do que sua contraparte de três pás. ^{[ 7 ]}

Custos estimados

William revelou que seu moinho de vento custou aproximadamente US$ 15 para produzir e que o gerador de bicicleta foi o mais difícil de obter. ^{[ 8 ]} Uma estimativa dos custos dos vários componentes foi compilada com base no que ele conseguiu encontrar gratuitamente no ferro-velho ou com a família.

Em áreas rurais, o custo das peças varia significativamente dependendo dos materiais que podem ser reaproveitados ou que precisam ser comprados localmente ou em vilarejos vizinhos. Portanto, é mais apropriado apresentar uma faixa de custos estimados com base na variabilidade da disponibilidade de certos materiais. Embora seja apenas uma estimativa, ela oferece uma ideia de quanto se pode esperar pagar pelas peças.

Conforme indicado, a faixa de custos é de aproximadamente US$ 0 a US$ 99 e fornece uma estimativa geral dos custos do projeto com base na quantidade de materiais que podem ser reaproveitados. Com base nessas estimativas, o orçamento de US$ 15 de William parece estar na extremidade inferior da faixa, já que ele conseguiu encontrar a maior parte dos materiais em itens que outros considerariam lixo.

Além do custo inicial, a energia eólica tem potencial para se tornar uma tecnologia geradora de renda. Os telefones celulares proporcionam empregos para muitas pessoas que alugam seus aparelhos para indivíduos que desejam ligar para mercados vizinhos e consultar o preço de diversos produtos. Da mesma forma, a energia gerada pode ser vendida para pessoas que desejam carregar seus celulares ou outras baterias que podem ser usadas para iluminação ou para ouvir rádio. 

Erros comuns

Existem muitas variações do projeto de moinho de vento usado por William Kamkwamba e aprimorado ao longo desta seção. No entanto, algumas variações são comumente utilizadas e têm um impacto negativo no desempenho. Um exemplo disso é o uso de madeira como material para a fabricação das pás. A madeira é uma escolha inadequada, pois é uma substância mais pesada e, portanto, requer mais energia para iniciar a rotação e atingir maior velocidade de giro. Outros materiais devem ser considerados.

Além disso, é muito importante que as pás tenham um formato uniforme, pois qualquer irregularidade pode causar oscilações. Essas oscilações resultam em desempenho reduzido e diminuem a vida útil do aerogerador devido às vibrações adicionais. As pás do aerogerador também devem ser instaladas bem acima de quaisquer obstruções para se obter um fluxo de vento mais potente e constante. Uma boa regra prática é instalar a turbina duas vezes mais alta que quaisquer obstruções próximas.

Outros modelos

Caso você tenha acesso a equipamentos adicionais, como serras e lixa, poderá usar o projeto apresentado no vídeo abaixo. Observe também que a turbina eólica é capaz de girar e utiliza uma cauda para direcionar as pás na direção do vento.

Referências