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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARA CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE FÍSICA MESTRADO EM CIÊNCIAS FÍSICAS APLICADAS
HANS HEINRICH VOGT
ANÁLISE ESTRUTURAL DE PÁS DE GERADOR EÓLICO DE PEQUENO PORTE FEITAS DE FIBRA VEGETAL BRASILEIRA
FORTALEZA 2010
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HANS HEINRICH VOGT
ANÁLISE ESTRUTURAL DE PÁS DE GERADOR EÓLICO DE PEQUENO PORTE FEITAS DE FIBRA VEGETAL BRASILEIRA
Dissertação submetida à Coordenação do Mestrado em Ciências Físicas Aplicadas do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciências Físicas Aplicadas. Orientador: Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho
FORTALEZA 2010
M886a Hans Heinrich Vogt
Analise estrutural de pás de gerador eólico de pequeno porte feitas de fibra vegetal brasileira / Hans Heinrich Vogt — Fortaleza, 2010.
XXX p. Orientador: Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho. Dissertação (Mestrado Acadêmico em Ciências Físicas
Aplicadas) – Universidade Estadual do Ceará, Centro de Ciências e Tecnologia.
1. Energia renovável, 2. Energia eólica, 3. Estrutura de pás, 4. Fibras vegetais brasileiras, 5. Física UECE, 5. Elétrica UFC, 6. Materiais UFCG
CDD: 333.7
HANS HEINRICH VOGT
ANÁLISE ESTRUTURAL DE PÁS DE GERADOR EÓLICO DE PEQUENO PORTE FEITAS DE FIBRA VEGETAL BRASILEIRA
Dissertação submetida à Coordenação do Mestrado em Ciências Físicas Aplicadas do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciências Físicas Aplicadas.
Aprovada em: ___/___/_____
BANCA EXAMINADORA
____________________________________________________ Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho (Orientador)
Universidade Federal do Ceara - UFC
____________________________________________________ Profª. Drª. Laura Hecker de Carvalho
Universidade Federal de Campina Grande –UFCG
____________________________________________________ Prof. Dr. Emerson Mariano da Silva
Universidade Estadual do Ceará– UECE
_____________________________________________________ Prof. Dr. Lutero Carmo de Lima
Universidade Estadual do Ceará– UECE
AGRADECIMENTOS
Dedico este trabalho e todo o esforço nele empregado à minha mãe, Elisabeth Vogt, que, à altura desta fase da minha vida, está trilhando pesadamente a parte final do caminho para a eternidade. A esta mulher que, apesar de tudo, tem se mostrado tão corajosa, e continua parecendo uma jovem menina; pela voz, pelo espírito e pelo bom-humor que sempre me passa quando nos falamos. Este é meu sincero sinal de admiração e solidariedade.
Agradecimentos também àqueles que me deram conselho e orientação para que este trabalho se tornasse uma realidade palpável. Em especial:
Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho
Profª. Drª. Laura Hecker de Carvalho
Amanda Vieira
Rolf Kretzschmar
Empresa Enersud
Empresa Equifiber
Agradecimentos também ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pelo financiamento da presente pesquisa.
RESUMO
O potencial da energia eólica no Nordeste do Brasil, especialmente no Estado do Ceará, é vastíssimo e oferece uma opção para diversificar a matriz energética da região, que apresenta esgotamento para novas hidrelétricas de grande porte. Além disso, oferece a oportunidade de criar um modelo de desenvolvimento sustentável, com a finalidade de acompanhar o crescimento industrial e social da região. Uma barreira para o crescimento do setor é a carência na oferta de equipamentos nacionais para aerogeradores. Poucas empresas brasileiras oferecem geradores eólicos e a maioria dos equipamentos usados no país é importada e/ou, muitas vezes, de baixa qualidade, o que acarreta em problemas de manutenção, segurança de operação e dificuldades de reparo. Para criar alternativas na geração de energia elétrica a partir de fontes alternativas, é necessária a disponibilidade de equipamentos nacionais que sejam técnica, operacional e economicamente viáveis. No Nordeste, são fabricados componentes que podem ser utilizados na construção destes aerogeradores de pequeno porte, como por exemplo, mastros de comunicação em forma de torres treliçadas, que podem ser utilizados como base para este tipo de equipamento. Além dos componentes já fabricados no Nordeste, a natureza disponibiliza fibras vegetais que podem ser usadas como materiais compósitos, de uma forma mais econômica e biodegradável, oferecendo oportunidade para que a população de baixa renda possa participar, técnica e economicamente, do processo de fabricação de aerogeradores. A presente pesquisa tem como meta pesquisar a viabilidade do uso de componentes e materiais locais (pás eólicas compostas de fibras vegetais reforçadas com polímeros) para equipar aerogeradores eólicos de pequeno porte. Desta forma, procura-se investigar a viabilidade técnica da substituição das pás originais em compósito com fibras de vidro por pás confeccionadas a partir de compósitos poliméricos reforçados com fibras vegetais da região Nordeste (juta). Desta forma, almeja-se promover o desenvolvimento de tecnologia eólica nacional com o uso de pás de compósitos poliéster/fibras vegetais. Palavras-chave: Energia eólica, aerogerador, pás, fibras vegetais brasileiras
ABSTRACT
The wind energy potential in the Northeast of Brazil, and especially in the state of Ceará is huge and offers conditions to compensate the missing options for building further full size hydroelectric Power plants and to guarantee the energy supply for this region with green renewable energy. Apart from that it offers opportunities for promoting a sustainable social and industrial development growth of the region. One of the obstacles for growth of this sector is a shortage of national suppliers of wind turbines. Few Brazilian companies manufacture wind turbines and the major part of the wind turbines installed today in Brazil are imported or are very often of low quality, which is a serious operation-, maintenance-, safety- and repair problem. In order to create alternatives for the generation of electrical energy on the base of renewable sources it is necessary to create a national Brazilian industry for wind turbines which are technical, operationally and economical viable.There are companies in the northeast of Brazil producing components, like communication masts, that could be used for small wind generator projects as base for these machines. Apart from that, nature here is offering natural fibers which could be used as composite material for rotor blades in an economic and environmental friendly way. This would give a chance for people with low income to enter the fabrication process of wind turbines. This study intends to investigate the viability of the use of local components and materials for rotor blades of small wind turbines made of polymer composite reinforced with natural Brazilian fibers. The intention is to investigate the technical viability to substitute the common technique of making rotor blades out of composite reinforced by glass fibers, by rotor blades made out of composite reinforced with natural fibers (jute) from the northeast of Brazil. Thus the intention is to promote the technological development of wind turbines by using composite reinforced with natural fiber. Key words: Wind energy, Wind turbines, Natural fibers
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Esquema ilustrativo da Equação de Bernoulli 22
Figura 2.2 Esquema ilustrativo da Equação de Bernoulli com Δh = 0 23
Figura 2.3 Esquema de Efeito Venturi – queda da pressão no estrangulamento do tubo 23
Figura 2.4 Movimentação de duas superfícies separadas por um fluido 24
Figura 2.5 Padrão de escoamento de um fluido em uma superfície 25
Figura 2.6 Esquema de fluxos laminar e turbulento 26
Figura 2.7 Disco rotor e detalhe da seção transversal da pá 26
Figura 2.8 Fluxo do ar no perfil da pá do aerogerador 27
Figura 2.9 Velocidade resultante do fluxo do ar no perfil da pá do aerogerador 27
Figura 2.10 Variação de velocidade ao longo da pá em rotação e as velocidades
resultantes para as posições de referência 28
Figura 2.11 Tipo de fluxo em volta do perfil da pá 28
Figura 2.12 Esquema explicativo do fenômeno Estol 29
Figura 2.13 Movimento do ar após a passagem da asa 30
Figura 2.14 Forças de sustentação e de arraste na pá 30
Figura 2.15 Curva polar de um determinado perfil 31
Figura 2.16 Distribuição de forcas aerodinâmicas numa pá com velocidade v e com
ângulo de ataque variando entre 3° e 19° 32
Figura 2.17 Condensação na parte superior da asa com alto ângulo de ataque (α),
causada por queda de pressão e alta umidade relativa do ar 32
Figura 2.18 Esquema das forças aerodinâmicas e resultantes das forças que giram a pá 33
Figura 2.19 Somas das forças resultantes ao longo da pá 34
Figura 2.20 Tubo (imaginário) circular de corrente do ar anterior e posterior ao rotor 35
Figura 2.21 Esquema de pressão e velocidades no disco atuador 36
Figura 2.22 Componentes de um Aerogerador de pequeno porte 42
Figura 2.23 Aerogerador de Pequeno Porte sobre Torre 43
Figura 2.24 Detalhe das partes do Aerogerador de pequeno porte 44
Figura 3.1 Pá de teste em compósito com fibra vegetal de juta 45
Figura 3.2 Esquema da pá de teste com corte de perfil aerodinâmico 45
Figura 3.3 Esquema do procedimento de qualificação para pás em compósito com
fibra de juta 47
Figura 3.4 Esquema de classificação das fibras 52
Figura 3.5 Esquema estrutural das pás de teste no corte 56
Figura 3.6 A ponta da pá de teste com tecido de fibra de juta 57
Figura 3.7 Tecido cortado no tamanho da parte interna do molde 59
Figura 3.8 Gel coat, depositado sobre o molde 59
Figura 3.9 Impregna-se cada camada em separado com a resina catalisada 60
Figura 3.10 Verifica-se que as bordas estejam bem lisas e corretamente preenchidas. 60
Figura 3.11 A resina para colar o inserto metálico 61
Figura 3.12 Cordões de fibra dispostas ao redor da borda do molde 61
Figura 3.13 Passa-se cera ao redor do molde 62
Figura 3.14 Fecha-se o molde 62
Figura 3.15 Pá de teste em fibra vegetal com dimensões geométricas 63
Figura 3.16 Áreas das seções A1 a A5 do perfil aerodinâmico da pá 63
Figura 3.17 Área de um trapézio e distância do centro em relação à base maior 65
Figura 3.18 Centro das áreas de 1 a 5 em relação ao centro do rotor 66
Figura 3.19 Corte dos perfis de seção 1 a 5, com ângulo de passo de 0° 66
Figura 3.20 Sistema de estol não ativado 68
Figura 3.21 Sistema de estol ativo 68
Figura 3.22 Distribuição das forças atuando na pá nas rajadas definidas de classe I a IV 68
Figura 3.23 Variação de velocidade vento relativo a perfil ao longo da pá em rotação e
as velocidade resultantes e ângulos para as posições de referência 70
Figura 3.24 Distribuição das forças de sustentação Fs na operação nominal e as forças
de arraste no caso de uma rajada de 70 m/s atuando na pá na direção axial 75
Figura 3.25 Forças atuando na seção da pá 75
Figura 3.26 Forças e resultantes atuando na pá 76
Figura 3.27 Teste estático da pá em Lunderskov, Dinamarca 81
Figura 3.28 Esquema dos possíveis danos causados à estrutura da pá 82
Figura 3.29 Esquema de tap teste, ultrassom, teste de infravermelho e raios-X. 84
Figura 3.30 Esquema de termografia infravermelha 85
Figura 3.31 Fixação e ajuste de ângulo de passe no dispositivo de testes 86
Figura 3.32 Esquema do dispositivo de simulação de cargas aerodinâmicas com as
forças em forma de pesos gravitacionais de água 86
Figura 3.33 Possíveis direções de aplicação de forças gravitacionais no dispositivo de
teste 87
Figura 3.34 Pontos de aplicação da forças gravitacionais na pá de teste nos centros das
seções 1 – 5 90
Figura 3.35 Pontos 1 a 4 de medição de deflexão na pá de teste 90
Figura 3.36 Posições de carga e de medição de deflexão durante teste 91
Figura 3.37 Configuração de teste 91
Figura 3.38 A pá comercial de referência e as três pás de teste 95
Figura 3.39 Fotografia mostrando os arranjos: (a) linear contínuo, no sentido
longitudinal; (b) cruzado, com fibras contínuas alinhadas, em forma de
tecido; e (c) em manta, com fibras descontínuas e aleatoriamente
orientadas.
96
Figura 3.40 Deflexão da pá de teste 1 durante carregamento nominal de 0%, 100%
(nominal) e 135% 97
Figura 3.41 Flexão da pá de teste 1 sem carga e com carga máxima de 110%, conforme
classe de vento I 99
Figura 3.42 Descolamento da junção na pá de teste 2, após o carregamento nominal da
classe de vento I 100
Figura 3.43 Pá comercial exclusivamente em fibra de vidro (cima) e pá de teste
exclusivamente em fibra de juta (baixo), com as mesmas cargas máximas
de classe de vento I
100
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Aerogeradores de pequeno porte (BUNDESVERBAND
WINDENERGIE, 2010)
20
Tabela 3.1 Composição de celulose com base nas diferentes fibras naturais (em
%)
40
Tabela 3.2 Dados da safra de juta de 2004 a 2008 (IBGE) 53
Tabela 3.3 Propriedades físicas e mecânicas da fibra de juta 53
Tabela 3.4 Área das seções A1 a A5 e área total das seções A1 a A5 64
Tabela 3.5 Distância do centro das seções A1 a A5 em relação ao centro do rotor 65
Tabela 3.6 Coeficiente de sustentação máxima das secções A1 a A5 67
Tabela 3.7 Parâmetros de vento das classes de aerogeradores (em m/s) 67
Tabela 3.8 Forças de arraste geradas por rajadas máximas Classe I a IV de vento
atuando na pá
69
Tabela 3.9: Velocidades rotacionais dos centros de A5 a A1 na operação nominal
com a rotação do gerador de 650 rpm (10,8 rotações / segundo) e
vento de 12 m/s
71
Tabela 3.10 Velocidades resultantes nas seções da pá para a operação nominal 72
Tabela 3.11 Número de Reynolds para as seções 1 – 5 na operação nominal 73
Tabela 3.12 Ângulos resultante (β), de passo (γ) e de ataque (α), na operação
nominal
73
Tabela 3.13 Cargas na pá na operação de geração nominal 74
Tabela 3.14 Valores base na operação nominal 77
Tabela 3.15 Forças axiais e radiais atuando na operação nominal com o vento de
12m/s
77
Tabela 3.16 Momentos atuando no vento nominal de 12m/s 78
Tabela 3.17 Cargas operacionais nominais com 650 rpm e uma velocidade de
vento de 12 m/s em N para as seções A1 a A5
92
Tabela: 3.18 Cargas operacionais nominais com 650 rpm e uma velocidade de
vento de 12 m/s em equivalentes em kg de peso para as seções A1 a
A5
93
Tabela 3.19 Cargas causadas pelas rajadas conforme as classes de vento I a IV 94
Tabela 3.20 Cargas causadas pelas rajadas conforme as classes de vento I a IV em
equivalentes em kg de peso para as seções A1 a A5
94
Tabela 3.21 Características dos 4 tipos de pás testadas 95
Tabela 3.22 Resultado de deflexão com pá de teste 1, de teste visual, e de tap test
do teste com carga nominal até 135%
96
Tabela 3.23 Resultado de deflexão com pá de teste 1, de teste visual, e de tap teste
com as cargas de rajada designadas para as classes de vento I a IV
mais 10%
98
Tabela 3.24 Resultados da qualificação das pás de teste 1 a 3, e da pá comercial 101
LISTA DE SIGLAS, ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
A Área, superfície
ABS Acrilonitrila-butadieno-estireno
a.C. Antes de Cristo
a indicador axial de corrente
α Ângulo de ataque
B base maior
b base menor
β Ângulo resultante, Ângulo da velocidade resultante
BWEA Bundesverband Kleinwindanlagen
C centro
C circunferência
ca Coeficiente de arraste
Cp Coeficiente de Potência
Cp max Coeficiente de Potência Máximo
cs Coeficiente de sustentação
CHESF Companhia Hidroelétrica do São Francisco
COOH Grupos ácido carboxílico
ρ Densidade ou massa específica
D diâmetro
F Força
Fa Força de araste
Fax Força axial
Fr Força radial
Fs Força de sustentação
g Aceleração da gravidade [9,8 m/s2]
GWEC Global Wind Energy Council
MH 102 Martin Hepperle, perfil aerodinâmico 102
MH 104 Martin Hepperle, perfil aerodinâmico 104
MH 106 Martin Hepperle, perfil aerodinâmico 106
MH 108 Martin Hepperle, perfil aerodinâmico 108
MH 110 Martin Hepperle, perfil aerodinâmico 110
h Altura em relação a um referencial
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IEC International Electrotechnical Commission
m Massa
Max Momento axial
Mrad Momento radial
MEK Metil-etil-cetona
n rotação
η viscosidade
OH- Grupos hidroxila
ONU Organização das Nações Unidas
p Pressão
PEEK Poli-éter-éter-cetona
r raio
Re Número de Reynolds
UECE Universidade Estadual do Ceará
UFC Universidade Federal do Ceará
UFCG Universidade Federal de Campina Grande – PB
Vradial Velocidade radial
Vrotacional Velocidade rotacional
v Velocidade
X distância ao centro do rotor
y distância
γ Ângulo de passo
γlT e γ2T Fatores de carregamento
z distância
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. 07 LISTA DE TABELAS ............................................................................................................. 10 LISTA DE SIGLAS, ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ........................................................ 12 1. Introdução ......................................................................................................................... 14 2. Teoria da Energia Eólica ................................................................................................... 22
2.1. Aerodinâmica de um Aerogerador ............................................................................. 22 2.2. Potência retirada do vento .......................................................................................... 34 2.3. Concepção do Disco Atuador .................................................................................... 35 2.4. Teoria do Momento ................................................................................................... 37 2.5. Coeficiente de Potência.............................................................................................. 39 2.6. Limite Betz ................................................................................................................ 39 2.7. Aerogeradores de Pequeno Porte ............................................................................... 40
3. Avaliação do Desempenho Mecânico da Pá em Fibra de Juta .......................................... 45
3.1. Metodologia e Procedimentos Metodológicos de Qualificação para Pás em Fibras Vegetais ........................................................................................................................... 45
3.2. Descrição da Pá de Teste em Compósito de Fibras Naturais de Juta com Matriz de Poliéster ........................................................................................................................... 48
3.3 Dimensões e Características Aerodinâmicas dos Perfis de Pás de Teste ....................... 63 3.4. Cálculo das Forças Atuantes na Pá Durante a Operação ............................................... 67 3.5. Análise Estrutural da Pá de Teste .................................................................................. 78 3.6. Definição e Construção do Dispositivo de Teste........................................................... 85 3.7. Qualificação de Pás de Aerogerador de Pequeno Porte ................................................ 87 3.8. Teste .............................................................................................................................. 95
4. Conclusão ........................................................................................................................ 102 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 105
14
1. Introdução
Energia é o que aciona todos os processos no universo, desde micro à
macroescala, e representa uma das indispensáveis bases para a vida na terra.
A principal fonte da energia na terra é a radiação solar. Através dos processos
fotossintéticos, os vegetais convertem energia luminosa em energia química, transformando,
assim, o dióxido de carbono da atmosfera em compostos orgânicos de carbono que, para a
fauna e os seres humanos, representa a única fonte primária de alimentos.
Na formação da crosta terrestre, grandes quantidades de carbono orgânico ficaram
retidas em lugares subterrâneos, sob forma de carvão, petróleo e gás. Este processo acabou
purificando a atmosfera terrestre ao longo do tempo, por conta da remoção do dióxido de
carbono e a liberação do oxigênio, possibilitando, assim, a manutenção da vida na terra.
As formas mais corriqueiras de uso da energia pelo homem são a iluminação (luz
solar) e sob forma de alimento, transformando energia em trabalho muscular, a fim de
desempenhar as funções cotidianas do indivíduo.
Na pré-história, o homem começou a usar carbono orgânico também como
combustível sob a forma de madeira para o fogo na cocção, iluminação, aquecimento de
ambiente, processamento de metais, além da alimentação dos animais (em especial, o cavalo),
a fim de executar tarefas que exigiam grande esforço físico.
Com o desenvolvimento do transporte marítimo e fluvial, o homem aprendeu a
usar energia eólica como propulsora de suas embarcações (rio Nilo, 5.000 a.C.). E até o
descobrimento do motor a vapor e do motor de combustão, os recursos energéticos foram
usados sob uma perspectiva não-exaustiva: “A natureza vai sempre produzir mais recursos do
que o que é consumido”.
