Universidade Federal de Santa Maria
Ci. e nat., Santa Maria, V. 42, Special Edition, e33, 2020
DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X40635
Received: 10/10/2019 Accepted: 10/10/2019
Special Edition
Análise da Potência Mecânica de Rotores de Savonius de Mesma Razão de Aspecto
Analysis of Mechanical Power of Savonius Rotors of the Same Aspect Ratio
Felipe AugustoLustosa Meireles FreitasI
Ronaldo Barcelos e SilvaII
Leonardo da Rosa SchmidtIII
Silvana MaldanerIv
Lucinéia Fabrisv
I Universidade Federal de Santa Maria - campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul Brasil - felipeaugusto-43@hotmail.com
II Universidade Federal de Santa Maria - campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul Brasil -
III Universidade Federal de Santa Maria - campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul Brasil -
IV Universidade Federal de Santa Maria - campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul Brasil - silvana.maldaner@ufsm.br
V Universidade Federal de Santa Maria - campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul Brasil - lucineia.fabris@ufsm.br
Resumo
Um estudo experimental do desempenho de pequenos rotores de Savonius é realizado neste trabalho. Para isso, dois protótipos de Savonius, de duas pás e mesma razão de aspecto, são construídos a partir de policloreto de vinila e submetidos a diferentes fluxos de ar. Os ensaios experimentais permitiram determinar a velocidade de rotação de cada rotor para diferentes fluxos de ar. Foi possível observar que a velocidade angular média do rotor de dimensões menores é aproximadamente cinquenta por cento superior do que o rotor de dimensões maiores. Paralelamente, foi medido o torque por absorção no eixo do rotor, a partir do qual estimou-se a potência mecânica de cada um dos aerogeradores de Savonius construídos. Como resultado final obteve-se que aerogeradores de mesma razão de aspecto possuem desempenhos diferentes.
Palavras-chave: Aerogerador de Savonius; Razão de aspecto; Potência Mecânica
Abstract
An experimental performance study of Savonius small rotors is performed in this work. Two Savonius prototypes, two blades and the same aspect ratio, were constructed from vinyl polychloride and use different air flow. Experimental tests allowed the rotation speed of each rotor to be determined for different air flows. It is important to note that the average angular velocity of the smaller rotor is approximately fifty percent higher than the larger rotor. At the same time, the absorption torque on the rotor shaft was measured and the mechanical power of each Savonius wind turbine prototype was estimated. The main result was that wind turbines of the same aspect ratio have different performances.
Keywords: Savonius wind turbine; Aspect ratio; Mechanical Power
1 Introdução
As últimas décadas foram marcadas por um crescente interesse por questões ambientais e por temas voltados à geração de energia. Nesse contexto, diversos pesquisadores passaram a investigar formas alternativas de geração de energia de modo a reduzir o impacto ambiental gerado pelas fontes de energia tradicionais (RICCI; ROMAGNOLI; VITALI, 2016). Dentre as várias formas de geração de energia, a geração a partir da força do vento tem se destacado no cenário internacional como uma forma de reduzir a dependência das fontes de energia convencionais, como o petróleo. Diante desta conjuntura, diversos pesquisadores voltaram a sua atenção ao desenvolvimento de sistemas de geração de energia eólica (ALOM; KUMAR; SAHA, 2017). Diversas turbinas eólicas foram projetadas ao longo dos anos, sendo que duas ficaram bem conhecidas, as turbinas de eixo vertical e as de eixo horizontal. A primeira delas apresenta alta eficiência e é muito utilizada na produção de energia eólica quando comparado com a segunda (FRIKHA, 2016). Por outro lado, as de eixo vertical apresentam vantagens significativas sobre os rotores de eixo horizontal. Dentre os aspectos vantajosos podem ser mencionados a facilidade de construção, o menor custo na instalação e na manutenção, além do funcionamento independente da direção do vento o que implica no fato de não necessitar de um sistema frenagem (ALOM; KUMAR; SAHA, 2017; SAHA; THOTLA; MAITY, 2008).