O uso de carbono orgânico fóssil aumentou excessivamente com a
industrialização do Ocidente. A base deste desenvolvimento foi a mecânica, movida pelos
motores de combustão. Complementarmente, grandes reservas de carvão, petróleo e gás
foram descobertas e exploradas. Assim, a energia se tornou barata, disponível mundialmente e
em grande escala.
Desde o início da industrialização, o uso de energia fóssil em todos os setores da
sociedade cresceu e continua a crescer excessivamente. Hoje, quase a metade da energia
usada diariamente no mundo está relacionada com a queima do petróleo e menos de 1%, com
energia muscular (MANN, 1986).
15
O uso das energias fósseis em larga escala começou com a exploração das minas
de carvão e dos poços de petróleo, para satisfazer a demanda por energia da sociedade
industrializada. Com a disponibilidade de grandes quantidades de energia, a mecanização e a
automação, começou a motorização da sociedade em todas as áreas: trabalho, agricultura,
pesca, produção, transporte, locomoção, comunicação, lazer, preparação de alimentos,
condicionamento de ambiente. E isto de tal forma que, atualmente, até os brinquedos para
crianças são motorizados.
Na definição da Organização das Nações Unidas (ONU), desenvolvimento
sustentável é um conjunto de processos e atitudes que atende às necessidades presentes, sem
comprometer a possibilidade de que as gerações futuras satisfaçam as suas próprias
necessidades (ONU, 1987)
Mas atualmente, as consequências mais graves do uso excessivo das energias não-
renováveis (fósseis) são o esgotamento destes recursos dentro de poucos anos, o equivalente a
algumas gerações, além do aumento do CO2 na atmosfera. Os processos e atitudes da
sociedade moderna atendem às necessidades presentes, mas comprometem a possibilidade de
as gerações futuras satisfazerem suas necessidades. A existência da raça humana pode estar
ameaçada por conta deste tipo de desenvolvimento.
Evitar um desastre global obriga a humanidade a reduzir significativamente o uso
das energias fósseis. Neste caso, as energias renováveis oferecem uma alternativa sustentável
para satisfazer a demanda de energia, já que minimizam as chances de ocorrer o já anunciado
esgotamento das energias fósseis, e evitam o aumento do CO2 na atmosfera. Energia
renovável é a energia enquadrada em um dos seguintes tipos: radiação, biomassa, hidráulica
de rios, vento, calor, correntes marítimas e ondas, que se renovam permanentemente, através
do fluxo energético solar.
Técnica e economicamente, o uso de energia renovável é viável no caso da
transformação de energia hidráulica, da biomassa em biogás e da eólica em energia elétrica.
Mais especialmente, o uso da energia hidráulica e de biomassa sob forma de álcool já tem
uma longa história de sucesso no Brasil, que produz atualmente mais de 80% da energia
elétrica a partir de recursos hídricos e é líder mundial no domínio de tecnologia e na produção
de álcool como combustível automotivo. A produção do biogás na base de biomassa é uma
tecnologia usada já em larga escala, no aproveitamento de excrementos de animais e resíduos
vegetais, mas o processo de aproveitamento de lixo e de resíduos de tratamento de esgoto para
produzir biogás ainda é bastante incipiente, em fase de experiência.
16
Outras técnicas de transformação de energias renováveis, como a fotovoltaica, a
geotérmica e a maremotriz, têm atualmente aplicações restritas. As tecnologias de
transformação em energia elétrica estão disponíveis, mas os custos de operação ou os
investimentos iniciais para a aquisição dos equipamentos ainda são bastante expressivos e, por
enquanto, economicamente viáveis somente em casos isolados.
A transformação de energia eólica em elétrica é uma tecnologia que se tornou
técnica e economicamente viável nos últimos 30 anos e a produção vem crescendo cerca de
20% ao ano. A energia eólica é uma fonte de energia limpa e disponível mundialmente, em
lugares com velocidades de vento maiores que 5m/s (v ≥ 5m/s).
Vento em si é uma massa (de ar) em movimento, representando, assim, energia
cinética, que aumenta com o quadrado da velocidade e pode ser parcialmente aproveitada para
executar trabalho ou gerar energia elétrica (HINDRICH e KLEINBACH, 2004).
Cata-ventos são utilizados há pelo menos 3.000 anos para irrigação e moagem de
grãos, mas a utilização da energia do vento para locomoção na navegação é mais antiga, com
cerca de 7.000 anos de uso.
A origem do cata-vento não está claramente definida na história, mas por causa
das leis do rei Hamurábi (1750 a.C) acredita-se que tenha sido na Babilônia, que hoje,
corresponde ao Iraque. A primeira descrição técnica de um cata-vento para acionar o
compressor de um órgão teve origem na Grécia (Heron de Alexandria, 200 a.C).
Os Chineses usaram cata-ventos de eixo vertical na Dinastia Ming (1368 - 1644)
para bombear água. Em comparação com o cata-vento pérsico e grego, a construção chinesa
com palhetas giratórias teve a vantagem de aproveitar o vento independente da direção.
Os cata-ventos com eixo horizontal foram introduzidos na Europa no século XII.
Até a invenção do motor a combustão, as rodas de água e os cata-ventos foram as únicas
fontes de energia mecânica com potências entre 5 e 10HP. Mesmo com estes potenciais
relativamente baixos, eles desempenharam um importante papel até o século XIX no
desenvolvimento do continente europeu, sendo utilizados principalmente para moer grãos,
bombear água, extrair óleo, serrar madeira e várias outras funções a que este equipamento
podia ser agregado.
O desenvolvimento de aerogeradores para gerar energia elétrica se iniciou ainda
no fim do século XIX, com a pesquisa do professor LaCour, em Askov, Dinamarca. Nessa
época, a eletrificação da sociedade urbana moderna estava em seus primórdios. LaCour
desenvolveu o primeiro aerogerador em 1891, e já durante a Primeira Guerra Mundial (1914-
1918), 250 unidades foram postas em funcionamento.
17
Depois da Primeira Guerra Mundial, baseando-se nas novas tecnologias de hélices
para aviões civis e militares, Betz desenvolveu o princípio de disco-atuador e também um
método de otimização da geometria das pás, a fim de aumentar a eficiência dos aerogeradores.
Vários tipos de aerogeradores foram desenvolvidos em países como Dinamarca,
França, Alemanha, Inglaterra, Estados Unidos e Rússia. E com o início da Segunda Guerra
Mundial (1939), provocada pelos nazistas alemães, o desenvolvimento na Europa estagnou.
Além disso, com o descobrimento de muitos novos poços de petróleo, a ampla
disponibilidade e a queda do preço desse energético, os aerogeradores não eram mais tão
economicamente interessantes.
Mas com as crises de petróleo (1973 e 1978), iniciou-se uma nova era no
desenvolvimento de aerogeradores de grande porte, financiado pelo setor público, com
diâmetros de rotor entre 55 e 100m. O resultado foi uma falha quase total destes projetos de
aerogeradores de grande porte na Alemanha, Estados Unidos e Suécia, cujas construções
foram tecnicamente problemáticas e economicamente inviáveis.
Na mesma época, pequenas empresas agrícolas (Vestas, Bonus, Nordtank etc.),
situadas na Dinamarca, desenvolveram, com sucesso técnico e econômico, aerogeradores com
diâmetros do rotor entre 12 e 15m e com potências entre 33 e 75KW, aproveitando novos
materiais, tais como compósitos de fibra e polímeros.
Hoje, um mercado para geração eólica em grande escala está se desenvolvendo a
nível mundial. A Dinamarca, por exemplo, tem previsão de produzir mais energia do que
consome, tornando-se, assim, exportadora de energia limpa (GASCH, 2007).
Em 2007, a capacidade mundial acumulada de geração elétrica a partir da fonte
eólica foi 94.000MW. A previsão é de que essa capacidade de geração aumente para
500.000MW, até 2030. Conforme cenários desenvolvidos pelo GWEC (Global Wind Energy
Council), seria possível aumentar a capacidade para 1.400.000MW ou, eventualmente, para
2.300.000MW, até 2030 (GREENPEACE, 2008).
O setor de eletricidade poderia ser o pioneiro na utilização da energia renovável.
Até 2050, cerca de 77% da eletricidade poderia ser produzida a partir de fontes renováveis
(incluindo grandes hidrelétricas). Uma capacidade de 9.100GW geraria 28.600TWh/a de
eletricidade renovável em 2050 (GREENPEACE, 2007).
A crise energética por que passou o Brasil no início deste século impôs, como
critério fundamental para a viabilidade de um projeto, a garantia de um abastecimento seguro
de energia elétrica. Esta reflexão torna-se ainda mais necessária quando se consideram
projetos voltados para a região Nordeste. Nesta, em particular, a crise energética significou o
18
fim da geração centralizada de eletricidade, materializada através das hidroelétricas do rio São
Francisco. Um novo paradigma deve ser buscado, a fim de complementar o já existente: a
geração descentralizada, através de instalações de pequeno e médio porte (SEINFRA/CE,
2006).
Entre as diversas formas de geração de energia elétrica que podem assumir a
característica de descentralização, destaca-se a eólica. O Nordeste possui imenso potencial
eólico, localizado principalmente no Estado do Ceará, com uma capacidade de geração
instalada de 121,83 MW, o que corresponde a 29,4% da capacidade instalada nacional em
2009, que é de 414,48 MW (ANEEL, 2009).
No semestre sem chuvas (julho a dezembro) do litoral cearense, a distribuição
estatística média de 5 torres, com altura de medição entre 40m e 50m e instaladas em locais
de baixa rugosidade no litoral do Estado, mostra que ventos abaixo de 4 m/s ocorrem em uma
média de cerca de 2 horas por mês (0,27%). Em mais de 90% do tempo, as velocidades do
vento estão entre 7 e 13 m/s, que corresponde à máxima eficiência aerodinâmica das turbinas
eólicas existentes (SEINFRA/CE, 2001). O Ceará é, assim, um dos Estados brasileiros com
melhores condições para o aproveitamento de energia eólica. A uma altura de 70 metros e
com velocidades de vento acima de 7m/s, o Estado detém potencial eólico estimado em
25.000MW, o que corresponde a entre 2 e 3 vezes a capacidade instalada atual da Companhia
Hidroelétrica do São Francisco (CHESF).
Estão previstas catorze novas usinas eólicas e mais oito com obras já em
andamento, perfazendo 396,5MW de capacidade de geração total, além de seis ainda em fase
de projeto, com capacidade de geração de 588,9MW (ANEEL, 2009). Estas usinas eólicas
aumentarão a participação desta fonte eólica na matriz energética brasileira em cerca de 24%
até 2010 (SEINFRA/CE, 2006).
Com esta diversificação da matriz brasileira, a geração elétrica a partir da
utilização de recursos eólicos deverá, cada vez mais, ocupar posição de maior importância,
sendo uma contribuição para a solução do problema mundial da escassez e/ou esgotamento
dos recursos hídricos. No Brasil, entretanto, verifica-se um elevado grau de dependência
tecnológica no setor eólico, pois os geradores são fornecidos por empresas estrangeiras. Este
fato demonstra a fragilidade do mercado brasileiro em relação à produção de geradores
eólicos, assim como a carência por desenvolvimento na área. A falta de empresas de origem
nacional com foco no setor de geração de energia eólica faz com que a dependência de
tecnologia externa perdure.
19
Um obstáculo ao desenvolvimento do mercado de produção de energia limpa em
pequena escala é a própria legislação brasileira, que ainda não obriga as companhias elétricas
a comprar energia de pequenos produtores de energia eólica e solar. Atualmente, isto é
bastante comum na Europa e fortalece a iniciativa privada a gerar energia limpa, contribuindo,
logicamente, para minimizar significativamente os efeitos destrutivos do uso de energias não-
renováveis.
Mesmo que pequenas turbinas eólicas não gerem muito grandes quantidades de
energia, elas têm um papel importante no desenvolvimento, sendo usadas principalmente para
a geração isolada (autônoma) ou em conjunto com outras fontes de energia, nos chamados
sistemas híbridos, para bombeamento de água e carregamento de baterias. No bombeamento
de água, os geradores eólicos de pequeno porte substituem com vantagens os cata-ventos,
tendo como principal vantagem a distância entre o local de bombeamento de água e um ponto
de melhor aproveitamento dos ventos (CARVALHO, 2003).
O potencial de energia eólica no Nordeste brasileiro, em especial no Estado do
Ceará, é 34.383 MW (SEINFRA/CE, 2006) e oferece uma opção viável para diminuir
gradativamente a utilização das energias não-renováveis, substituindo-as por opções
renováveis e tornando possível, com os anos, reduzir a zero a compra de energia produzida
em outros Estados, além de oferecer a oportunidade de criar novas capacidades de geração,
com o fim de acompanhar o crescimento industrial e social da região.
Poucas empresas brasileiras oferecem geradores eólicos, e a maioria dos
equipamentos usados no país é importada e/ou, muitas vezes, de qualidade inferior, o que
acarreta problemas de manutenção, segurança de operação e dificuldades de reparo,
implicando, seguramente, em custos.
Para criar alternativas na geração de energia elétrica a partir de fontes mais
limpas, é necessária a disponibilidade de equipamentos nacionais que sejam técnica,
operacional e economicamente viáveis.
No Nordeste, são fabricados alguns componentes utilizados em aerogeradores de
pequeno porte, como por exemplo, mastros de comunicação em forma de torres de treliça, que
podem ser utilizados como base, mas o uso de torres treliçadas é pouco comum e seu uso
necessita de estudos complementares.
O uso de equipamentos regionais e nacionais envolve uma série de dificuldades
adicionais, tais como: vibrações destrutivas por causa de desbalanceamento do rotor,
montagem e segurança de operação de aerogeradores no topo dos mastros, falha de
componentes mecânicos, reparo e manutenção, em especial quando instalados em lugares
20
remotos. O uso de componentes regionais e nacionais em locais remotos, sem infraestrutura
de manutenção e reparo, necessita de estudos e de desenvolvimento de técnicas adequadas.
No Nordeste, há fibras vegetais de banana, coco, juta que podem ser utilizadas na
produção de compósitos, de uma forma mais econômica e biodegradável, abrindo
oportunidade para que a população de baixa renda possa participar técnica e economicamente
do processo de fabricação de aerogeradores.
Um dos componentes fundamentais do aerogerador eólico é a pá. As pás
utilizadas devem ser leves e resistentes. Isto são as características principais dos compósitos
de fibras com matriz de poliméricos (GASCH, 2007).
Antes começar a utilizar fibras sintéticas, o homem dispunha exclusivamente de
fibras naturais, originadas, em geral, de frutos (algodão, coco), da entrecasca ou caule (juta,
cânhamo), de folhas (sisal, banana) e de gramíneas (bambu, cana-de-açúcar), para produzir
vestidos, cordas, telhados etc.
A variabilidade de espécies de fibras naturais no Brasil é bastante ampla, e é
provável que existam fibras ainda não identificadas, com potencial para ser utilizadas na
formação de compósitos.
Exemplos de métodos utilizados na produção de fibras estão listados na Tabela 1.1
(CARVALHO, 2009).
Tabela 1.1: Métodos utilizados na produção de fibras
Fonte de Fibra Método de Extração
Banana Manual, com uso de Raspador
Coco Maceração, com uso de Raspador
Juta Maceração, por batida e quimicamente
Linhaça Maceração, por raspagem a seco
Abacaxi Manual, com uso de Descascador
Sisal Manual, por batida, maceração microbiológica e com uso de descascador
As principais vantagens das fibras naturais são, segundo CARVALHO (2009):
1. Apresentam baixo custo (se comparadas às fibras artificiais);
2. São relativamente resistentes a fraturas (segurança passiva) e se quebram menos
quando processadas;
3. Geram resíduos de baixa toxicidade durante sua incineração;
4. Apresentam baixa densidade, módulos e resistência específicos;
21
5. São ambientalmente amigáveis (e, por isso, chamados Eco-compósitos);
6. Baixo consumo de energia durante o processamento;
7. Suportam altos níveis de carregamento;
8. Contribuem para a criação de empregos nas zonas rurais;
9. Aproveitam matéria-prima biodegradável; e
10. Possibilitam a produção com uso de pouca tecnologia.
Pretende-se investigar a viabilidade da substituição das pás dos aerogeradores
eólicos de pequeno porte, originalmente em compósito de fibra de vidro, por pás
confeccionadas a partir de compósitos poliméricos reforçados: fibras vegetais típicas da
região Nordeste (sisal ou macambira). A expectativa é que as pás feitas de compósitos de
fibras vegetais e polímeros sejam técnica, estrutural, operacional e aerodinamicamente
viáveis.
A intenção é promover o desenvolvimento de tecnologia eólica, a nível nacional e
local. Nesse sentido, pás de compósitos de poliéster e fibras vegetais serão produzidas e
instaladas, e o desempenho de um gerador operando com estas pás será comparado com o de
equipamentos comuns no mercado eólico, a fim de especificar uma possível maior eficiência
em relação a outros modelos de pás. O objetivo específico é a comparação do desempenho
das pás originais em fibra de vidro de um gerador eólico de pequeno porte com pás
confeccionadas a partir de compósitos poliméricos reforçados por fibras vegetais típicas da
região Nordeste. Além disso, o uso destes componentes alternativos deve ser avaliada em
termos de sua viabilidade técnica e estrutural.
22
2. Teoria da Energia Eólica
2.1. Aerodinâmica de um Aerogerador
A característica aerodinâmica na transformação da energia cinética do vento em
energia mecânica e as pressões e forças dinâmicas que acionam uma pá de um aerogerador,
são principalmente explicadas pelas teorias de Bernoulli de um fluido em movimento numa
superfície, e as pressões e forças resultantes, da viscosidade de fricção interna de fluidos e do
fluxo laminar-turbulento de Reynolds.
Na dinâmica dos fluidos, o italiano Daniel Bernoulli (1700-1782) descreveu, junto
com o suíço Leonhard Euler (1707-1783), o comportamento de um fluido que se move ao
longo de um tubo, como visualizado na Figura 2.1.
A equação de Bernoulli para um fluxo incompressível é:
v²/2 + g.h + p/ρ = constante,
onde:
v = velocidade do fluido ao longo do conduto [m/s];
g = aceleração da gravidade [9,8 m/s2];
h = altura em relação a um referencial [m];
p = pressão ao longo do conduto [N/m2]; e
ρ = densidade do fluido [kg/m3].
Figura 2.1: Esquema ilustrativo da Equação de Bernoulli
No entanto, as seguintes condições precisam ser satisfeitas para que a equação se
aplique:
23
- Escoamento sem viscosidade ("fricção" interna = 0);
- Escoamento em estado estacionário (fluxo laminar); e
- Escoamento incompressível (ρ constante em todo o escoamento).
No caso específico de ∆h=0 (Figura 2.2):
v²/2 + p/ρ = constante.
Figura 2.2: Esquema ilustrativo da Equação de Bernoulli com Δh = 0
A redução na pressão que ocorre simultaneamente a um aumento na velocidade,
como previsto pela equação, é chamado de Princípio de Bernoulli. O aumento imprescindível
da velocidade, a fim de que a massa do fluido ultrapasse o estrangulamento do tubo, resulta
em queda da pressão (GERTHSEN e VOGEL, 1993).
Já o chamado Efeito Venturi, em homenagem ao físico italiano Giovanni Battista
Venturi (1746-1822), consiste na passagem de um fluido em um conduto fechado, que diminui
a pressão à medida que a velocidade aumenta, quando o fluido passa por uma zona de seção
transversal menor, como demonstrado na Figura 2.3.
Figura 2.3: Esquema de Efeito Venturi – queda da pressão no estrangulamento do tubo
24
Araste e efeito da fricção interna do fluido
A densidade de um fluido normalmente é igual em todas as suas porções, o que
significa dizer que ele é incompressível. Isto não se aplica, no entanto, quando a velocidade do
fluxo se aproxima da velocidade de som. Para movimentar um fluido em relação a uma
superfície, é necessário empregar alguma força, necessária para compensar a fricção interna
do mesmo. Movimentando duas superfícies separadas por um fluido (Figura 2.4), forma-se
um perfil de velocidade linear (se a cota z é pequena).
Figura 2.4: Movimentação de duas superfícies separadas por um fluido
F = η.A.(v/z)
onde:
F = força;
η = viscosidade;
A = superfície;
z = distância; e
v = velocidade.
A viscosidade dos gases aumenta com o aumento da temperatura, mas, no caso
dos líquidos, ela diminui.
Um fluxo que se define por fricção interna é dito laminar. Cursos d’água são
turbulentos enquanto a circulação sanguínea nos organismos vivos, por exemplo, é laminar.
Um fluxo turbulento apresenta mais fricção interna que um do tipo laminar. Analisando pela
teoria de Reynolds, as duas formas são distinguíveis (GERTHSEN e VOGEL, 1993).
25
Efeito Reynolds
Reynolds determina se o fluxo é laminar ou turbulento (ver Figura 2.5). Um fluxo
turbulento absorve (gasta) mais energia que o laminar e aumenta o araste de um sistema fluido
dinâmico. O coeficiente – número ou módulo de Reynolds (abreviado como Re) – é um
número adimensional, usado no cálculo do regime de escoamento de um fluido sobre uma
superfície.
O número de Reynolds permite avaliar o tipo de escoamento, ou seja: a
estabilidade ou instabilidade do fluxo; se é do tipo laminar ou turbulento. Para o caso de um
fluxo de água num tubo cilíndrico, admitem-se os valores de 2.000 a 3.000 como limites para
a classificação em laminar ou turbulento. Assim, para valores menores que 2.000, o fluxo será
laminar e, para valores maiores que 3.000, turbulento. Entre estes dois valores, o fluxo é
considerado como de transição.
O número de Reynolds pode ser obtido a partir da equação:
Re = (ρ.D.v) / η ,
onde:
v = velocidade média do fluido;
D = longitude característica do fluxo, ou o diâmetro, para o fluxo no tubo;
η = viscosidade; e
ρ = massa específica do fluido.
A velocidade média na equação acima é definida como a velocidade uniforme em
toda a seção reta do tubo que produz a mesma vazão.
Figura 2.5: Padrão de escoamento de um fluido em uma superfície
Experimentalmente, verifica-se que o escoamento de um fluido qualquer é tomado
como laminar, se Re < 2.000; turbulento, se Re > 3.000; e instável, isto é, de transição
(mudando de um regime para outro), se 2.000 < Re < 3.000, conforme o esquema da Figura
2.6.
26
Alguns tipos de escoamento têm valores típicos, relatados em literatura. Para o
fluxo do sangue no cérebro, por exemplo, que é laminar, Re=1x102. Para um indivíduo
nadando, Re= 4x106, e para um navio de grande porte (turbulento), cerca de 2 a 5x109.
Figura 2.6: Esquema de fluxos laminar e turbulento
Pode-se dizer que dois sistemas são dinamicamente semelhantes se o número de
Reynolds for o mesmo para ambos. Esta determinação é importante para caracterizar as
condições dinâmicas atuantes nas pás de um aerogerador, onde coexistem fluxo laminar e
turbulento, e o fluxo turbulento provoca aumento considerável das forças de arraste. O
arraste é o efeito de forças de fricção (atrito), que agem em direção paralela à superfície do
objeto. Desse modo, o arraste é a força que faz resistência ao movimento de um objeto sólido
(a pá do aerogerador) através de um fluido (o ar) (GASCH et al., 2007).
Fluxo no perfil
Para a remoção da energia do vento, a massa de ar que passa pelo disco do rotor,
visualizado na Figura 2.7., sofre desaceleração. O rotor é um dispositivo aerodinâmico para
tirar parte da energia cinética do vento e transformá-la em energia mecânica rotativa.
Figura 2.7: Disco rotor e detalhe da seção transversal da pá
Fluxo laminar
Fluxo turbulento
27
O rotor de um aerogerador moderno tem duas ou três pás. Uma pá funciona como
uma asa rotativa, em um mecanismo similar ao rotor de um helicóptero. A seção transversal
de uma pá é semelhante à de uma asa comum, (Figura 2.8). O perfil é dimensionado numa
forma aerodinâmica, de modo que, na passagem do ar, forças estáticas são geradas na
estrutura (GASCH et al., 2007).
Figura 2.8: Fluxo do ar no perfil da pá do aerogerador
O fluxo de ar na pá resulta numa força, que surge em consequência da diferença
de pressão entre as partes superior e inferior da asa. A pá em movimento, com sua geometria
curvada para cima, força a aceleração do fluxo do ar escoando por sua face superior.
A pá em rotação experimenta um vento de frente no sentido da rotação, por causa
da própria velocidade em relação à massa do ar (como numa motocicleta em movimento). O
vento é sempre perpendicular a esta direção, já que o plano de rotação do rotor é sempre
posicionado perpendicular ao vento. Os dois vetores dessas velocidades (a de rotação da pá e
a do vento) resultam numa velocidade resultante que o perfil da pá enfrenta, demonstrado na
Figura 2.9 (BURTON et al., 2008).
Figura 2.9: Velocidade resultante do fluxo do ar no perfil da pá do aerogerador
28
Ao longo da pá, este fluxo do ar resulta em diferença de velocidade e direção,
como mostrado na Figura 2.10, a seguir:
Figura 2.10: Variação de velocidade ao longo da pá em rotação e as velocidades resultantes
para as posições de referência
Forças aerodinâmicas no perfil
O fluxo do ar em volta do perfil da pá gera uma queda da pressão. Destarte, uma
força de sustentação – perpendicular à direção do movimento – e uma força de arraste,
contrária à direção do movimento, surgem.
Figura 2.11: Tipo de fluxo em volta do perfil da pá
29
Como visualizada na Figura 2.11, o fluxo do ar que se aproxima da pá é, em geral,
laminar. Chegando à borda frontal do perfil (a que entra em contato com o ar primeiro), o
fluxo se divide e uma parte passa por cima do perfil, acelerando-se para percorrer um
caminho mais longo (a parte curvada). A outra parte do fluxo passa por baixo do perfil, em
uma linha quase reta. O atrito do ar na passagem pela superfície da pá causa uma
desaceleração do fluxo diretamente na pá.
A corrente de ar continua a se movimentar de forma laminar até uma área do perfil
onde se torna turbulenta. Aqui, a fricção interna aumenta e gera um arraste maior. Na parte
superior do perfil, essa passagem de fluxo laminar para turbulento acontece mais à frente do
que na parte inferior do perfil. Dependendo do ângulo de ataque, o fluxo na continuação pode
se afastar completamente da superfície do perfil, deixando uma camada turbulenta
estacionária entre o fluxo e a superfície da pá. Para grandes ângulos de ataque, isto pode
resultar num afastamento da camada de ar sobre a pá inteira, o que provoca uma queda
instantânea e brusca da força da sustentação, fenômeno chamado estol, visualizado na Figura
2.12.
Figura 2.12: Esquema explicativo do fenômeno Estol
Estol é uma técnica utilizada para proteger o aerogerador de danos causados por
ventos fortíssimos, acima dos 25m/s. Neste caso, o projeto aerodinâmico usa perfis que, a
partir de uma velocidade definida do vento, entrem em estol; a força de araste aumenta e a
força de sustentação cai significativamente. Assim, a soma das forças resultantes ao longo da
pá diminui e, com elas, o momento de rotação.
Nas pontas da pá, observa-se um fluxo de baixo para cima (ver Figura 2.13).
30
Figura 2.13: Movimento do ar após a passagem da asa
Figura 2.14: Forças de sustentação e de arraste na pá
As forças de sustentação e de arraste (Figura 2.14) podem ser definidas a partir
das expressões a seguir. Note-se, porém, que nelas, as forças aumentam com o quadrado da
velocidade.
Fs=½.cs.(αA).ρ.A.v2
Fa=½.ca.(αA).ρ.A.v2
onde:
αA = Ângulo de ataque;
Fs = Força de sustentação;
Fa = Força de araste;
ρ = Densidade do ar;
A = Área transversal da asa;
cs = Coeficiente de sustentação (para um ângulo de ataque específico, αA);
31
ca = Coeficiente de arraste (para um ângulo de ataque específico, αA); e
v = Velocidade.
Os coeficientes de sustentação e de arraste são resultado de medidas empíricas
realizadas em túneis de vento. Neles, o número de Reynolds pode ser mensurado e adotado no
desenvolvimento de modelos de asas para aviões, de automóveis e de edificações, por
exemplo.
Cada ângulo de ataque (α) específico resulta em valores específicos de
coeficientes de sustentação e de arraste, conforme mostrado no exemplo de curva polar da
Figura 2.15.
Figura 2.15: Curva polar de um determinado perfil
O que acontece, na prática, é que, na pá, desenvolvem-se várias pressões
diferentes, que resultam em forças atuando em toda a superfície. Isto varia com a velocidade,
o ângulo de ataque e o tipo de fluxo do ar (laminar ou turbulento), o que pode ser visualizado
nas Figuras 2.16 e 2.17 (GASCH et al., 2007).
32
Figura 2.16: Distribuição de forcas aerodinâmicas numa pá com velocidade v
e com ângulo de ataque variando entre 3° e 19°
Figura 2.17: Condensação na parte superior da asa com alto ângulo de ataque (α),
causada por queda de pressão e alta umidade relativa do ar
As forças que giram as pás em torno do centro do rotor são de origem
aerodinâmica (forças de sustentação e de arraste). A resultante se divide em dois vetores: a
força resultante, no sentido da rotação do rotor, e a força resultante, perpendicular à rotação
do rotor, conforme esquema da Figura 2.18 (GASCH et al., 2007).
33
Figura 2.18: Esquema das forças aerodinâmicas e resultantes das forças que giram a pá
Força resultante rotativa:
Fr = [sen(β.Fs)] – [cos(90° - β).Fa]
Força resultante axial:
Fax = [cos (β.Fs)] + [sen(90° - β).Fa]
onde:
β = Ângulo da velocidade resultante (Vento – veloc. rotativa da seção da pá);
Fs = Força de sustentação;
Fa = Força de araste;
Fr = Força radial; e
Fax = Força axial.
A força de sustentação se define como a força perpendicular na direção do
movimento do ar em volta da pá, enquanto a força de arraste atua na direção dele.
As somas das forças resultantes ao longo das pás (Figura 2.19), junto com a
alavanca que a pá representa em relação ao eixo do cubo, geram uma rotação com torque,
34
dependendo da velocidade do vento e das forças aerodinâmicas nas pás, segundo o esquema
abaixo:
Figura 2.19: Somas das forças resultantes ao longo da pá
2.2. Potência retirada do vento
Turbina eólica é um dispositivo utilizado para extrair parte da energia cinética do
vento. Para que isto aconteça, a massa de ar que passa pelo disco do rotor sofre desaceleração.
Considerando que a massa do ar afetado permaneça separada do fluido que não passa pelo
rotor (e que, portanto, não desacelera), ocorre uma ‘separação’ entre estas duas massas. Desse
modo, a massa de ar que passa pelo rotor forma um tubo circular de corrente, entre o ar
anterior e o posterior ao rotor do aerogerador, como visualizado na Figura 2.20.
O fluxo de massa (m) de ar será o mesmo para todas as posições ao longo deste
tubo de corrente que passa pelo rotor. O ar dentro desse tubo desacelera ao passar pelo rotor,
mas não se comprime e, em consequência, o diâmetro do tubo tem de aumentar, a fim de
acomodar o volume de ar desacelerado.
35
Figura 2.20: Tubo (imaginário) circular de corrente do ar anterior e posterior ao rotor
A energia cinética é extraída do fluxo de ar pela mudança de velocidade no
instante da passagem pelo disco do rotor. O ar se aproximando do rotor sofre desaceleração
gradual. Chegando ao disco do rotor, a velocidade do fluido já é reduzida quando comparada
com o ar que escoa livremente fora do tubo de fluxo. Isto resulta numa expansão do tubo de
fluxo, já antes da passagem pelo rotor. Até este momento, não há extração de energia e, em
consequência, há um aumento na pressão estática do ar, para absorver a diminuição de energia
cinética. Na passagem do ar pelo disco do rotor, a pressão estática diminui e, portanto, depois
da passagem pelo rotor, a pressão está menor que a atmosférica.
Na continuação dessa corrente, posterior à passagem pelo disco do rotor, o ar
prossegue com velocidade e pressão reduzidas, e esta região é chamada esteira (no inglês,
wake). Logo a seguir, a pressão do ar dentro do tubo de fluxo se reequilibra com a pressão
atmosférica. A origem da energia para a elevação da pressão estática é a energia cinética do ar.
Isto, em consequência, reduz a velocidade do vento. Desse modo, comparando a situação das
correntes de ar bem anterior e bem posterior à passagem pelo disco do rotor, não há mudança
na pressão estática, mas há significativa redução na energia cinética na corrente bem posterior.
(BURTON et al., 2008).
2.3. Concepção do Disco Atuador
O mecanismo de extração de energia descrito anteriormente não explica o que
acontece com esta energia. Parte dela é convertida em trabalho, mas o restante ‘volta’ ao
vento em forma de turbulência e calor. Numa análise preliminar do comportamento
aerodinâmico das turbinas eólicas, não é necessário considerar uma turbina específica, mas
36
basta simplesmente analisar o processo de extração, demonstrado na Figura 2.21. O
dispositivo da extração de energia é chamado disco atuador.
Figura 2.21: Esquema de pressão e velocidades no disco atuador
A corrente antes da passagem pelo disco do rotor forma um tubo com diâmetro
menor que o disco do rotor e a posterior, um tubo com diâmetro maior que o disco. A causa
da expansão do tubo cilíndrico de corrente é o fluxo de massa que deve ser igual em toda a
extensão desse tubo. A massa de ar passa por toda a seção do tubo de corrente em unidade de
comprimento por tempo:
ρ.A.v = m ̉ constante
onde:
ρ = densidade do ar (kg/m3);
A = área da seção de corte (m2); e
v = velocidade do fluxo (m/s).
O fluxo de massa deve ser o mesmo em qualquer parte do tubo de corrente. Então,
ρ.A∞.v∞ = ρ.Ad.vd = ρ.Aw.vw
37
O símbolo [∞] refere-se a uma posição da corrente bem anterior à passagem pelo
disco do rotor e [w], à bem posterior à passagem pelo disco do rotor. O disco atuador induz
uma variação de velocidade, sobrepujando a velocidade livre do vento.
É útil de considerar que o disco atuador induza uma alteração de velocidade em
comparação com o ar livre não passando pelo disco do rotor. A componente de fluxo induzido
no disco é -a v∞ onde a é o indicador axial de corrente (fator de fluxo entrando). No disco, a
velocidade de fluxo é, então:
vd = v∞ (1 – a),
onde:
a = indicador axial de corrente.
2.4. Teoria do Momento
O ar passando pelo disco muda de velocidade (de v∞ para vw) e a alteração do
momento é igual à alteração total da velocidade vezes o fluxo da massa.
Razão de alteração do momento = (v∞ - vw).ρ.Ad.vd
A origem dessa força causa a mudança do momento, e é inteiramente resultado da
diferença de pressão antes e depois à passagem pelo disco. Outras partes do tubo cilíndrico de
corrente mantêm a pressão atmosférica, fazendo um ponto de equilíbrio que resulta numa
forca de magnitude zero.
(ρd+ - ρd
-).Ad = (v∞ - vw).ρ.Ad .v∞ .(1-a)
Para calcular a diferença de pressão (ρd+ - ρd
-), aplica-se a equação de Bernoulli
para os tubos de corrente do ar anterior e posterior ao rotor do aerogerador separadamente.
Isto é necessário porque a energia total extraída é a diferença da energia anterior e posterior ao
rotor.
Pela equação de Bernoulli, em condições normais, a energia total da corrente
compõe-se de energias cinética, estática e gravitacional, e é igual a uma constante, caso não
haja extração de trabalho destas energias. Assim, para um volume de ar:
38
½.ρ.v2 + p + ρ.g.h = constante
Na corrente do ar anterior ao rotor, a situação é:
½.ρ∞ (v∞)2 + ρ∞.g.h∞ = ½.ρd (vd)2 + pd+ + ρd.g.hd
Assumindo que a corrente de ar é incompressível (ρ∞ = ρd ) e que o fluxo é
horizontal (h∞ = hd), a situação é:
½.ρ.(v∞)2 + p∞ = ½.ρ.(vd)2 + pd+
Igualmente à situação na esteira, o fluxo posterior do rotor é:
½.ρ.(vw)2 + p∞ = ½.ρ.(vd)2 + pd+
Subtraindo estas equações uma da outra, tem-se:
(ρd+
- ρd-) = ½.ρ.(v∞2 - vw
2 )
Assim:
½.ρ.(v∞2 - vw2 ).Ad = (v∞2 - vw
2).ρ.Ad .v∞ .(1-a)
Logo:
vw = (1-2.a).v∞
Isto significa que metade da redução da velocidade dentro do tubo cilíndrico da
corrente de ar se perde antes da passagem pelo rotor e a outra metade, depois (BURTON et
al., 2008).
39
2.5. Coeficiente de Potência
A força do ar advém da equação:
F = (ρd+ - ρd
-). Ad = 2.ρ.Ad.v2∞.a.(1-a)
Esta força está concentrada no disco atuador e a energia retirada desta força é
FUd. Assim, a extração de energia é:
Potência = Fvd = 2.ρ.Ad.v3∞.a.(1-a)2
O coeficiente de potência é definido como
Cp = Potência / ( ½.ρ.v3∞. Ad )
O denominador representa a energia disponível no vento. Por isto:
Cp = 4.a.(1 - a)2
2.6. Limite Betz
O máximo valor de Cp acontece quando
dCp /da = 4.(1-a).(1-3a) = 0
Isto resulta em um valor de a = 1/3. Então, (GASCH et al., 2007):
Cp max =16/27=0,593
40
2.7. Aerogeradores de Pequeno Porte
Seguindo o sucesso de aerogeradores de grande porte, o mercado para os de
pequeno porte cresce cada vez mais e este desenvolvimento é a nível mundial.
As aplicações são variadas, a depender das necessidades, especialmente em áreas
remotas, em que eles são utilizados principalmente para bombear água e geração doméstica de
energia elétrica. Em sítios turísticos ou naqueles longe das redes elétricas, são também
empregados para a geração de energia elétrica para operar todos os equipamentos de apoio e
máquinas de processamento.
Na navegação marítima, para alimentar estações remotas de radiocomunicação e
pesquisa, aerogeradores de pequeno porte são usados para fornecer energia elétrica.
Atualmente, muitas empresas instalam aerogeradores a fim de demonstrar seu compromisso
com as energias renováveis; um instrumento de marketing para “capturar” clientes com
consciência acerca das questões ambientais (BUNDESVERBAND WINDENERGIE, 2010b).
Num passado recente, os aerogeradores de pequeno porte disponíveis
apresentavam muitos defeitos, tais como desempenho aquém do esperado, problemas de
resistência e de vibração, com pás e torres quebradas. E para melhorar a qualidade, a IEC
definiu uma norma.
Conforme norma internacional para geradores de pequeno porte, a IEC-NORM
61400-2:2006 – Design Requirements for Small Wind Turbines, geradores de pequeno porte
são definidos como os que têm rotores com até 200m². Considerando uma média de
350W/m², isto significa uma potência máxima de 70kW. Nesse caso, a torre não pode ser mais
alta que 20m. A maioria dos aerogeradores oferecidos atualmente tem potências entre 5 e
10kW (IEC-NORM 61400-2:2006; POLLICINO, 2010; SUN & WIND ENERGY 1, 2010).
41
Tabela 2.1: Aerogeradores de pequeno porte (BUNDESVERBAND WINDENERGIE, 2010a)
Equipamento Potência [KW] Diâmetro [m]
Air 0,4 1,15
AIRCON 10 S 9,8 7,13
Alize 10 7
Antaris 3,6 3,5
BWC Excel 10 7
Easy Wind 6 AC 1,5 / 6,0 6
Easy Wind 6 DC 7,5 6
EW Elisa 2,5 2,5 3,6
HEOS H50 50 12
INCLIN 6000 neo 6 3,7
Montana 5,6 5
Notos H40 40 12
Passat 1,4 3,12
Pawicon 2500 2,5 3,5
S&W 20,0 20 8,9
S&W 2000 2 3
Superwind 350 0,350 1,22
UniWind 15 10 8
Vata H1 1 2
Vata H10 10 6
Vata H20 20 6
O verdadeiro desempenho de um aerogerador depende de suas características
técnicas e das características do vento no local de instalação. Para um aproveitamento viável,
42
a velocidade de vento deve ser maior que 7m/s, preferencialmente com um fluxo laminar e
constante. Isto significa que, antes de chegar ao rotor, o vento deve ter livre passagem, sem
obstáculos, a fim de evitar as turbulências que diminuem o desempenho e a vida útil do
aerogerador.