Adicionalmente, aerogeradores de eixo vertical são a promessa de geração de energia destruída, pois também podem ser empregados em ambiente construído e funcionam em situações de baixa velocidade do vento. Assim, o comportamento aerodinâmico das turbinas do tipo Savonius vem sendo largamente investigado, porém a disparidade dos resultados dificulta a comparação das investigações e das conclusões (MENET; BOURABAA, 2004). Desta forma, neste trabalho são realizados ensaios experimentais controlados com rotores de Savonius de duas pás e mesmas razões de aspecto com o intuito de investigar o comportamento aerodinâmico de tais rotores em diferentes velocidades do vento.
2 Materiais e Métodos
Para poder realizar os ensaios experimentais controlados foi necessário construir protótipos de rotores de Savonius. Dois protótipos de rotores de Savonius foram construídos empregando-se Policloreto de polivinila (PVC) para a montagem das pás, barra roscada e rolamentos. O primeiro rotor construído possui 17 cm de diâmetro e uma altura de 25,5 cm. O segundo rotor apresenta diâmetro de 26 cm e uma altura de 39 cm. A Figura 1 ilustra os rotores construídos em PVC.
Figura 1 – Protótipos de Savonius construídos, visão lateral
A razão de aspecto para os rotores da Figura 1 é de 1,5. Este valor de razão de aspecto, segundo a revisão bibliográfica realizada, é um valor adequado para que os rotores tenham uma boa eficiência. Para verificar o rendimento dos protótipos construídos, empregou-se uma estrutura em madeira no formato de um cubo vazado, de dimensões de 137 cm de altura por 70 cm de largura, conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 – Cubo vazado empregado para os ensaios experimentais.
Em frente a esta estrutura (Figura 2) foi colocado um ventilador para gerar um fluxo de ar de velocidade controlada, seguindo a metodologia de Al-Kayiem, Bilawal e Mohsen( 2016).
Para realizar a medição da eficiência mecânica foi necessário medir a potência mecânica de cada um dos protótipos construídos. Para isso, mediu-se a velocidade angular dos rotores. Para medir essa velocidade de rotação foi utilizado um sistema eletrônico desenvolvido no laboratório. Este sistema emprega um sensor infravermelho de obstáculo (E18-D80NK), juntamente com um microcontrolador Arduino, funcionando como um tacômetro digital. Neste processo o fluxo de ar foi controlado alterando-se a velocidade do fluxo de três forma distintas, V1, V2 e V3 do ventilador, com V1<V2<V3. O fluxo de ar foi gerado a uma distância de 33 cm de cada rotor, sem obstáculos.
Paralelamente, foi necessário calcular o torque dos rotores, pois segundo os trabalhos publicados, a potência mecânica é definida pelo produto entre o torque mecânico e a velocidade angular do aerogerador (AKWA; VIELMO; PETRY, 2012; RICCI; ROMAGNOLI; VITALI, 2016;AL-FARUK; SHARIFIAN 2017):
(1)
Para medição do torque foi utilizado a metodologia de torque por absorção no eixo da turbina. Esta técnica é descrita por Akwa, Vielmo e Petry (2012), por Al-Faruk e Sharifian (2016), e por Ricci, Romagnoli e Vitali (2016). Essa metodologia de medição consiste na utilização de corpos de massas graduados, duas polias e um dinamômetro. Todos os itens estão ligados por um barbante de 2,2 mm de diâmetro. O barbante foi enrolado em torno do eixo rotor (360°). Observando-se o valor de força no dinamômetro (S), o peso dos corpos de massas graduados (W), o raio do eixo do rotor (R=2,55 cm) e o diâmetro do barbante (dcor=0,22 cm), pode-se calcular o torque por Kamoji, Kedare e Prabhu (2009):
(2)
3 Resultados e Discussões
O primeiro resultado alcançado foi que dois protótipos de Savonius de mesma razão de aspecto (1,5) possuem velocidades angulares diferentes. Os rotores protótipos foram submetidos 3 velocidades de vento distintas, sendo que V1<V2<V3. Para a velocidade V1 o rotor Pequeno, de diâmetro de 17 cm e uma altura de 25,5 cm, apresentou uma velocidade de 27,92 rad/s. Para V2, a velocidade obtida foi de , 31,32 rad/s e para V3, 33,51 rad/s. Para o rotor Grande, de diâmetro de 26cm e uma altura de 39 cm, a velocidade de rotação foi de 18,36 rad/s em V1, 21,16 rad/s para V2 e 23,57 rad/s para a velocidade V3. Além da diferença entre as velocidades dos rotores, observou-se que os torques de parada também se diferem. O rotor Pequeno, submetido à velocidade de vento um, tem torque de parada equivalente a 7,480 Ncm. Para V2 o torque foi de, 9,023 Ncm e para V3 foi de 11,403 Ncm. Paralelamente, o rotor Grande submetido a V1 teve um torque de parada equivalente a 23,54 Ncm, para V2 o torque foi de 38,890 Ncm e para V3 foi de 38,491 Ncm.