Segue aqui breve descrição das partes e dos componentes de um aerogerador de
pequeno porte comum, como mostra o esquema da Figura 2.22.
Figura 2.22: Componentes de um Aerogerador de pequeno porte
Pás
O conjunto das pás (em geral, entre 2 e 4) forma o rotor. O comprimento varia
entre 0,4m (para potências de 0,1KW) e 16m (para potências de até 70KW). Na maioria das
vezes, as pás são confeccionadas em compósitos de fibra de vidro com epóxi ou poliéster
(HEIER, 2007a).
Cubo
A função do cubo é a fixação do conjunto das pás, formando o rotor, e
transmitindo as forças aerodinâmicas que incidem nas pás sob forma de torque para eixo do
rotor.
43
Leme
A maioria dos aerogeradores de pequeno porte se ajusta à direção do vento a partir
do leme.
Sistema de proteção contra ventos fortes destrutivos
Serve para evitar a destruição do aerogerador por ventos fortes. É uma mecânica
de ajuste angular das pás (ou um dispositivo) que gira o rotor numa posição lateral à direção
do vento, ou que inclina a nacele junto com o rotor, em torno de um eixo horizontal (HEIER,
2007a).
Figura 2.23: Aerogerador de Pequeno Porte sobre Torre
Torre
Serve de suporte para a nacele, já que o intuito é de elevar o rotor a uma certa
altura, para aproveitar as correntes mais favoráveis dos ventos. A altura das torres de
aerogeradores de pequeno porte pode chegar a 20m (Figura 2.23).
Nacele
Base rotativa (em torno de um eixo horizontal), instalada no topo da torre, para
permitir o ajuste da direção do rotor conforme direção do vento. A nacele serve também como
base para: o rotor com cubo e pás, o ajuste angular das pás, o leme (para ajustar a nacele na
44
direção do vento), a engrenagem e transmissão mecânica, os circuitos eletrônicos e para o
gerador. Dependendo do projeto, o aerogerador de pequeno porte pode não apresentar alguns
destes componentes (GASCH et al., 2007).
Gerador
Tem a função de gerar energia elétrica a partir da energia mecânica proveniente da
engrenagem ou diretamente do cubo.
Figura 2.24: Detalhe das partes do Aerogerador de pequeno porte
45
3. Avaliação do Desempenho Mecânico da Pá em Fibra de Juta
3.1. Metodologia e Procedimentos Metodológicos de Qualificação para Pás em Fibras
Vegetais
Pás para geradores eólicos são aplicações peculiares dos compósitos, já que são
submetidas a um ambiente de carregamento incomum (NIJSSEN et al., 2003, apud BARROS,
2010), caracterizado pela variedade de condições ambientais externas, carregamentos severos
e complexos – incluindo mais de 100 milhões de ciclos de fadiga ao longo de sua vida útil –,
além do complexo estado de tensões na estrutura interna da pá.
Apesar do aparecimento de diferentes tipos de pás eólicas nos últimos anos, a
indústria convergiu para uma estrutura universal (MASTEMBERG, 2004, apud BARROS,
2010). A Figura 3.1 demonstra a aparência da pá em fibra vegetal usada em testes, e a Figura
3.2, o esquema da seção transversal da estrutura, e o corte do perfil longitudinal.
Figura 3.1: Pá de teste em compósito com fibra vegetal de juta.
Figura 3.2: Esquema da pá de teste com corte de perfil aerodinâmico.
46
As Cargas de pressão, na parte externa da pá (casca), são cargas bastante
significativas, e transmitidas na direção dos bordos. Estas cargas são proporcionais à direção
do vento. Já as Cargas de gravidade são as que geram cargas cíclicas na direção da ponta da
pá.
A base da qualificação da pá em compósito com fibra vegetal de juta é um
processo que inclui diferentes passos: definição de objetivos e o desenvolvimento da base
metodológica e de procedimentos.
A sequência deste processo que engloba a metodologia e os procedimentos segue
uma lógica mais de cunho prático, almejando atingir os objetivos de qualificação da pá
reforçada com fibra de juta.
Objetivos:
Obter a qualificação das pás em fibras vegetais, para a operação em condições
reais de transformação de energia eólica em energia elétrica; e
Desenvolver um método de qualificação para pás de aerogerador de pequeno
porte.
Base teórica metodológica:
Teoria de energia eólica; e
Avaliação do desempenho da pá usando métodos industriais e normativos, a fim
de comprovar se elas apresentam resistência estrutural suficiente para suportar, com
segurança, as cargas estáticas e dinâmicas que devem surgir durante sua vida útil.
Procedimento técnico:
1. Preparação
1.1. Confeccionar as pás;
1.2. Calcular as cargas aerodinâmicas e estáticas;
1.3. Desenvolver um dispositivo de teste; e
1.4. Selecionar método disponível de ensaio não-destrutivo.
2. Aplicação do carregamento
2.1. Aplicar estaticamente cargas equivalentes às cargas aerodinâmicas.
47
3. Aquisição dos dados
3.1. Coletar os valores das cargas aplicadas, da deflexões sofridas pela estrutura e os
danos que porventura ocorram.
4. Análise de dados
4.1 Caracterizar a deflexão; e
4.2. Identificar e caracterizar as causas dos possíveis danos à estrutura (se houver).
Esquematizando, o procedimento de qualificação apresenta quatro passos básicos:
Preparação, Aplicação das cargas, Aquisição dados e, por fim, a Análise de dados. O ponto de
partida é, sem dúvida, a confecção das pás, o cálculo das cargas aerodinâmicas, o
desenvolvimento do dispositivo de teste a ser utilizado e a seleção do método disponível de
ensaio não-destrutivo, como demonstrado no esquema da Figura 3.3.
Figura 3.3: Esquema do procedimento de qualificação para
pás em compósito com fibra de juta
Os critérios para a análise dos resultados dos testes podem ser a qualificação ou
desqualificação da pá em fibra de juta. Obviamente, o resultado esperado é que a pá de teste
seja considerada, ao final, como apta (qualificada) para a aplicação na conversão de energia
eólica em energia mecânica.
48
Critérios para a Análise:
Qualificação: As cargas aplicadas ultrapassam as cargas máximas por uma determinada
percentagem de segurança, sem a ocorrência de danos estruturais.
Não-qualificação: As cargas aplicadas ultrapassam as cargas máximas por uma
determinada percentagem de segurança, mas causando danos estruturais.
Resultados esperados:
Qualificação ou não das pás em fibras vegetais para a operação em condições
reais, transformando energia eólica em energia mecânica (e, posteriormente, em elétrica),
comprovando que elas têm a resistência estrutural necessária para suportar com segurança as
cargas estáticas e dinâmicas que deverão surgir durante a vida útil de um aerogerador.
3.2. Descrição da Pá de Teste em Compósito de Fibras Naturais de Juta com Matriz de
Poliéster
A aplicação de materiais compósitos em diversos ramos da Engenharia tomou
vulto nas duas últimas décadas, em especial, por conta da combinação extremamente
vantajosa de propriedades mecânicas e estruturais.
De caráter mais experimental do que técnico, a aplicação de compósitos com
fibras naturais está, em geral, limitada aos casos onde não se exige grande resistência
mecânica, tais como em coberturas e divisórias, por exemplo (PAL, 1984 apud DANTAS,
2004).
Fibras vegetais são classificadas como materiais de reforço. Existem em
abundância na natureza, são biodegradáveis, não-poluidoras do meio ambiente, advêm de
fontes renováveis e, em geral, têm boa resistência e propriedades mecânicas, além de custo
baixíssimo. As fibras retiradas, por exemplo, de madeira, sisal, coco, juta e bambu, exigem
mínimo grau de industrialização no processamento e demandam pouca energia (em
comparação com peso equivalente de fibra sintética). Para SATYANARAYANA et al. (1990)
e DANTAS (2004), as desvantagens do uso de fibras naturais são a menor durabilidade,
higroscopicidade e a fraca adesão a matrizes poliméricas.
49
Um material compósito pode ser definido como a combinação física de materiais
diversos, com características distintas, resultando em um outro, que apresente propriedades
melhoradas em relação aos materiais-base, quando considerados individualmente.
Em um compósito, são distinguidas duas fases: a matriz, chamada de fase
contínua, e o material de reforço, chamada de fase descontínua.
A matriz, também chamada resina, tem a função de abrigar os elementos do
material de reforço (as fibras), de ser o agente de transferência de tensões entre elas, além de
conservar sua disposição espacial. É, também, a responsável pelas características de superfície
do compósito, tais como seu aspecto visual e sua resistência a substâncias que o ‘ataquem’
(como solventes, por exemplo) (BRYDSON, 1982).
As fibras do material de reforço podem ser metálicas, poliméricas, minerais ou
naturais, de origem vegetal. Elas conferem resistência mecânica ao compósito e ficam
‘imersas’ na matriz (resina). Logicamente, a escolha de um determinado tipo de fibra em
especial pode levar a compósitos com melhor ou pior desempenho e maior ou menor custo-
benefício.
As propriedades finais de um compósito (temperatura de uso, propriedades
elétricas, resistência mecânica, resiliência etc.) podem ser bastante diferentes das propriedades
originais dos materiais-base (fibras e matriz), e dependem não somente destes, mas da
concentração das fibras, da orientação e distribuição do reforço, além da adesão entre as fases.
A diferença entre as propriedades elásticas da matriz e as da fibra deve ser
compensada na interface, ou seja: as tensões que incidem na matriz devem ser transmitidas às
fibras através do contato entre elas. Desse modo, a adesão inadequada provocará o início de
falhas na interface, comprometendo o desempenho global do compósito.
Compósitos podem ser classificados de acordo com vários critérios. Um deles
adota a morfologia dos materiais de reforço, classificando-os em compósitos do tipo:
particulados, com fibras e laminados.
O concreto armado é um dos materiais compósitos mais utilizados, mas há outros
exemplos bastante comuns no cotidiano, a exemplo da fibra de vidro em matriz poliéster,
usada em cascos de embarcações, ou do epóxi ou alumínio reforçado com fibra de carbono,
em quadros de bicicletas. As matrizes termorrígidas, principalmente poliésteres fenólicos e
epóxi, também são largamente utilizadas.
Mais recentemente, as tecnologias aplicadas ao processo de fabricação dos
compósitos têm se desenvolvido grandemente. Preocupações com questões ambientais e a
busca pela racionalização no uso de recursos naturais têm alavancado as pesquisas e o
50
desenvolvimento de compósitos reforçados com fibras naturais, ainda que estes sejam
aplicados essencialmente em situações onde não se exija grande resistência.
A resistência do material compósito depende das características dos materiais-base
e da quantidade e disposição das fibras do reforço na resina (matriz). Quanto maior a
quantidade de reforço, maior a resistência final. Pode acontecer, inclusive, de dois ou mais
tipos de fibras serem combinados, criando um compósito ‘híbrido’ (com mais de um material
de reforço), ou de compósitos serem formulados com cargas (particulado sólido) e aditivos,
que alteram os parâmetros de processo e o desempenho.
Nos compósitos com fibras naturais, a combinação resulta em boas propriedades
mecânicas e baixa massa específica. No entanto, a absorção de umidade (higroscopicidade), e
a adesão insuficiente (entre as fibras vegetais não-tratadas e a matriz polimérica), podem
provocar decaimento das propriedades, deterioração prematura ou mesmo a delaminação do
material.
Reforços são os constituintes que melhoram as propriedades do compósito em
relação à matriz polimérica. Podem ser simples cargas minerais ou fibras de ultra-alta-
resistência (SHAH e LAKKAD, 1981).
As cargas minerais melhoram a rigidez, a dureza e, em alguns casos, interferem
positivamente na resistência e temperatura de distorção térmica. Os elastômeros, por exemplo,
proporcionam aumento na resistência ao impacto de matrizes poliméricas frágeis. Já as fibras,
por suas características unidirecionais, contribuem com as propriedades mecânicas na direção
do reforço (CORAN et al., 1974).
A constituição química, o aspecto e o tamanho do material de reforço são as
características de maior influência sobre as propriedades do compósito (RICHARDSON,
1977), tais como tenacidade à fratura, resistência à flexão e ao impacto, dentre outras.
Reforços de fibras em plásticos, por exemplo, são utilizados quando se deseja
obter boas propriedades mecânicas aliadas à leveza. Fibras naturais ou artificiais, por suas
características de flexibilidade, suavidade, capacidade de isolamento térmico e de absorção,
elasticidade, resistência e alongamento, têm já, de longa data, aplicações têxteis. No caso das
fibras vegetais, o intuito é a substituição parcial ou total das fibras sintéticas, a fim de obter
um compósito mais biodegradável, com vantagens do ponto de vista de peso (mais leve),
menor custo e melhor adesão fibra-matriz, isto especificamente para o caso de materiais com
matriz polar (WOLLERDORFER e BADER, 1998).
As fibras vegetais, na realidade, são feixes constituídos por células individuais
que, por sua vez, compõem-se de microfibrilas, ricas em celulose e polímero vegetal
51
(GOULARTI FILHO e GENOVEVA NETO, 1997). As características macroscópicas de
maior interesse são aquelas relacionadas ao comportamento do compósito resultante.
Condições climáticas a que a planta foi submetida, sua idade, tipo de solo da
região e o tipo de extração influenciam na estrutura e composição química das fibras vegetais.
Valores médios da composição química de alguns tipos de vegetais estão na Tabela 3.1.
Ao utilizarmos as fibras naturais, deparamo-nos com vantagens e desvantagens,
segundo CARVALHO et al. (1997):
Vantagens:
• Matéria-prima renovável;
• Resistentes;
• Leves; e
• Baixo custo.
Desvantagens:
• Estabilidade dimensional insuficiente;
• Baixa resistência biológica;
• Sem termoplasticidade;
• Baixa temperatura de processamento (compósitos);
• Incompatível com termoplásticos; e
• Absorção de umidade (juta).
Para YOUNG (1997), as fibras são classificadas em dois grupos: naturais e
artificiais. As fibras naturais dividem-se em três subgrupos, de acordo com sua natureza:
vegetais, animais e minerais. Na Figura 3.4, estão exemplos das principais fibras de cada
categoria.
52
Figura 3.4: Esquema de classificação das fibras
As fibras podem ser oriundas: das folhas, do talo, do lenho e da superfície da
planta (COOK, 1980; YOUNG, 1997; TOLÊDO FILHO, 1997). A Tabela 3.1 mostra a
composição de diferentes tipos de fibras vegetais.
Tabela 3.1: Composição de celulose com base nas diferentes fibras naturais (em %)
Juta Linho Rami Sisal
Celulose 64,4 64,1 68,6 65,8
Hemicelulose 12,0 16,7 13,1 12,0
Pectina 0,2 1,8 1,9 0,8
Lignina 11,8 2,0 0,6 9,9
Água solúvel 1,1 3,9 5,5 1,2
Cera 0,5 1,5 0,3 0,3
Água 10,0 10,0 10,0 10,0
(FONTE: GASSAN e BLEDZIK, 1996)
A fibra de juta é a segunda fibra têxtil mais cultivada do mundo, perdendo apenas
para o algodão. É cultivada principalmente no Paquistão, Índia e China. A produção no Brasil
está concentrada, basicamente, nos Estados da região Norte, em especial no Estado do Pará.
53
Dados das safras de 2004 a 2008, fornecidos pelo Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatística (IBGE) estão na Tabela 3.2.
Tabela 3.2: Dados da safra brasileira de juta de 2004 a 2008 (IBGE)
Ano da Safra de juta (fibra) 2008 2007 2006 2005 2004
Safra (em toneladas) 804 6.362 6.052 5.936 2.326
Área plantada (hectares) 710 4.501 4.179 4.168 1.513
Rendimento (em kg/ha) 1.132 1.413 1.448 1.424 1.537
Valor (em mil Reais) 789 4.037 3.632 4.105 1.626
(FONTE: IBGE, 2009)
A fibra de juta é utilizada principalmente na confecção de telas e tecidos de
sacaria, cordas e barbantes, tapetes e capachos, esteiras, papel de parede e produtos similares.
Sua resistência e módulo de elasticidade são relativamente elevados, permitindo o uso como
material de reforço. A Tabela 3.3 apresenta as propriedades físicas e mecânicas da fibra de
juta (TOLÊDO FILHO, 1997).
Tabela 3.3 - Propriedades físicas e mecânicas da fibra de juta
Diâmetro (mm) 0,1 – 0,4
Comprimento (mm) 180 – 800
Peso específico (KN/m3) 10
Absorção de água (%) 25 – 214,1
Resistência à tração (MPa) 240 – 550
Deformação na ruptura (%) 1,2 -3
Modulo de elasticidade (GPa) 17,4 – 32
A adesão da fibra de juta à matriz de poliéster pode ser atribuída à sua natureza
hidrofílica. Esta fibra lignocelulósica possui grande número de grupos hidroxila (OH-) livres,
que absorvem umidade, enquanto a matriz utilizada, apesar de possuir alguns grupos OH- e
COOH terminais, é essencialmente hidrofóbica. A umidade das fibras vegetais afeta
negativamente as propriedades dos compósitos e muitos trabalhos de pesquisa têm reportado
o efeito da umidade em compostos poliméricos reforçados com fibras vegetais (MOHANTY e
MISRA, 1995).
54
A juta é muito importante economicamente para o Norte do Brasil, bem mais
flexível e suave ao toque do que o sisal e, por conta disso, mais fácil de trabalhar. Os fios da
juta são produzidos comercialmente em várias espessuras, e são mais finos e mais regulares
do que os de sisal. Dentre as fibras naturais, é uma das que apresenta maior rigidez,
característica atribuída ao seu elevado teor de celulose. Isto é particularmente importante em
compósitos reforçados por este tipo de fibras, pois um dos critérios fundamentais ao se
projetar estruturas é que estas apresentem deflexão mínima quando submetidas a
carregamento.
Em comparação com a juta, o linho, por exemplo, é mais comumente usado para
fins mais nobres, tais como vestuário. Já o sisal, apesar de abundante e economicamente
importante para a região Nordeste, é mais duro e áspero. Não se pode deixar de citar, no
entanto, outras fibras com bom potencial de utilização na confecção de pás para
aerogeradores, a exemplo das da folha de abacaxi ou de caruá.
Para este trabalho, a escolha da juta foi uma questão de disponibilidade,
importância regional e de suas características físicas e mecânicas.
No compósito, complementando a fibra de juta, a matriz polimérica, além de ser
responsável pelo aspecto visual e de proteger os elementos de reforço contra ataques químicos
e físicos, tem como principal função dispersar ou aglomerar o reforço. Quando submetida a
uma tensão, a matriz deve ser capaz de distribuí-la e transferi-la para o componente de
reforço.
A escolha de uma determinada matriz para uma aplicação estrutural qualquer deve
ser limitada, a priori, à diferença entre a deformação que ela sofre e a que sofre o reforço,
quando submetido a esta mesma solicitação, já que a deformação da matriz deve ser
compatível com a deformação máxima do reforço.
Matrizes poliméricas podem ser termofixas, termoplásticas e elastoméricas. Na
atualidade, os compósitos são fabricados utilizando maior ou menor proporção destes três
tipos. Para os compósitos mais sofisticados, a maior parte das matrizes poliméricas é de
resinas termofixas, destacando-se as resinas epóxi, fenólicas e de poliéster.
No caso de matrizes frágeis reforçadas por fibras de baixo módulo de elasticidade,
em que a falha por arrancamento da fibra predomina sobre a falha por ruptura, tem-se a
aderência fibra-matriz como o principal fator de influência sobre a tenacidade (energia total
absorvida) do compósito.
As Resinas de polímeros termofixos apresentam cura irreversível, já que sua
estrutura molecular é interligada. Elas são comparadas aos ovos que, uma vez cozidos,
55
permanecem indefinidamente no mesmo estado. Como exemplo de resinas termofixas para
compósitos, têm-se as resinas poliéster insaturadas, as éster-vinílicas, as epóxis, as uretânicas
e as fenólicas (CALLISTER JR., 2008).
As Resinas termoplásticas têm estrutura molecular linear ou ramificada, que
amolece quando aquecida, em direção a seu ponto de fusão, e enrijece quando resfriada. Pode
ser comparada à parafina, que fica fluida quando aquecida e endurece, tomando a forma do
recipiente, quando resfriada. Como exemplos de resina termoplástica para compósitos, têm-
se: polipropileno, polietileno, poliestireno, policarbonato, poliéster termoplástico, nylon,
óxido de polifenileno, polissulfona, ABS (acrilonitrila-butadieno-estireno) e PEEK (poli-éter-
éter-cetona).
Os poliésteres são resinas que possuem grupos éster como elementos
fundamentais em suas cadeias moleculares. Resultam da reação de condensação de um diol
com um diácido, e, dependendo do tipo de ácido empregado, o poliéster resultante pode ser
saturado (termoplástico) ou insaturado (termorrígido).
Para a pá de teste deste trabalho, a resina poliéster foi escolhida como matriz para
formar o compósito com a fibra de juta, por causa de suas propriedades de rigidez,
trabalhabilidade e facilidade de manuseio, propriedades mecânicas e resistência à umidade.
Três tipos de pás com compósito usando fibra de juta foram fabricados:
Pá de teste 1: Duas camadas de tecido de Juta (camada interna e camada externa);
Pá de teste 2: Uma camada externa de tecido de juta com uma camada interna de tecido de
vidro; e
Pá de teste 3: Uma camada externa de tecido de juta com uma camada interna de manta de
vidro.
Todos os três tipos de pás de teste foram confeccionados usando resina poliéster
como matriz. Na Pá de teste 1, a combinação do compósito utilizada foi de duas camadas de
tecido de fibra de juta e resina de poliéster como matriz. O esquema estrutural da seção
transversal das pás de teste utilizadas pode ser visto na Figura 3.5.
56
Figura 3.5: Esquema estrutural das pás de teste no corte
A estrutura da pá se compõe de duas faces: do lado de pressão e do lado de sucção
da pá (ver Figura 3.36). Cada lado é confeccionado em compósito poliéster (matriz) com
fibra: juta, ou juta e vidro (este em tecido ou manta). Nas junções das bordas laterais das duas
faces, um reforço de corda de vidro é incluído. O espaço entre as duas faces é preenchido com
espuma de poliuretana.
Para proteger o compósito das influências ambientais (principalmente da umidade
e luz ultravioleta), uma base de primer e uma pintura são aplicadas (ver Figura 3.6).
Os moldes utilizados para confeccionar as pás de teste foram feitos a partir de pás
originais em fibra de vidro. Desta forma, consegue-se garantir que as características
aerodinâmicas das pás originais são mantidas.
Utilizando a base desses moldes, as duas faces das pás de teste foram
confeccionadas, com a posterior acomodação de fibras de juta.
O processo de confecção das pás de teste em fibra vegetal de juta descrito a seguir
foi proposto pela Professora Dra. Laura Hecker de Carvalho, do Departamento de Engenharia
de Materiais da Universidade Federal de Campina Grande.
57
Figura 3.6 A ponta da pá de teste com tecido de fibra de juta
Procedimento de confecção de pás de teste
Materiais:
Resina éster-vinílica RF-1001 MV;
Catalisador Peróxido de metil-etil cetona – MEK;
Polinox;
Limpador – Chemlease mold cleaner;
Selador – CL Sealer 15 NEB Chem trend sealer;
Desmoldante – PMR-90;
Cera tec glaze (ou cera de carnaúba);
Pincel, reservatórios para misturar resina, thinner para limpar, flanela;
Tecido de juta; e
Tecidos de fibras de vidro 300g/m2.
58
A Resina éster-vinílica RF-1001 MV utilizada neste procedimento foi fornecida
pela Assunção Distribuidora de Produtos Químicos do Nordeste Ltda. Já o catalisador MEK,
pela empresa Brasnox.
Há essencialmente duas formas para o preparo de molde. Uma delas permite uma
desmoldagem única e utiliza materiais mais baratos. A outra permite até 10 desmoldagens,
utiliza insumos mais caros, o que só se justifica para aplicações industriais ou de maior escala.
Ambas, no entanto, seguem um protocolo de procedimentos semelhante:
• Aplicar camada fina de cera no molde;
• Deixar secar por aproximadamente 10 minutos;
• Aplicar outra demão de cera;
• Passar uma bucha plástica;
• Aplicar o desmoldante, em camada fina (podendo ser espalhado com a mão);
• Aplicar o gel coat (isto é, camada de resina sem reforço); e
• Fazer a moldagem.
O processo mais oneroso exige a aplicação de limpador, selador e desmoldante,
deixando-se secar para, só então, aplicar o gel coat e fazer a moldagem.
O processo de confecção das pás passa pelas etapas de corte dos tecidos de
reforço (manta de fibra de vidro, tecido de fibra de vidro ou tecido de juta) na forma e
tamanho da cavidade interna do molde e posterior aplicação de resina e montagem. O molde é
bipartido (composto por duas partes) e tem a forma da pá desejada. Este molde foi
manufaturado a partir de uma pá enviada pelo coordenador do projeto. A pá é fixada ao eixo
do rotor através de um inserto metálico, que é presa ao interior da pá durante o processo de
moldagem. As etapas detalhadas do processo são mostradas a seguir.
A superfície do molde é preparada conforme descrito anteriormente e os tecidos
são cortados no tamanho da parte interna do molde, a partir de uma peça em papelão ou
madeirite.
59
Figura 3.7: Tecido cortado no tamanho da parte interna do molde
Estando a superfície do molde preparada e os tecidos cortados (Figura 3.7),
prepara-se, então, a resina. A apresentação comercial adotada neste trabalho da resina éster-
vinílica é pré-acelerada com 0,3% de octoato de cobalto e 0,2% de DMA (dimetil anilina)
como co-catalisador. A esta resina, adiciona-se peróxido de metil-etil-cetona (MEK), numa
proporção de 2% em relação ao peso da resina. Estas condições permitem a manipulação da
massa por pelo menos 30 minutos antes que a cura (conjunto de reações de reticulação que
transformam a resina em material termofixo, insolúvel e infusível) se manifeste, o que ocorre
quando a viscosidade fica muito elevada e material não apresenta praticamente mais nenhuma
fluidez. Misturada, a resina pura é aplicada com pincel ou spray sobre a superfície do molde,
formando o chamado gel coat.
Figura 3.8: Gel coat, depositado sobre o molde
60
Uma vez aplicado o gel coat (Figura 3.8), deposita-se sobre o molde – camada a
camada – o tecido desejado, e cada camada em separado é impregnada com a resina catalisada
(Figura 3.9). Esta etapa deve ser cuidadosamente realizada, a fim de garantir um
imbricamento satifatório entre o tecido e a resina, além de sua perfeita inserção no molde, de
modo a evitar bolhas, má impregnação ou formação de dobras no tecido. A pá aqui ilustrada
foi manufaturada com uma camada de tecido de fibra de juta, seguida de outra camada de
tecido de juta. O mesmo procedimento é realizado em ambas as partes do molde bipartido.
Figura 3.9: Impregna-se cada camada em separado com a resina catalisada
Verifica-se se as bordas estão lisas o bastante e corretamente preenchidas e, se
necessário, após a cura (endurecimento) da resina, é realizada uma etapa de lixamento, para
garantir que não haja ressaltos e que as peças se encaixem perfeitamente (Figura 3.10).
Figura 3.10: Verifica-se que as bordas estejam bem lisas e corretamente preenchidas
Preparadas as duas lâminas, coloca-se o inserto metálico no molde (Figura 3.11).
Primeiramente, prepara-se a resina para colá-lo. Como a resina éster-vinílica é mais cara, a
massa para esta colagem é à base de resina poliéster insaturada. A “massa” consiste de uma
61
mistura de resina poliéster (matriz) reforçada por talco e carbonato de cálcio, em proporções
de 70:30. A quantidade de reforço adicionada é aquela que seja suficiente para produzir uma
massa de elevada viscosidade (que não “escorra”), conforme mostrado abaixo.
Figura 3.11: A resina para colar o inserto metálico
Uma vez preparadas as lâminas e fixado o inserto metálico, preparam-se cordões
de fibra de vidro, na forma de mechas, que serão impregnados com resina éster-vinílica,
preparada como mencionado anteriormente, e dispostas ao redor da borda do molde, a fim de
atuar como selante entre as duas partes (Figura 3.12).
Figura 3.12: Cordões de fibra dispostas ao redor da borda do molde
Terminada a colocação do cordão, passa-se mais cera ao redor do molde e
verifica-se se este está limpo, para evitar problemas de adesão futuros (Figura 3.13).
62
Figura 3.13: Passa-se cera ao redor do molde
Fecha-se o molde e prende-se com parafusos durante toda a sua extensão para
garantir uma boa compactação (Figura 3.14).
Figura 3.14: Fecha-se o molde
Aguarda-se pelo menos de 2 a 4 horas antes da realização da desmoldagem. Após
este tempo, os parafusos são abertos e a peça é retirada do molde. Feito isto, dois pequenos
orifícios – de entrada e saída – são feitos, e resina poliuretana expandida é injetada, para
preencher os vazios entre as duas peças que foram coladas e garantir a resistência à flexão.
63
3.3 Dimensões e Características Aerodinâmicas dos Perfis de Pás de Teste
Geometricamente, as pás de teste em fibras vegetais são idênticas (dentro das
tolerâncias da produção) com as pás originais, usando as mesmas dimensões estruturais e do
perfil aerodinâmico.
Dados técnicos da pá
Comprimento do perfil aerodinâmico: 1,07m
Largura do perfil aerodinâmico: de 0,04 m a 0,18 m
Peso: 1.700 g
Perfil: MH 102, MH 104, MH 106, MH 108 e MH 110 (MARTIN HEPPERLE, 1986)
As dimensões da superfície da pá estão demonstradas na Figura 3.15 (medidas em
cm).
Figura 3.15: Pá de teste em fibra vegetal com suas dimensões geométricas
A pá é dividida em cinco áreas trapezoidais (A1 a A5), conforme ilustrado na
Figura 3.16. Cada área usa um tipo de perfil aerodinâmico diferente (ver Figura 3.17).
Figura 3.16: Áreas das seções A1 a A5 do perfil aerodinâmico da pá
64
A base para a determinação das forças aerodinâmicas atuando na pá é a aérea de
cada seção com um determinado perfil diferente. Para calcular estas áreas, usa-se a fórmula
para o cálculo da área de um trapézio.
Área de um trapézio (geometria):
A = (B + b) / (2.h)
A área total é, assim, a soma das aéreas (A1 a A5), o que corresponde a 0,1087m2
(ver Tabela 3.4).
Apá = A1 + A2 + A3 + A4 + A5
Sendo: A = área (m2); B = base maior (m); b = base menor (m); e h = altura (m).
Tabela 3.4: Área das seções A1 a A5 e área total das seções A1 a A5
B (m) b (m) h (m) A (m2)
A1 0,18 0,04 0,07 0,0077
A2 0,18 0,16 0,1 0,0170
A3 0,16 0,11 0,3 0,0405
A4 0,11 0,07 0,3 0,0270
A5 0,07 0,04 0,3 0,0165
Soma 0,1087
Na Figura 3.19, tem-se a geometria do corte dos perfis das seções da pá, no centro
de gravidade (C) de cada trapézio, de A1 a A5. A distância do centro das áreas A1 a A5 até o
centro do rotor pode ser visualizada na Figura 3.18.
As forças aerodinâmicas atuando em cada seção se agrupam nos centros de cada
seção. Para determinar estes pontos onde as forças estão atuando em cada seção, calculam-se
os centros das seções A1 a A5 em relação ao centro do rotor (Figura 3.17 e Tabela 3.5).
y = (h / 3) * (B + 2b) / (B + b)
onde:
B = base maior (m);
65
b = base menor (m);
h = altura (m);
C = centro do trapézio;
y = distância da base maior ao centro (m); e
X = distância do centro da seção ao centro do rotor (m).
Figura 3.17: Área de um trapézio e distância do centro em relação à base maior
Tabela 3.5: Distância do centro das seções A1 a A5 em relação ao centro do rotor
Os centros da cada seção onde as forças aerodinâmicas estão atuando em relação
ao centro do rotor é a base de determinação dos momentos atuando no mesmo (Figura 3.18).
y (m) X (m)
A1 0,03 0,24
A2 0,05 0,32
A3 0,14 0,51
A4 0,14 0,81
A5 0,14 1,11
66
Figura 3.18: Centro das áreas de 1 a 5 em relação ao centro do rotor
Cada seção de A1 a A5 possui um perfil característico (ver Figura 3.19), com
propriedades aerodinâmicas diferentes, levando-se em conta a velocidade média e a posição
da seção em relação ao centro do rotor, e a ponta da pá, otimizando a eficiência aerodinâmica
operacional.
Figura 3.19: Corte dos perfis de seção 1 a 5, com ângulo de passo de 0°
As medidas principais e os ângulos de passo dos perfis de seção 1 a 5 estão
dispostos nos Anexos 1-5.
Existem Tabelas que apresentam os valores do coeficiente de arraste e sustentação
dos perfis MH 102 a MH 110. Os valores máximos para o coeficiente de sustentação tirados
destas Tabelas estão relacionados na Tabela 3.6.
67
Tabela 3.6: Coeficiente de sustentação máxima das secções A1 a A5
Perfil Seção Coeficiente de sustentação máxima
MH 102 1 1,31
MH 104 2 0,98
MH 106 3 0,86
MH 108 4 0,84
MH 110 5 0,78
As características aerodinâmicas detalhadas dos perfis MH 102, MH 104, MH
106, MH 108 e MH 110 estão documentadas nos Anexos 1 a 5.
3.4. Cálculo das Forças Atuantes na Pá Durante a Operação
Um das maiores ameaças à integridade estrutural da pá são as forças
aerodinâmicas em caso de ocorrência das rajadas máximas definidas nas classes de vento I a
IV. Estatisticamente, estas rajadas máximas aparecem isoladamente e por períodos que duram
apenas segundos. Mas a pá pode ser submetida a elas várias vezes durante a vida útil e precisa
suportar estas enormes cargas que elas provocam.
De acordo com a norma IEC 61400-1, o caso considerado como o mais extremo
de estresse que uma pá deve sustentar é a rajada máxima que pode ocorrer em um período de
50 anos.
A norma classifica quatro classes para diferentes valores de velocidades médias
anuais de vento e define, para cada classe, a velocidade de referência e as velocidades
máximas para a rajada de 10 e de 50 anos, como mostrado na Tabela 3.7.
Tabela 3.7: Parâmetros de vento das classes de aerogeradores (em m/s)
Classe de Vento I II III IV
Velocidade de referência 50 42,5 37,5 30
Velocidade média anual 10 8,5 7,5 6
Rajada máxima de 50 anos 70 59,5 52,5 42
Rajada máxima de 10 anos 52,5 44,6 39,4 31,5
68
Para áreas com uma velocidade média anual de 10 m/s, a Classe I considera a
velocidade mais alta como sendo a de 70 m/s, o equivalente a 252 km/h (BURTON, 2008).
Considerando que a rajada seja frontal e o aerogerador esteja parado (freado), as
forças aerodinâmicas são calculadas por:
F = 1/2 * ρ * ca * A * v2
onde:
F = Força (N);
ρ = densidade de ar (kg/m3) (padrão da norma: 1,225 kg/m3);
A = Área da pá (m2);
ca = coeficiente de arraste (adimensional); e
v = velocidade (m/s).
O coeficiente de arraste (ca) para um plano quadrado ou redondo é de 1,1. Isto
ocorre porque, no caso de rajada máxima e aerogerador parado (freado), a superfície da pá
inteira tem de ser considerada perpendicular à direção do vento. A proteção contra ventos
fortes (destrutivos) deste aerogerador diminui o ângulo de ataque, mas não altera a área virada
(de frente) para o vento (ver Figuras 3.20 e 3.21).
Figura 3.20: Sistema de estol não ativado
Figura 3.21: Sistema de estol ativo
A área frontal da pá não muda significativamente com o sistema de estol ativado.
No caso de ocorrência da rajada com o gerador parado (em curto circuito), a pá não é
inclinada de forma significativa, a fim de reduzir a área virada contra o vento.
69
Calculando as cargas para cada seção da pá, para as classes de I a IV, é possível se
obter os valores, como mostrado na Tabela 3.8, a seguir:
Tabela 3.8: Forças de arraste geradas por rajadas máximas Classe I a IV de vento atuando na pá
Comparando as forças de arraste geradas pelas rajadas das classes de vento I a IV,
as cargas na pá aumentam significativamente com o quadrado da velocidade (ver Figura
3.22).
Figura 3.22: Distribuição das forças atuando na pá nas rajadas definidas de classe I a IV
Forças
por
seções Seçã
o da
pá Classe I
Rajada de 70 m/s
(Forças em N)
Classe II
Rajada de 59,5 m/s
(Forças em N)
Classe III
Rajada de 52,5 m/s
(Forças em N)
Classe IV
Rajada de 42 m/s
(Forças em N)
FA5 5 54,47 39,36 30,64 19,61
FA4 4 89,14 64,40 50,14 32,09
FA3 3 133,71 96,60 75,21 48,13
FA2 2 56,12 40,55 31,57 20,20
FA1 1 25,42 18,37 14,3 9,15
Total 358,86 259,28 201,86 129,19
70
Na operação regular, as forças de sustentação e de araste no perfil da pá resultam
em momento e rotação, girando o eixo do rotor e acionando, assim, o gerador, transformando
a energia cinética do vento em energia elétrica.
Para calcular as forças atuando na operação nominal, é necessário avaliar as
velocidades e os ângulos de vento relativos no perfil aerodinâmico da pá. A pá, por si, é uma
asa rotativa, que experimenta diferentes velocidades ao longo de seu comprimento. Além
disso, a pá enfrenta o vento de uma forma vetorial relativa ao perfil da pá, já que o vento se
aproxima perpendicularmente ao plano de rotação da pá e forma, assim, junto com a
velocidade rotativa de cada seção da pá, um vetor, ângulo de vento e velocidade resultante
diferente para a pá em rotação (Figura 3.23).
70
Figura 3.23: Variação de velocidade vento relativo a perfil ao longo da pá em rotação e as
velocidade resultantes e ângulos para as posições de referência
O cálculo das velocidades rotativas das aéreas A5 a A1, na situação de geração
nominal com uma rotação de 650 rpm (10,8 rotações/s) e vento de 12 m/s, tem que considerar
as distâncias dos centros das áreas de A1 – A5 em relação ao centro do rotor (Figura 3.18). A
circunferência da trajetória dos centros de A5 a A1 em relação ao centro do rotor é:
C = 2 * π * r
onde:
r = raio (m); e
71
C = circunferência (m).
As velocidades radiais das áreas A5 – A1, assim, são (ver Tabela 3.9):
Vradial = C * Vrotacional
onde:
Vrotacional = Velocidade rotacional (rotações/s)
Vradial = Velocidades radiais dos centros das áreas A5 – A1 (m/s)
Tabela 3.9: Velocidades rotacionais dos centros de A5 a A1 na operação nominal com a
rotação do gerador de 650 rpm (10,8 rotações / segundo) e vento de 12 m/s
r (m) V radial (m/s)
A1 0,24 16,33
A2 0,32 21,77
A3 0,51 34,70
A4 0,81 55,11
A5 1,11 75,51
Uma característica importante é que, nas condições ideais de extração de energia
cinética do vento, a velocidade do vento diminui por 1/3 quando da aproximação do rotor. Isto
ocorre no caso de extração máxima, conforme Betz (Ver capítulo 2). Por isso, no cálculo de
forças aerodinâmicas, considera-se a velocidade de 8m/s, o equivalente a 2/3 da velocidade de
vento nominal de 12 m/s. Calculando, assim, as velocidades resultantes atuando nas seções da
pá, usa-se a equação de Pitágoras, sendo que o ângulo entre o vento e o plano de rotação da pá
é de 90˚:
Vresultante2 = Vradial
2 + Vvento2
72
Tabela 3.10: Velocidades resultantes nas seções da pá para a operação nominal
Velocidades
radiais (m/s)
Velocidade de vento
no rotor (m/s)
Velocidades resultantes
(m/s)
A1 16,33 8 18,65
A2 21,77 8 23,56
A3 34,70 8 35,85
A4 55,11 8 55,84
A5 75,51 8 76,04
Nota-se que, as velocidades resultantes aumentam significativamente com a
distância ao centro do rotor (Tabela 3.10). Isto é um fator importante porque, no cálculo de
forças de sustentação e de arraste, a velocidade entra como um valor ao quadrado:
Forças atuando na pá em rotação:
Fs = ½ . cs . ρ . A . v2
Fa = ½ . ca . ρ . A . v2
onde:
Fs = Força de sustentação (N);
Fa = Força de araste (N);
ρ = Densidade de ar (kg/m3);
A = Área transversal (m2);
cs = Coeficiente de sustentação (adimensional);
ca = Coeficiente de arraste (adimensional); e
v = Velocidade (m/s).