Os protótipos de Savonius, de mesma razão de aspecto, apresentaram velocidade de rotação e torques distintos. Assim, como a potência mecânica do rotor Pequeno, para V1 é de 2,088 W, enquanto que a potência mecânica do rotor Grande submetido ao mesmo fluxo de ar foi de 4,322 W. Para a V2, a potência mecânica foi de, respectivamente, para o rotor Pequeno e o rotor Grande, 2,83 W e 8,23 W. Para a V3 a potência mecânica foi de, respectivamente, 3,82 W e 9,07 W. O comportamento dos rotores de Savonius construídos é apresentado na Figura 3. Na Figura 3 tem-se a potência mecânica dos protótipos em função da velocidade do ar. Observa-se um crescimento da potência mecânica com o aumento da velocidade. Observa-se também que o rotor de dimensões maiores apresentou valores mais significativos de potência com o aumento de velocidade.
Figura 3 – Gráfico da potência mecânica do aerogerador em função da velocidade
4 Conclusões
Neste trabalho investigou-se o comportamento de rotores de Savonius de duas pás em três diferentes velocidades do vento. Observou-se experimentalmente que os rotores de duas pás e mesma razão de aspecto apresentam comportamento mecânico distinto. A principal conclusão deste trabalho foi que somente a razão de aspecto não define a eficiência do aerogerador de Savonius. Desta forma, estudos mais detalhados devem ser realizados para compreender a aerodinâmica destes rotores de eixo vertical.
Agradecimentos
Agradecimentos especiais à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS) - edital 01/2017 ARD (Processo 17/0825-1) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
Referências
ALOM N, KUMAR N, SAHA UK. Aerodynamic Performance of an Elliptical-Bladed Savonius Rotor Under the Influence of Number of Blades and Shaft. 2017; In: ASME 2017 GAS Turbine India Conference. American Society of Mechanical Engineers. Proceedings of the ASME 2017 Gas Turbine India Conference GTINDIA2017; 2017 Dec 7-8; Bangalore, India. p. V002T06A001-V002T06A001.
AKWA JV, VIELMO HA, PETRY AP. A review on the performance of Savonius wind turbines. Renewable and sustainable energy reviews. 2012;16:3054-3064.
AL-FARUK A, SHARIFIAN A. Geometrical optimization of a swirling Savonius wind turbine using an open jet wind tunnel. Alexandria Engineering Journal. 2016; 55:2055-2064.
AL-KAYIEM HH, BHAYO BA, ASSADI M. Performance tests on helical Savonius rotors. Renewable Energy.2016;99:1306-13017.
FRIKHA S, DRISS Z, AYADI E, MASMOUDI Z, Abid MS. Numerical and experimental characterization of multi stage Savonius rotors. Energy. 2016; 114:382-404.
KAMOJI MA, KEDARE SB, PRABHUS SV. Performance tests on helical Savonius rotors. Renewable Energy. 2009; 34:521-529.
MENET JL, BOURABAA N. Increase in the Savonius rotors efficiency via a parametric investigation. In: European Wind Energy conference & exhibition. 2004.
RICCI R, ROMAGNOLI S, VITALI D. Experimental study on a Savonius wind rotor for street lighting systems. Applied Energy. 2016;161:43-152
SAHA UK, THOTLA S, MAITY D. Optimum design configuration of Savonius rotor through wind tunnel experiments. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2008;96: 1359-1375.