Através do ângulo de ataque (α), listado nas Tabelas dos perfis nos anexos 1 a 5, é
possível determinar os coeficientes de sustentação (cs) e de arraste (ca) para as seções A2 a
A5, para um número de Reynolds maior de 500.000 (Tabela 3.11).
O número de Reynolds pode ser obtido a partir da equação:
Re = (ρ . D . v) / η
onde:
v = velocidade média do fluido (m/s);
73
D = longitude característica do fluxo (m);
η = viscosidade (Nsm-2);
ρ = massa específica do fluido (kg/m3); e
Re = número de Reynolds (adimensional).
Tabela 3.11: Número de Reynolds para as seções 1 – 5 na operação nominal
Calculando o ângulo de ataque (α), parte-se do ângulo resultante, subtraindo-se o
ângulo de passo (ver Tabela 3.12):
Ângulo resultante através de função trigonométrica:
Tan(ângulo resultante β) = Vvento / Vradial
Ângulo de ataque:
Ângulo ataque (α)= ângulo resultante (β)- ângulo passo (γ)
Tabela 3.12: Ângulos resultante (β), de passo (γ) e de ataque (α), na operação nominal
Seção Ângulo Ângulo Ângulo Perfil
da pá β γ α
A1 26,1 16,6 9,5 MH 102
A2 20,2 12,6 7,6 MH 104
A3 13 6,8 6,2 MH 106
A4 8,3 3,9 4,4 MH 108
A5 6 3,2 2,8 MH 110
A5 A4 A3 A2 A1
p kg/m3 1,225 1,225 1,225 1,225 1,225
D m 0,055 0,09 0,135 0,17 0,11
v m/s 75,94 55,68 35,61 23,19 18,18
η Nsm-2 0,0000086 0,0000086 0,0000086 0,0000086 0,0000086
Re 594.937 713.805 684.768 561.549 284.855
74
Com os valores de ângulo de ataque α e o numero Reynolds, pode-se identificar o
cs (coeficiente de sustentação) e o ca (coeficiente de arraste), para a situação da operação
nominal para cada seção de A1 a A5 (ver Anexos 1 a 5).
Usando a equação das forças atuando na pá em rotação, as áreas das seções A1 a
A5, as velocidades resultantes e a massa específica do ar (1,225kg/m3), é possível se obter os
resultados para as forças de sustentação (Fs) e de araste (Fa), para a pá na operação nominal
(Tabela 3.13).
Tabela 3.13: Cargas na pá na operação de geração nominal
Cálculo de forças de sustentação e de arraste para as aéreas de A5 a A1 na operação
nominal do aerogerador de 650 rpm e vento de 12 m/s
A (m2) V resultante (m/s) cs ca ρ (kg/m3) Fs (N) Fa (N)
A1 0,008 18,65 1,01 0,0112 1,225 1,57 0,02
A2 0,017 23,56 0,85 0,0112 1,225 4,76 0,06
A3 0,041 35,85 0,64 0,0096 1,225 20,13 0,30
A4 0,027 55,84 0,44 0,009 1,225 22,56 0,46
A5 0,017 76,04 0,33 0,009 1,225 19,23 0,52
Soma 68,26 1,37
Comparando as características aerodinâmicas e as forças que a pá tem que
sustentar na direção axial nas duas situações: com o aerogerador sofrendo uma rajada forte de
70 m/s ou em operação nominal, observa-se que a distribuição das forças ao longo da pá é
significativamente diferente em termos de grandeza e em termos de distribuição. As forças de
arraste na operação nominal, num total de 1,37N, são relativamente pequenas e não aparecem
na visualização (Figura 3.24).
75
Figura 3.24: Distribuição das forças de sustentação (Fs) na operação nominal e as forças de
arraste no caso de uma rajada de 70 m/s atuando na pá na direção axial
No cálculo de momento atuando na pá, considera-se que cada seção de A1 a A5
opera num raio (alavanca) diferente (Figura 3.25) e que a força de sustentação atua
perpendicular à direção da direção da resultante do vento, enquanto a força de arraste atua na
direção dele (do vento). Assim, é necessário transformar estes vetores de sustentação e de
arraste em vetores radiais e axiais, conforme a Figura 3.26.
Figura 3.25: Forças atuando na seção da pá
76
Para transformar estes vetores de sustentação e de arraste em vetores radiais e
axiais, usam-se as equações abaixo:
Força resultante rotativa Fr = (sen β.Fs) - (cos(90-β).Fa)
Força resultante axial Fax = (cos β.Fs) + (sen(90-β).Fa)
onde:
β = Ângulo da velocidade resultante;
Fs = Força de sustentação;
Fa = Força de araste;
Fr = Força radial; e
Fax = Força axial.
Figura 3.26: Forças e resultantes atuando na pá
Os valores-base (determinados anteriomente) para a cálculo na operação nominal
de 650rpm de rotação do rotor e de 12m/s de vento estão listados na Tabela 3.14.
77
Tabela 3.14: Valores base na operação nominal
Ângulos
A (m2) r (m)
VA (m/s)
Velocidade do vento 12 m/s no
rotor (m/s)
V resultante
resultante de vento
β
de ataque α
de passo γ
A1 0,008 0,24 16,33 8 18,18 26,1 16,6 9,5
A2 0,017 0,32 21,77 8 23,19 20,2 12,6 7,6
A3 0,041 0,51 34,7 8 35,61 13 6,8 6,1
A4 0,027 0,81 55,11 8 55,68 8,3 3,9 4,4
A5 0,017 1,11 75,52 8 75,94 6 3,2 2,9
Vale lembrar que a velocidade do vento diminui por 1/3 na aproximação ao rotor
(teoria Betz, capítulo 2). Por isto, no cálculo de forças aerodinâmicas, considera-se uma
velocidade de 8m/s, o equivalente de 2/3 da velocidade de vento nominal 12 m/s.
Os resultados de cálculo dos vetores radiais e axiais para a operação nominal de
650rpm de rotação do rotor e 12m/s de vento estão listados na Tabela 3.15. As forças axiais
Fax são aquelas que mais estressam a pá e são a base para o teste estático da pá.
Tabela 3.15: Forças axiais e radiais atuando na operação nominal com o vento de 12m/s
Fs
(N) Fa
(N) Ângulo
β Fr
(N) Fax (N)
A1 1,57 0,02 26,1 0,68 1,42
A2 4,76 0,06 20,2 1,58 4,49
A3 20,13 0,30 13,0 4,23 19,68
A4 22,56 0,46 8,3 2,78 22,40
A5 19,23 0,52 6,0 1,50 19,18
Soma 10,78 67,17
São as forças radiais que, na totalidade, do raio para o centro do rotor (braço de
alavanca), determinam o momento responsável pelo giro do rotor e, assim, através desse
momento, junto com a velocidade de rotação para o acionamento do gerador, produzem
energia elétrica. Os resultados de cálculo do momento atuando no rotor estão dispostos na
Tabela 3.16.
78
Tabela 3.16: Momentos atuando no vento nominal de 12m/s
Força Força Raio Momento
radial axial Mrad Max
Frad (N) Fax (N) r (m) (N.m) (N.m)
A1 0,68 1,42 0,24 0,16 0,34
A2 1,58 4,49 0,32 0,51 1,44
A3 4,23 19,68 0,51 2,16 10,04
A4 2,78 22,40 0,81 2,26 18,14
A5 1,50 19,18 1,11 1,67 21,29
Soma 10,78 67,17 Soma 6,75 51,25
O cálculo de potência teórica da geração (sem considerar as perdas) é:
P = 2 * π * Mrad * n* quantidade de pás
onde:
Mrad = Momento radial (N.m); e
n = rotação (sec-1).
A potência teórica do rotor com três pás na operação nominal de 650 rpm (10,8s-1)
e vento de 12 m/s é P = 1.373W.
3.5. Análise Estrutural da Pá de Teste
Projetar um aerogerador é tarefa multidisciplinar, que envolve conceitos de
diferentes áreas da Engenharia, tais como: eletromagnetismo, mecânica dos fluidos e
dinâmica estrutural. O procedimento para a determinação da resistência do rotor eólico e de
seu desempenho é resultante de um estudo do coeficiente de potência máximo e do ângulo de
ataque ótimo dos perfis do rotor.
Para a qualificação e a certificação de aerogeradores, existem vários institutos
espalhados pelo mundo: LM Wind Power Group, na Dinamarca; Det Norske Veritas, na
Noruega, e Germanischer Lloyd, na Alemanha. A norma-base para estes procedimentos é a
79
série IEC 61400 (DET NORSKE VERITAS, 2008) e a guia para cerificação de aerogeradores
é a Guideline for the Certification of Wind Turbines (GERMANISCHER LLOYD, 2010).
Para a estrutura das pás, existem basicamente três testes: o estático, o dinâmico e
o teste de rompimento, para simular as cargas que devem acontecer durante a vida útil e para
determinar o limite extremo da resistência da pá.
No Teste Estático, a pá é submetida a cargas máximas, por um período de 30 a 60
minutos, e deve suportá-las por, no mínimo, 10 segundos, sem quebrar.
O Teste Dinâmico tem por objetivo simular as cargas dinâmicas a que a pá estará
submetida durante sua vida útil (20 anos). Para isto, a pá é colocada para oscilar em sua
frequência natural, ou seja: 5 milhões de ciclos.
Depois dos testes dinâmicos, o programa de teste estático é repetido, a fim de
confirmar que a pá sustenta igualmente as cargas estáticas, mesmo depois de carregada com
cargas dinâmicas.
No caso do uso de novos materiais ou nas situações em que alterações do tipo da
pá são significativas, o teste de rompimento (Crash test) pode ser realizado também. Nesse
teste, a simulação estática é estendida a cargas extremas, isto é, até o rompimento da pá
(quebra). Daí, as porções danificadas e as que sofreram rompimento são investigadas em
detalhe (LM WIND POWER, 2010).
O guia de certificação para aerogeradores (Guideline for the Certification of Wind
Turbines, Edition 2010) define requisições de teste e de documentação para a pá:
Requisições do material:
Checagem de entrega;
Geometria incluindo data do perfil; e
Centro de gravidade e peso.
Documentação da pá:
Tipo da pá;
Número de série;
Centro de gravidade e peso; e
Tipo de freio aerodinâmico (se tiver).
Cada rotor deve ser marcado com os seguintes dados: Fabricante, Tipo e Número
de série.
80
Análise
A resistência tem que ser maior do que as cargas operacionais;
Monitoramento de deflexão; e
Segurança da deflexão de 30% na operação e de 10% quando parado.
Teste de pá
Teste de carga; e
Teste de frequência natural.
(O sucesso no teste completo de carregamento é considerado essencial para a segurança.)
Adicionalmente, podem ser feitos testes de fadiga, nos seguintes casos:
Projeto da pá diferente do estado de arte;
Aparecimento de danos durante os testes; e
Deformações excepcionais durante o carregamento operacional.
Requisições de teste
Determinar a primeira frequência natural da pá;
No caso de pás de com controle de stall, medir a amortecimento (edgewise).
Carregamento de teste:
Steste = Sd * γlT * γ2T
onde:
Steste = Carga de teste;
Sd = Cargas projetadas;
γlT = 1,1 para degradação (scattering) por causa das condições ambientais;
γ2T = 1,0 para teste à temperatura ambiente (20˚C) e 1,1 para testes a -30˚C.
Os valores de γ para temperaturas entre 20 e -30˚C podem ser interpolados.
No procedimento de teste, pelo menos 4 (quatro) passos de carregamento entre
40% e 100% do carregamento de teste são obrigatórios:
• As cargas têm que ser medidas em cada ponto de carregamento ao longo da pá;
• A deflexão da pá deve ser medida pelo menos no meio e na ponta da pá; e
81
• A temperatura do ambiente deve ser monitorada.
Documentação:
Data e hora;
Operador responsável;
Característica e data da pá;
Documento da fabricação;
Massa, centro da gravidade e frequência natural;
Descrição e derivação da carga de teste da carga simulada;
Descrição da configuração de teste e método de indução de carga;
Descrição do equipamento de medição;
Parâmetros de medição (força, deflexão, temperatura);
Comparação da carga atual para a carga de teste;
Comparação dos valores calculados e os valores medidos; e
Avaliação do resultado (Assessment).
Orienta-se em uma das maiores estantes de teste para pás de aerogeradores (de até
80m), que está em Lunderskov, Dinamarca, demonstrada na Figura 3.27 (LM GLASFIBER,
2010).
Figura 3.27: Teste estático da pá em Lunderskov, Dinamarca
82
A sobrecarga da pá feita em material compósito de fibra e de polímero pode
resultar em diferentes danos à estrutura do compósito de polímero reforçado com fibras, a
exemplo de delaminação, descolamento das junções, rompimento a longo das fibras, trincas
no gelcoat (matriz de poliéster adicionada das cargas), descolamento da superfície etc. Estes
danos estão esquematizados na Figura 3.28 (HUGHES, 2008).
Figura 3.28: Esquema dos possíveis danos causados à estrutura da pá
A variabilidade das velocidades do vento, fenômeno muito natural, é o fator
gerador das principais cargas incidentes nas pás. Nos testes, as velocidades de vento
consideradas são as máximas, já que são elas que geram as cargas máximas para a pá. Estas
situações extremas raramente duram mais do que alguns segundos, mas nos testes, define-se
que a pá deve resistir a estas forças máximas por um período de 10 minutos (HANSEN,
2003).
Os resultados dos testes estáticos e dinâmicos são confiáveis quando as cargas
adotadas estão em conformidade com as cargas reais, que ocorrem durante a vida útil do
equipamento. Mas as incertezas inerentes, que incluem irregularidades na manufatura da
estrutura das pás, nas velocidades e turbulências do vento no local de instalação, obrigam a
considerar os fatores de segurança.
83
A origem da adoção de um fator de segurança é da Aeronáutica americana, e se
baseia na mensuração da tolerância a danos. A descrição está documentada no volume 3 do
Composite Materials Handbook (US DEPARTMENT OF DEFENSE, 1997).
Inspeções das pás são necessárias para detectar falhas no material
(DJORDEVIC.2009). E, para detectar falhas, controles visuais são complementados por
técnicas de controle não-destrutivo: tap teste, ultrassom, teste de infravermelho e raios-X,
visualizados na Figura 3.29.
O tap test é regularmente utilizado na Aeronáutica, para identificar as zonas
danificadas ou células defeituosas (CNDE NEWS.2010). O método consiste em bater
levemente na estrutura, em diferentes localidades, para detectar a zona de falha pela variação
de tom (ruído), o que indica a caverna (ou buraco). Este teste pode fornecer resultados
relativamente confiáveis a respeito da zona danificada para certos tipos de defeitos. Suas
vantagens são a rapidez de execução e a desnecessidade de equipamento especial e a principal
desvantagem, a pouca precisão. Para uma análise mais detalhada ou quantitativa, são
necessários testes complementares, tais como o ultrassom, o infravermelho e os raios-X.
84
Figura 3.29: Esquema de tap teste, ultrassom, teste de infravermelho e raios-X
Raios-X são um método “frontal”, não-destrutivo, que permitem identificar a
partição das fibras (quebras), as inclusões parasitas, não permitindo, no entanto, a
visualização da delaminação (JUENGERT, G. 2009).
Termografia infravermelha é um método mais qualitativo que quantitativo, que
permite visualizar uma cartografia térmica do compósito (ver Figura 3.30). O aquecimento
local está relacionado à densidade do material ou do dano. Em caso de dano, cansaço do
material ou ruptura em volta de uma abertura, por exemplo, afere-se a transmissão de calor
com um gradiente de temperatura.
85
Figura 3.30: Esquema de termografia infravermelha
O teste de emissão acústica de ultrassom é utilizado para determinar o dano em
pás de compósitos. Seu princípio é a detecção da abertura das microrrupturas dentro do
material (fibras, matriz, interfaces), já que estas produzem ondas de reflexão, perceptíveis por
um sensor de efeito piezoelétrico. A criação de uma fissura pela cisão, ruptura das fibras ou
delaminação, influencia o sinal acústico com parâmetros característicos para cada tipo de
anormalidade (BOUCHONNEAU, N. 2006).
3.6. Definição e Construção do Dispositivo de Teste
Para simular as forças atuando na pá, é necessário de um dispositivo de ensaio.
A técnica constitui-se de fixar a pá em uma posição que permita às forças
gravitacionais atuarem nela, de maneira a simular a força e a direção da força atuando durante
a vida útil da peça.
Para isto, a pá é fixada no lado da fixação no cubo e ajustada horizontalmente,
através de um parafuso de ajuste, que faz parte do dispositivo (Figuras 3.31 e 3.32). Isto é
para garantir que as forças gravitacionais dos pesos aplicados atuam perpendicularmente à pá.
Esta configuração facilita a medição da deflexão da pá no caso das forças aplicadas.
86
Figura 3.31: Fixação e ajuste de ângulo de passe no dispositivo de testes
O carregamento é efetuado com pesos, aproveitando as forças gravitacionais que
atuam verticalmente, em direção ao centro da terra.
Figura 3.32: Esquema do dispositivo de simulação de cargas aerodinâmicas com as forças em
forma de pesos gravitacionais de água
As principais características do de dispositivos de teste:
• Medidas principais: 144x33x 30cm;
• Maximo comprimento da pá: 1,20m;
87
• Fixação da pá idêntica à fixação da pá no cubo;
• Ajuste de ângulo de passo (Figura 3.32);
• Carregamento através de forças gravitacionais de peso, com depósitos de água que
permitem um ajuste numa precisão de ±1g;
• Medição de deflexão em relação às quatro travessas na base do dispositivo, na borda
de ataque e na borda de fuga; e
• Possíveis direções de carregamento em quatro direções da pá (Figura 3.33): lado de
pressão, lado de sucção, borda de ataque e borda de fuga.
Figura 3.33: Possíveis direções de aplicação de forças gravitacionais no dispositivo de teste
3.7. Qualificação de Pás de Aerogerador de Pequeno Porte
A função das pás de um aerogerador é a conversão da energia cinética do vento
em energia mecânica de um momento e da rotação do rotor.
O vento é uma forma de energia inconstante, continuamente oscilante. E esta
oscilação inclui os extremos: parada total de vento e rajadas de mais de 100 km/h. Para o
aerogerador em produção, e, em especial, para suas pás, isto significa um permanente estresse
de oscilação de cargas aerodinâmicas, e, em situações isoladas durante a vida útil, exposição a
cargas extremas.
A norma define várias classes de vento, de classe I a classe IV, listadas na Tabela
3.5, considerando rajadas de até 70m/s (ou 252km/h).
As pás precisam, assim, de resistência estrutural suficiente para suportar todas
estas possíveis cargas, com uma razoável margem de segurança. Isto se torna uma questão
fundamental pelas seguintes razões:
• O material, especialmente os compósitos de fibra e polímeros, sofre uma degradação
estrutural, em virtude da exposição diária à luz do sol durante sua vida útil média (20
88
anos). As frequências na faixa ultravioleta são as que mais aceleram o processo de
envelhecimento e provocam enfraquecimentos estruturais;
• Adicionalmente, vibrações no aerogerador, e especialmente na pá, geram forças que
causam estresses adicionais na estrutura; e
• Defeitos escondidos na estrutura da pá, como resultado de uma falha na fabricação,
podem acontecer.
Em casos de defeitos escondidos (não detectados visualmente), mesmo com a
resistência reduzida, a pá ainda precisa sustentar todas as cargas sem apresentar falhas ou
provocar acidentes. No controle de qualidade da pá, isto significa que um teste com cargas
nominais não é suficiente. Sendo assim, a padronização tem que considerar:
- Tolerância a danos e defeitos (do inglês, Damage tolerance);
- Tolerância a falha (do inglês, Fail safe); e
- Vida útil com segurança (do inglês, Safe live).
Para contemplar a margem de segurança devida, as cargas de teste devem
ultrapassar as cargas máximas nominais em certa percentagem. Na qualificação de asas de
aviões, por exemplo, a segurança da resistência mecânica à ruptura é 50% maior que as cargas
máximas possíveis.
Os aerogeradores não demandam uma margem de segurança tão elevada a fim de
compensar a redução da resistência (por conta das razões acima descritas), principalmente
porque as rajadas máximas, que representam o maior estresse possível para as pás,
hipoteticamente ocorrem isoladamente por não mais de 10 segundos em um período de 50
anos.
A abordagem da tolerância a danos e defeitos é a base para definir fatores de
segurança e deve se basear nos seguintes pontos:
- Descrição do desenvolvimento dos danos e defeitos;
- Metodologia de seleção da pá de teste (amostra deve ser representativa);
- Metodologia de transformação das cargas de operação em cargas de teste; e
- Ensaios de danos.
89
Uma estratégia seria realizar ensaios detalhados, com testes não-destrutivos,
entender o comportamento da estrutura danificada e compreender melhor o momento da
ocorrência dos danos e defeitos, determinando quando estes devem ser considerados críticos.
O procedimento seria carregar as pás, com as forças calculadas, sob forma de peso
ao longo do comprimento delas, carregando cada seção com o peso referente. Isto seria um
processo paulatino, realizado em várias etapas, começando com cargas menores e
aumentando-as, até chegar à carga máxima nominal.
Cada etapa seria concluída com um teste visual da pá, a fim de identificar as
possíveis mudanças que sejam visualmente perceptíveis na estrutura, que poderiam sinalizar
falhas estruturais. Em caso de suspeita de danos, outro ensaio deveria ser executado, para
confirmar a presença desta falha e identificar suas características. Se a pá falha neste
momento, em uma etapa inicial, é, logicamente, desnecessário continuar o processo de
carregamento.
Após alcançar a carga máxima nominal, as cargas ainda devem ser aumentadas,
ainda por etapas, até chegar ao valor correspondente à carga máxima mais a percentagem de
segurança. Ressalta-se, no entanto, que as cargas precisam ser realísticas. Cargas exageradas
podem provocar danos e defeitos que não correspondem à realidade.
O guia de certificação para aerogeradores (Guideline for the Certification of Wind
Turbines, Germanischer Lloyd Edition 2010) recomenda fatores para aerogeradores de
pequeno porte entre 1,1 e 1,35 por envelhecimento e degradação do material por condições
ambientais, umidade, corrosão, radiação ultravioleta e temperaturas elevadas.
Levando em consideração que, no início do teste com a pá em fibra de juta, não
está bem definido o valor-base para o fator de segurança, neste estudo de qualificação
estrutural das pás foram tomados fatores de segurança 35% (fator de 1,35), para o caso de
cargas aerodinâmicas na operação nominal, e de 10% (fator de 1,1), para as rajadas máximas
que, por definição, acontecem isoladamente em períodos de 50 anos por não mais de 10
segundos.
Durante o teste, é necessário definir os pontos de aplicação das forças e os pontos
de medição de deflexão na pá. A aplicação de forças que simulam as cargas aerodinâmicas
acontece nos centros das seções A1 a A5, como ilustrado na Figura 3.34.
90
Figura 3.34: Pontos de aplicação da forças gravitacionais na pá de teste
nos centros das seções 1 – 5
Já para a medição de deflexão, escolhem-se pontos entre as seções e na ponta da
pá (Figura 3.35).
Figura 3.35: Pontos 1 a 4 de medição de deflexão na pá de teste
A aplicação das forças gravitacionais na pá de teste e a medição da deflexão
acontecem na mesma configuração (Figura 3.36).
91
Figura 3.36: Posições de carga e de medição de deflexão durante teste
A configuração de teste apresenta os seguintes componentes (Figura 3.37):
• 1 unidade de dispositivo de teste para fixação e carregamento da pá;
• 2 unidades de Apoio para dispositivo de teste;
• 1 unidade de Balança TCM 230635;
• 5 unidades de fixação de carga;
• 5 unidades de depósitos de carga de água, utilizados como peso variável;
• Travessas para medição de deflexão; e
• 1 trena da marca Jomarca, de 3m com 16mm e divisão da escala em mm.
Figura 3.37: Configuração de teste
Pontos de Aplicação das Forças Gravitacionais
Pontos de Medição da Deflexão
92
A balança usada para medir os pesos gravitacionais de água foi a balança digital
TCM 230635 de Tchibo GmbH Hamburgo, Alemanha, cujas características técnicas são as
seguintes:
Peso máximo: 5.000 g
Divisão: 1g
Precisão da leitura:
Massa padrão 500 g - leitura 499 g (-1g)
Massa padrão 1000 g - leitura 999 g (-1g)
Massa padrão 2000 g - leitura 1998 g (-2g)
Massa padrão 3000 g - leitura 2997 g (-3g)
Massa padrão 4000 g - leitura 3997 g (-3g)
Massa padrão 5000 g - leitura 4996 g (-4g)
A geração das forças é feita através de forças gravitacionais de massa de água,
ilustrada na Figura 3.34. Para isto, usam-se depósitos em forma de baldes, que permitem o
ajuste da massa dentro de uma tolerância máxima de +4g.
As forças para simulação de cargas operacionais nominais com 650 rpm e uma
velocidade de vento de 12 m/s estão relacionadas na Tabela 3.11. Como definido na Filosofia
de qualificação, aplicam-se as cargas até 35% acima das cargas nominais calculadas. No
início, carrega-se com 50% e 80% (fator de 0,5 e 0,8) das cargas nominais e, em seguida,
aumenta-se para 100%, 110% e assim por diante, até se chegar a 135% (fator de 1,35). Ver
Tabelas 3.17 e 3.18 em seguida.
Tabela 3.17: Cargas operacionais nominais com 650 rpm e uma velocidade de vento de 12 m/s
em N para as seções A1 a A5
Seção A1 A2 A3 A4 A5 Total
Fator (N) (N) (N) (N) (N) (N)
1,35 1,90 6,06 26,57 30,23 25,89 90,66
1,3 1,83 5,84 25,59 29,11 24,94 87,30
1,2 1,69 5,39 23,62 26,87 23,02 80,59
1,0 (Nominal) 1,41 4,49 19,68 22,40 19,18 67,16
0,8 1,13 3,59 15,75 17,92 15,34 53,73
0,5 0,70 2,25 9,84 11,20 9,59 33,58
93
O equivalente em massas que geram as forças determinadas é calculado através da
equação de Newton:
F = m.g
onde:
F = força em N (kg.m / s2);
g = gravitação terrestre (9,81 m/s2); e
m = massa em kg.
Os resultados da transformação das forças da Tabela 3.17 em massas que geram as forças
equivalentes estão na Tabela 3.18.
Tabela: 3.18: Cargas operacionais nominais com 650 rpm e uma velocidade de vento de 12
m/s em equivalentes em kg de peso para as seções A1 a A5
Seção A1 A2 A3 A4 A5 Total
Fator kg kg kg kg kg kg
1,35 0,19 0,62 2,71 3,08 2,64 9,24
1,3 0,19 0,60 2,61 2,97 2,54 8,90
1,2 0,17 0,55 2,41 2,74 2,35 8,21
1,0 (Nominal) 0,14 0,46 2,01 2,28 1,96 6,85
0,8 0,11 0,37 1,61 1,83 1,56 5,48
0,5 0,07 0,23 1,00 1,14 0,98 3,42
As cargas provocadas pelas rajadas relacionadas às classes de vento I a IV estão
na Tabela 3.19. Como definido na Filosofia de qualificação, aplicam-se as forças até 10%
acima das forças calculadas. No início, carrega-se a pá a 100% e se prossegue, até chegar a
110% (fator de 1,1).
94
Tabela 3.19: Cargas causadas pelas rajadas conforme as classes de vento I a IV
Seção A1 A2 A3 A4 A5 Total
fator N N N N N N
Classe I fator 1,1 27,96 61,73 147,08 98,05 59,92 394,75
Classe I nominal 25,42 56,12 133,71 89,14 54,47 358,86
Classe II fator 1,1 20,21 44,61 106,26 70,84 43,30 285,21
Classe II nominal 18,37 40,55 96,60 64,40 39,36 259,28
Classe III fator 1,1 15,73 34,73 82,73 55,15 33,70 222,05
Classe III nominal 14,30 31,57 75,21 50,14 30,64 201,86
Classe IV fator 1,1 10,07 22,22 52,94 35,30 21,57 142,10
Classe IV nominal 9,15 20,20 48,13 32,09 19,61 129,18
Os resultados da transformação das forcas da Tabela 3.19 em massas que geram as
forças equivalentes estão na Tabela 3.20.
Tabela 3.20: Cargas causadas pelas rajadas conforme as classes de vento I a IV em
equivalentes em kg de peso para as seções A1 a A5
Seção A1 A2 A3 A4 A5 Total
fator kg kg kg kg kg kg
Classe I fator 1,1 2,85 6,29 14,99 9,99 6,11 40,24
Classe I nominal 2,59 5,72 13,63 9,09 5,55 36,58
Classe II fator 1,1 2,06 4,55 10,83 7,22 4,41 29,07
Classe II nominal 1,87 4,13 9,85 6,56 4,01 26,43
Classe III fator 1,1 1,60 3,54 8,43 5,62 3,44 22,63
Classe III nominal 1,46 3,22 7,67 5,11 3,12 20,58
Classe IV fator 1,1 1,03 2,27 5,40 3,60 2,20 14,49
Classe IV nominal 0,93 2,06 4,91 3,27 2,00 13,17
95
3.8. Teste
Nos testes, quatro pás diferentes foram testadas. A pá de referência adotada era
uma peça comercial, confeccionada exclusivamente em fibra de vidro. Nas três pás de teste,
na confecção foi usado o processo de laminação da fibra de juta em combinações diversas. O
aspecto externo delas pode ser visto na Figura 3.38, a seguir:
Figura 3.38: A pá comercial de referência e as três pás de teste
A distinção entre as quatro pás está, principalmente, no material das lâminas e na
orientação de fibras do compósito da estrutura. As características gerais estão na Tabela 3.21.
Tabela 3.21: Características dos 4 tipos de pás testadas
No processo de laminação usado na confecção das pás, a disposição das fibras
para os três tipos foram: (a) Fibra linear contínua, disposta no sentido longitudinal da peça;
(b) Disposição cruzada, com fibras contínuas alinhadas, em forma de tecido; e (c) Manta de
Pás de teste Pá
comercial Características 1 2 3 4
Cor Amarelo Vermelho Verde Azul Fotos e características detalhados Anexo 6 Anexo 7 Anexo 8 Anexo 9 Matriz Poliéster Poliéster Poliéster ? 1. Tipo de Fibra - Camada Externa Juta Juta Juta Vidro
Orientação das fibras Tecido Tecido Tecido Alinhadas 2. Tipo de Fibra- Camada Interna Juta Vidro Vidro Vidro
Orientação das fibras Tecido Tecido Manta ? Peso 1.547 g 1.466 g 1.584 g 1.652 g Centro de Gravidade (da ponta) 38,5 cm 35,5 cm 36,5 cm 36 cm
96
fibras descontínuas e aleatoriamente orientadas (Ver Figura 3.39).
Figura 3.39: Fotografia mostrando os arranjos: (a) linear contínuo, no sentido longitudinal; (b) cruzado, com fibras contínuas alinhadas, em forma de tecido; e (c) em manta, com fibras
descontínuas e aleatoriamente orientadas
As simulações de carga com a pá de teste 1, confecionada com duas lâminas de
tecido de juta, com as cargas operacionais nominais (650 rpm e uma velocidade de vento de
12 m/s), deram os resultados de deflexão, de checagem visual e de tap test listados na Tabela
3.22.
Tabela 3.22: Resultado de deflexão com pá de teste 1, de teste visual, e de tap test do teste
com carga nominal até 135%
Fator Deflexão Cheque
Visual
Tap
test
Tempo
(min) P1* (cm) P2* (cm) P3* (cm) P4 (cm)
0 (antes) 17,5 14,8 19 18,2 20,4 20,2 22,5
0,5 17,2 14,7 18,1 17,5 18,6 18,4 19,3 OK OK 15
0,8 16,8 14,3 17,4 16,7 17,2 17 16,7 OK OK 15
1,0 (nominal) 16,5 14 16,8 16,1 16 15,7 14,8 OK OK 15
1,2 16,2 13,8 16,1 15,4 14,7 14,4 12,8 OK OK 15
1,3 16,2 13,7 15,8 15,1 14,1 13,9 11,9 OK OK 15
1,35 16,1 13,6 15,6 14,9 13,8 13,7 11,2 OK OK 15
0 (depois) 22,5 *Primeiro valor medida na borda de ataque, segundo valor na borda de fuga.
A Figura 3.40 mostra a deflexão da pá de teste 1 durante os carregamentos de
50%, 135% e o nominal, durante os testes. A carga máxima de 135% foi aplicada por 15
minutos. O teste visual e o tap teste não deram nenhum sinal de falha da estrutura.
97
Figura 3.40: Deflexão da pá de teste 1 durante carregamento nominal de 0%,
100% (nominal) e 135%
Os resultados de simulação de carga máxima de rajada, conforme as classes de
vento I a IV, com a pá confecionada com duas lâminas de tecido de juta com as cargas
operacionais nominais (650 rpm e uma velocidade de vento de 12 m/s), deram os resultados
de deflexão, de checagem visual e de tap teste exibidos na Tabela 3.23.
98
Tabela 3.23: Resultado de deflexão com pá de teste 1, de teste visual, e de tap teste com as
cargas de rajada designadas para as classes de vento I a IV mais 10%
Fator Deflexão Cheque
Visual
Tap
test
Tempo
(min)
P1* (cm) P2* (cm) P3* (cm) P4 (cm) 0 (depois) 23,5
1,1 16 13 13,1 12,2 6,5 6,2 -2,3 OK OK 15
Classe I 16 13 13,8 12,8 7,8 7,3 0 OK OK 15
1,1 16,8 13,7 15,6 14,5 11,8 11,2 6,3 OK OK 15
Classe II 17 13,8 16,1 15 12,9 12,3 8,3 OK OK 15
1,1 17,2 13,9 16,6 15,5 14,2 13,7 10,8 OK OK 15
Classe III 17,3 14 17 15,8 15 14,4 12,2 OK OK 15
1,1 17,5 14,1 17,8 16,7 17 16,4 15,5 OK OK 15
Classe IV 17,8 14,2 17,9 16,4 17,2 16,7 15,8 OK OK 15
0 (antes) 18,6 15,2 20,5 19,2 22,5 21,9 25
* Valor da 1ª coluna medido na borda de ataque; Valor na 2ª, na borda de fuga.
A Figura 3.41 mostra a deflexão da pá de teste 1 sem carga e durante
carregamento 110% de classe de vento I (a carga mais pesada de todos os testes). A carga
máxima de 110% da classe de vento I foi aplicada por 15 minutos. O teste visual e o tap teste
não deram quaisquer sinais de falha da estrutura. Não ocorreu delaminação, descolamento das
junções, rompimento a longo das fibras, trincas no gelcoat (matriz de poliéster adicionada das
cargas) ou descolamento da superfície. A deflexão da ponta da pá foi de mais de 25cm.
99
Figura 3.41: Flexão da pá de teste 1 sem carga e com carga máxima de 110%,
conforme classe de vento I
Todas as pás de teste se qualificaram para a operação nominal, sendo capazes de
sustentar as cargas nominais acrescidas do coeficiente de segurança (35% sobre as cargas
calculadas). Resultados na Tabela 3.23.
Nas cargas geradas pelas rajadas das classes de vento II a IV, todas as pás de teste
se qualificaram, com uma margem de segurança de 10%. Para as rajadas de classe de vento I,
somente as pás de teste 1 e 3 se qualificaram. A pá de teste 2 quebrou na junção entre as duas
faces e abriu na borda de fuga (descolamento da junção) (ver Figura 3.42), o que determinou
sua não qualificação para operação na classe de vento I (ver Tabela 3.23).
100
Figura 3.42: Descolamento da junção na pá de teste 2, após o carregamento nominal
da classe de vento I
A deflexão aferida mostrou que as pás em fibra vegetal de juta são mais flexíveis
que as confeccionadas em fibra de vidro e que a distribuição das cargas – que na operação são
diferentes daquelas nas rajadas –, revela claramente as diferenças entre os processos
laminação usados nas pás de teste e na pá original (comercial) (Tabela 3.23).
Figura 3.43: Pá comercial exclusivamente em fibra de vidro (cima) e pá de teste exclusivamente em fibra de juta (baixo), com as mesmas cargas máximas de classe de vento I
Comparando esta pá de teste reforçada exclusivamente com fibra de juta com a pá
comercial (em fibra de vidro), observam-se, sobretudo, uma maior flexibilidade da pá
101
confeccionada exclusivamente em juta (ver Figura 3.41).
Tabela 3.24: Resultados da qualificação das pás de teste 1 a 3, e da pá comercial
Conforme se observa na Tabela 3.24 acima, o carregamento aplicado pelo período
de teste (15 minutos) em classe de vento I, causou uma deformação permanente em todas as
pás, inclusive na pá 4 (comercial). Importante ressaltar que a guia de certificação para
aerogeradores considerada neste trabalho, a Guideline for the Certification of Wind Turbines,
Germanischer Lloyd Edition 2010, exige carregamento por um período mínimo de 10
segundos, mas, por razões operacionais e a fim de monitorar todos os dados de deflexão, foi
necessário manter a carga por 15 minutos.
Características Pás de teste Pá comercial
1 2 3 4
Cor Amarelo Vermelho Verde Azul
Operação nominal
Deflexão máxima da ponta da pá 11,3cm 8,9cm 7,2cm 7,8cm
Deformação permanente na ponta 0cm 0cm 0cm 0cm
Qualificada ou não qualificada sim sim sim sim
Classe de vento IV
Qualificada ou não qualificada sim sim sim sim
Classe de vento III
Qualificada ou não qualificada sim sim sim sim
Classe de vento II
Qualificada ou não qualificada sim sim sim sim
Classe de vento I
Deflexão máxima da ponta da pá 28,2cm fratura 24,8cm 18,2cm
Deformação permanente na ponta 1,5cm -- 1,0cm 1,0cm
Qualificada ou não qualificada sim Não! sim sim
Fotos e resultados detalhados Anexo 6 Anexo 7 Anexo 8 Anexo 9
102
4. Conclusão
Todas as quatro pás testadas (três pás de teste confeccionadas para a presente
pesquisa e uma pá comercial) sustentaram 135% das cargas operacionais nominais calculadas,
o que equivalia a uma força total de 90,66N, sem nenhum sinal de falha estrutural e, após o
carregamento, retornaram à posição anterior (condição inicial, de não aplicação de cargas).
Desta forma, ficou comprovado que o material compósito sustenta as cargas com uma
margem de segurança de 35%. Isto corresponde às cargas nominais acrescidas da margem de
segurança (35% acima das cargas calculadas).
Além das cargas nominais, as pás foram testadas com as cargas que as rajadas
mais fortes de vento das classes de I a IV (definidas pela norma IEC 61400-1) podem causar.
Segundo ela, em um período de 50 anos, estas rajadas acontecem ocasionalmente por apenas
10 segundos.
Os testes realizados apresentaram resultados distintos para os quatro tipos de pás
testados.
A. Pá de teste 1 – com laminação exclusivamente em fibra de juta
A pá sustentou todas as cargas de rajadas calculadas de classe de vento I a IV, por
um período de 15 minutos, com uma margem de segurança de 10%, o que equivale a uma
força total máxima de 394,75N, sem nenhum sinal de falha estrutural. Após o carregamento, a
pá de teste 1 voltou para uma posição inferior à de antes do carregamento (a posição zero
inicial), resultando numa ligeira deformação permanente, aferida na ponta da pá em 1,5cm.
A deformação não é considerada falha que desqualifique a pá para essa classe de
vento, já que o tempo de carregamento no teste é de 15 minutos, excessivamente prolongado,
portanto, se comparado com os 10 segundos exigidos pela guia de certificação de
aerogeradores (Guideline for the Certification of Wind Turbines, Germanischer Lloyd, 2010).
Este tempo demasiadamente prolongado permite um deslizamento interno do polímero, o que,
num período de 10 segundos, certamente não aconteceria.
B. Pá de teste 2 – com laminação em fibra de juta e tecido de vidro
A pá sustentou todas as cargas de rajadas calculadas somente para as classes de
vento II a IV, por um período de 15 minutos, com uma margem de segurança de 10%, o que
equivale a uma força total máxima de 285,21N, sem nenhum sinal de falha estrutural. Não
103
sustentou, no entanto, a carga de rajada calculada de classe de vento I (equivalente a uma
força total máxima de 394,75N) e fraturou durante esse carregamento.
C. Pá de teste 3 – com laminação em fibra de juta e manta de vidro
A pá sustentou todas as cargas de rajadas calculadas de classe de vento I a IV, por
um período de 15 minutos, com uma margem de segurança de 10%, o que equivale a uma
força total máxima de 394,75N. O tap teste mostrou uma leve mudança de som em várias
regiões da pá, mas sem nenhum sinal visível de falha estrutural.
Após o carregamento, a pá voltou para uma posição diferente da assumida antes
do carregamento (o zero inicial), resultando numa ligeira deformação permanente, aferida na
ponta da pá em 1,0cm.
Tal como para a pá de teste 1, a deformação aqui não é considerada falha que
desqualifica a pá para essa classe de vento, pelas mesmas razões: o tempo de carregamento é
excessivamente prolongado e dá margem ao deslizamento interno do polímero.
D. Pá comercial – com laminação exclusivamente em fibra de vidro
A pá comercial sustentou todas as cargas de rajadas calculadas de classe de vento
I a IV, por um período de 15 minutos, com uma margem de segurança de 10%, o que equivale
a uma força total máxima de 394,75N, sem nenhum sinal de falha estrutural, e, tal como as
demais, após o carregamento, voltou para uma posição inferior à de antes do carregamento (o
zero inicial), resultando numa ligeira deformação permanente equivalente a 1,0cm, aferida na
ponta da pá.
A deformação de 1,0cm, aferida na pá comercial, não é considerada falha já que o
tempo de carregamento foi excessivamente prolongado quando comparado com os 10
segundos requisitados pela guia de certificação. Ensaios com a mesma carga e com outra pá
de mesmo tipo, mas com tempo de carregamento mais curto (de 5 minutos) resultaram em
deformação menor que 0,5cm (ver Anexo 8).
Comparando a pá de teste reforçada exclusivamente com fibra de juta, com a pá
comercial em fibra de vidro, observam-se diferenças na elasticidade: enquanto na ponta da pá
em fibra de vidro a flexão aferida foi de 18,2cm, na pá reforçada em fibra de juta foi de
28,2cm. A flexibilidade da pá reforçada exclusivamente em fibra de juta chegou a um ponto
tal que obriga considerar esta flexibilidade nos projetos do aerogerador, para evitar o perigo
de um impacto da pá com a torre por causa da alta flexão.
104
Resultados
A pá de teste 1, com laminação exclusivamente em fibra de juta, está qualificada
para operar em todas as classes de vento (de I a IV).
A pá de teste 2, com laminação em fibra de juta e tecido de vidro, está qualificada
para operar somente nas classes de vento de II a IV.
A pá de teste 3, com laminação em fibra de juta e manta de vidro, tal como a pá
de teste 1, está qualificada para operar em todas as classes de vento (de I a IV).
Sugestões para trabalhos futuros
Para futuras pesquisas, é interessante testar se a alta flexibilidade da pá em fibra
de juta tem alguma influência negativa no desempenho aerodinâmico da pá.
Para a detecção de defeitos não-visíveis, é conveniente desenvolver e aplicar
métodos não-destrutivos de controle estrutural, com o intuito de detectar danos internos
invisíveis a olho nu. Sugerem-se, para tanto, os ensaios não-destrutivos de termografia e
ultrassonografia.
Além disso, é necessário avaliar a característica do comportamento vibratório das
pás reforçadas com fibra de juta, já que as vibrações das pás em sua frequência natural podem
ser extremamente danosas à estrutura do aerogerador.
Igualmente necessário é avaliar a resistência dos compósitos com fibra de juta às
influências ambientais que a pá experimenta durante a vida útil de operação (20 anos), tais
como a radiação ultravioleta, a umidade do ambiente e as temperaturas de congelamento
(abaixo de -5ºC).
105
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111
ANEXO 1 Perfil aerodinâmico da pá da pá seção 1 Nomeação do perfil = MH 102 Numero Reynolds = 50.0000
Ângulo de ataque
α
Coeficiente de sustentação
Coeficiente de arraste
-3,00
-2,00
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
17,00
-0,33
-0,22
-0,00
0,22
0,43
0,64
0,85
1,04
1,14
1,22
1,28
1,30
0,0111
0,0107
0,0105
0,0107
0,0108
0,0104
0,0112
0,0136
0,0169
0,0212
0,0269
0,0304
(Fonte: site: http://www.mh-aerotools.de/airfoils/mh102koo.htm)
Comprimentos e ângulo de passe do MH 102 seção 1
112
ANEXO 2
Perfil aerodinâmico da pá da pá seção 2 Nomeação do perfil = MH 104 Numero Reynolds = 50.0000
Angulo de ataque
α
Coeficiente de sustentação
Coeficiente de arraste
-4,00
-2,00
-1,00
0,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
10,00
12,00
14,00
-0,44
-0,22
-0,11
0,00
0,22
0,33
0,44
0,54
0,64
0,74
0,83
0,92
0,98
1,04
0,0130
0,0102
0,0098
0,0094
0,0083
0,0084
0,0086
0,0090
0,0096
0,0101
0,0109
0,0144
0,0206
0,0294
(Fonte: site: http://www.mh-aerotools.de/airfoils/mh104koo.htm)
Comprimentos e ângulo de passe do MH 104 seção 2
113
ANEXO 3
Perfil aerodinâmico da pá seção 3 Nomeação do perfil = MH 106 Numero Reynolds = 50.0000
Angulo de ataque
α
Coeficiente de sustentação
Coeficiente de arraste
-4,00
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
-0,44
-0,22
-0,11
0,00
0,11
0,22
0,33
0,44
0,55
0,66
0,76
0,83
0,84
0,83
0,0104
0,0096
0,0093
0,0084
0,0081
0,0080
0,0081
0,0084
0,0088
0,0094
0,0108
0,0137
0,0161
0,0192
(Fonte: site: http://www.mh-aerotools.de/airfoils/mh106koo.htm)
Comprimentos e ângulo de passe do MH 106 seção 3
114
ANEXO 4
Perfil aerodinâmico da pá seção 4 Nomeação do perfil = MH 108 Numero Reynolds = 50.0000
Angulo de ataque
α
Coeficiente de sustentação
Coeficiente de arraste
-4,00
-3,00
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
4,00
5,50
6,00
6,50
8,00
10,00
-0,44
-0,33
-0,22
-0,11
0,00
0,11
0,22
0,44
0,60
0,66
0,71
0,86
0,82
0,0109
0,0100
0,0092
0,0082
0,0081
0,0081
0,0082
0,0088
0,0096
0,0099
0,0103
0.0130
0.0190
(Fonte: site: http://www.mh-aerotools.de/airfoils/mh108koo.htm)
Comprimentos e ângulo de passe do MH 108 seção 4
115
ANEXO 5
Perfil aerodinâmico da pá seção 5 Nomeação do perfil = MH 110 Numero Reynolds = 50.0000
Angulo de ataque
α
Coeficiente de sustentação
Coeficiente de arraste
-4,00
-3,00
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
4,00
5,50
6,00
6,50
7,00
8,00
9,00
-0,44
-0,33
-0,22
-0,11
0,00
0,11
0,22
0,44
0,61
0,66
0,71
0,74
0,73
0,74
0,0113
0,0078
0,0074
0,0074
0,0075
0,0079
0,0082
0,0090
0,0097
0,0101
0,0104
0,0139
0,0154
0,0173
(Fonte: site: http://www.mh-aerotools.de/airfoils/mh110koo.htm)
Comprimentos e ângulo de passe do MH 110 seção 5
116
ANEXO 6
Documentação fotográfica e dos resultados detalhados de testes com a pá de teste 1
Cor: amarelo
Matriz: poliéster
1.. Camada tipo de fibra (fora): Juta
Orientação das fibras: Tecido
2.. Camada tipo de fibra (dentro): Juta
Orientação das fibras: Tecido
Peso: 1547 g
Centro de Gravidade (da ponta da pá): 38,5 cm
Foto: A pá de teste sem carga e com carga nominal + 35%
Foto: A pá de teste sem carga e com carga máxima de classe de vento I + 10%
117
Tabela: Valores de deflexão com carga nominal de 0 a 135%
Deflexão Fator P1* P2* P3* P4 Cheque Tap Tempo
(cm) (cm) (cm) (cm) Visual teste (min) 0 17,5 14,8 19 18,2 20,4 20,2 22,5
0,5 17,2 14,7 18,1 17,5 18,6 18,4 19,3 OK OK 15 0,8 16,8 14,3 17,4 16,7 17,2 17 16,7 OK OK 15 1 16,5 14 16,8 16,1 16 15,7 14,8 OK OK 15
1,2 16,2 13,8 16,1 15,4 14,7 14,4 12,8 OK OK 15 1,3 16,2 13,7 15,8 15,1 14,1 13,9 11,9 OK OK 15 1,35 16,1 13,6 15,6 14,9 13,8 13,7 11,2 OK OK 15
0 depois 22,5
* Valor da 1ª coluna medido na borda de ataque; Valor na 2ª, na borda de fuga.
Tabela: Valores de deflexão sem carga e com carga máxima de classe de vento I + 10%
* Valor da 1ª coluna medido na borda de ataque; Valor na 2ª, na borda de fuga.
Deflexão Fator P1* P2* P3* P4 Cheque Tap Tempo
(cm) (cm) (cm) (cm) Visual teste (min) 1,1 16 13 13,1 12,2 6,5 6,2 -2,3 OK OK 15
Classe I 16 13 13,8 12,8 7,8 7,3 0 OK OK 15 1,1 16,8 13,7 15,6 14,5 11,8 11,2 6,3 OK OK 15
Classe II 17 13,8 16,1 15 12,9 12,3 8,3 OK OK 15 1,1 17,2 13,9 16,6 15,5 14,2 13,7 10,8 OK OK 15
Class III 17,3 14 17 15,8 15 14,4 12,2 OK OK 15 1,1 17,5 14,1 17,8 16,7 17 16,4 15,5 OK OK 15
Class IV 17,8 14,2 17,9 16,4 17,2 16,7 15,8 OK OK 15 0 18,6 15,2 20,5 19,2 12,5 11,9 25
0 depois 23,5
118
Foto: A pá de teste 1
Foto: A pá de teste 1 orientação das fibras, em tecido de juta
119
ANEXO 7
Documentação fotográfica e dos resultados detalhados de testes com a pá de teste 2
Cor: vermelho
Matriz: poliéster
1. Camada tipo de fibra (fora): Juta
Orientação das fibras: Tecido
2. Camada tipo de fibra (dentro): Vidro
Orientação das fibras: Tecido
Peso: 1466 g
Centro de Gravidade (da ponta): 35,5 cm
Foto: A pá de teste 2 sem carga e com carga nominal + 35%
Foto: A pá de teste 2 sem carga e com carga máxima de classe de vento I + 10%
120
Tabela: Valores de deflexão da pá de teste 2 com carga nominal de 0 a 135%
* Valor da 1ª coluna medido na borda de ataque; Valor na 2ª, na borda de fuga.
Tabela: Valores de deflexão da pá de teste 2 sem carga e com carga máxima de classe de vento I + 10%
* Valor da 1ª coluna medido na borda de ataque; Valor na 2ª, na borda de fuga.
Deflexão Fator P1* P2* P3* P4 Cheque Tap Tempo
(cm) (cm) (cm) (cm) Visual teste (min) 0 18,2 15,3 20,1 19,5 22,2 22 24,6 OK OK 15
0,5 17,8 14,9 19,1 18,5 20 20 21,1 OK OK 15 0,8 17,5 14,7 18,5 17,8 18,9 18,7 19,2 OK OK 15 1 17,4 14,5 18,2 17,5 18,3 18 18 OK OK 15
1,2 17,3 14,4 17,7 17 17,2 17 16,5 OK OK 15 1,3 17,2 14,3 17,5 16,9 16,9 16,7 16 OK OK 15 1,35 17,1 14,2 17,4 16,8 16,6 16,4 15,7 OK OK 15
0 depois 24,6
Deflexão Fator P1* P2* P3* P4 Cheque Tap Tempo
(cm) (cm) (cm) (cm) Visual teste (min) 1,1
Classe I 17 13,5 15,5 14,3 11 10,6 5,2 Fratura 1,1 17,2 13,7 16,6 15,5 13,6 13,1 9,6 OK OK 15
Classe II 17,4 13,8 16,8 15,8 14,5 13,9 11,1 OK OK 15 1,1 17,5 14 17,4 16,3 15,5 15 13,1 OK OK 15
Class III 17,7 14,1 17,7 16,7 16,5 15,9 14,7 OK OK 15 1,1 17,8 14,3 18,5 17,3 18,1 17,6 17,4 OK OK 15
Class IV 17,9 14,3 18,8 17,7 18,5 17,9 18,2 OK OK 15 0 18,8 15 20,9 19,6 23,1 22,6 25,8 OK OK 15
0 depois 24,5
121
Foto: A pá de teste 2 com fratura de descolamento da junção na pá no carregamento nominal de classe de vento I
Foto: A pá de teste 2
Foto: A pá de teste 2 orientação das fibras, tecido de juta por fora
122
ANEXO 8 Documentação fotográfica e os resultados detalhados de testes com a pá de teste 3
Cor: verde
Matriz : poliéster
1. Camada tipo de fibra (fora): Juta
Orientação das fibras: Tecido
2. Camada tipo de fibra (dentro): Vidro
Orientação das fibras: Manta
Peso: 1584 g
Centro de Gravidade (da ponta): 36,5 cm
Foto: A pá de teste 3 sem carga e com carga nominal + 35%
Foto: A pá de teste 3 sem carga e com carga máxima de classe de vento I + 10%
123
Tabela: Valores de deflexão da pá de teste 3 com carga nominal de 0 a 135%
* Valor da 1ª coluna medido na borda de ataque; Valor na 2ª, na borda de fuga.
Tabela: Valores de deflexão da pá de teste 3 sem carga e com carga máxima de classe de vento I + 10%
Deflexão Fator P1* P2* P3* P4 Cheque Tap Tempo
(cm) (cm) (cm) (cm) Visual teste (min)
1,1 12,5 9,8 10,0 9,2 4,9 4,6 -1,4 OK CI1,1.1 15
Classe I 12,8 10,1 10,8 9,9 6,3 6,0 0,8 OK CI1, CI2 15
1,1 13,4 10,4 11,8 11,0 8,5 8,1 4,1 OK OK 15
Classe II 13,6 10,7 12,5 11,6 9,8 9,4 6,2 OK OK 15
1,1 13,9 11,0 13,4 12,4 11,5 11,1 9,0 OK OK 15
Class III 14,3 11,2 13,9 13,0 12,5 12,1 10,7 OK OK 15
1,1 14,7 11,6 15,3 14,3 15,1 14,7 14,8 OK OK 15
Class IV 14,9 11,8 15,6 16,6 15,7 15,3 15,8 OK OK 15
0 16,0 12,7 18,2 17,0 20,5 20,0 23,4
0 depois 22,4
Deflexão Fator P1* P2* P3* P4 Cheque Tap Tempo
(cm) (cm) (cm) (cm) Visual teste (min) 0 16,0 12,7 18,2 17,0 20,5 20,0 23,4
0,5 16,0 12,6 17,7 16,6 19,4 18,9 21,6 OK OK 15
0,8 15,7 12,4 17,2 16,0 18,3 17,8 19,7 OK OK 15
1,0 15,5 12,4 16,7 15,7 17,5 17,0 18,7 OK OK 15
1,2 15,2 12,0 16,3 15,3 16,5 16,1 16,3 OK OK 15
1,3 15,1 11,9 16,1 15,0 16,1 15,6 16,2 OK OK 15
1,35 15,0 11,9 15,9 14,9 16,1 15,6 16,2 OK OK 120
0 depois 23,4
124
Tabela: Carregamento experimental com tempo reduzido de 5 minutos
* Valor da 1ª coluna medido na borda de ataque; Valor na 2ª, na borda de fuga.
Foto: A pá de teste 3
Foto: A pá de teste 3 com a orientação das fibras, tecido de juta por fora
Deflexão Fator P1* P2* P3* P4 Cheque Tap Tempo
(cm) (cm) (cm) (cm) Visual teste (min)
0 18,5 14,4 20,2 18,6 21,8 21,0 24,2
Classe I + 10%
16,6 13,0 14,4 12,9 9,2 8,6 2,5 OK OK 5
0 depois 18,4 14,4 20,2 18,5 21,6 20,8 23,7
125
Foto: Áreas da pá de teste 1 com possíveis irregularidades na estrutura da pá detectados com
Tap Test
126
ANEXO 9
Documentação fotográfica e os resultados detalhados de testes com a pá 4, comercial
Cor: azul
Matriz: ?
1. Camada tipo de fibra (fora): Vidro
Orientação das fibras: alinhadas longitudinal
2. Camada tipo de fibra (dentro): Vidro
Orientação das fibras: ?
Peso: 1652 g
Centro de Gravidade (da ponta): 36 cm
Foto: A pá 4 comercial sem carga e com carga nominal + 35%
Foto: A pá 4 comercial sem carga e com carga máxima de classe de vento I + 10%
127
Tabela: Valores de deflexão da pá 4 comercial com carga nominal de 0 a 135%
Deflexão Fator P1* P2* P3* P4 Cheque Tap Tempo
(cm) (cm) (cm) (cm) Visual teste (min) 0 17,8 15,8 20 20,2 22,5 22,4 25,8
0,5 17,5 15,8 19,4 19,5 20,8 21 23 OK OK 15 0,8 17,4 15,7 18,9 19,1 20 19,6 21,5 OK OK 15 1 17,2 15,6 18,6 19 19,5 19,5 20,6 OK OK 15
1,2 17,2 15,5 18,2 18,4 18,4 18,7 19 OK OK 15 1,3 17,1 15,4 18,1 18,3 18,1 18,3 18,5 OK OK 15 1,35 17,1 15,4 18 18,2 17,9 18,1 18 OK OK 15
0 depois Depois 25,8 * Valor da 1ª coluna medido na borda de ataque; Valor na 2ª, na borda de fuga.
Tabela: Valores de deflexão da pá 4 comercial sem carga e com carga máxima de classe de vento I + 10%
* Valor da 1ª coluna medido na borda de ataque; Valor na 2ª, na borda de fuga.
Deflexão Fator P1* P2* P3* P4 Cheque Tap Tempo
(cm) (cm) (cm) (cm) Visual teste (min) 1,1 19 17 17 16,4 12,6 12,4 6,8 OK OK 15
Classe I 19 17 17,5 16,8 13,5 13,2 8,3 OK OK 15 1,1 19,5 17,4 18,7 18 16,2 15,8 12,5 OK OK 15
Classe II 19,6 17,5 19 18,3 16,9 16,5 13,8 OK OK 15 1,1 19,8 17,6 19,4 18,6 17,8 17,4 15,5 OK OK 15
Class III 19,8 17,6 19,6 18,8 18,3 17,9 16,4 OK OK 15 1,1 20 17,7 20,2 19,4 19,6 19,2 18,6 OK OK 15
Class IV 20,2 17,8 20,2 19,2 19,8 19,4 18,8 OK OK 15 0 20,7 18,4 22 21,1 16,6 16,2 25 OK OK 15
0 depois 24
128
Foto: A pá 4 comercial
Foto: A pá 4 comercial com a orientação das fibras de vidro em forma alinhadas
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