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TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL
Prof. Jorge A. Villar Alé
CONCEITOS BÁSICOS PRELIMINARES
Wind
Turbines
HAWT
(TEEH)
VAWT
(TEEV)
Upwind Rotor
Downwind Rotor
Savonius
Darrieus
Giromill
Windmill
Hig Tip Speed Ratio
Drag Devices
Lift Devices
Helical/Gorlov
Helical/Savonius
Low Tip Speed Ratio
American Windmill
(1000 A.C. - 1300 D.C.) (1300 - 1875 D.C.) USA (XIX)
USA
Inicio XX (1920)
Estados Unidos 1888 - Charles Brush
Diâmetro:17m Potencia: 12kW
Dinamarca (1891) Poul la Cour.
D=23m Pot=18 kW
USA: (1941) Palmer Putman
1250 kW D=53m
Turbinas de grande porte 1MW a 4MW
Turbinas de médio porte 50 kW a 500 kW
Turbinas de pequeno porte 1 a 50 kW
Micro-Turbinas < 1,0 kW
Denominação Tamanho
Grande 3000 100 100
Médio 300 31 40
Pequeno 50 15 25
Micro-Turbinas 1 2,5 10
Altura (m)
Diâmetro (m)
Potencia (kW) Aerogeradores
IEC-NORM 61400-2:
IEC < 200 m2 (Aprox. D=16m ) < (50 a 60 kW)
Cidade
Área aberta
Poucas obstruções
Velocidade do vento (m/s)
Altura (m)
V=10m/s
V=10m/s
V=10m/s
TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL
Razão de velocidade de ponta –TSR
∞
= V
ω R λ
λ D = 1 = 6
D
λ λ D = 8 = 11
λ D
λ D < 1 λ D =^4
Solidez
TSR
c
CL
CD
W
Coeficiente de sustentação
pá
L
L
V A
F
C
Coeficiente de arrasto
pá
D
D
V A
F
C
pá
L
L
V A
F
C
Coeficientes Aerodinâmicos
pá
D
D
V A
F
C
Sustentação
Arrasto
C D
C L
L D
C / C
Melhor desempenho
Estol
L D
C C
FD W AC D
W = V − U
W
FD V
U
SISTEMAS QUE ATUAM POR ARRASTO
λ< 1
W = V ( 1 −λ)
V
U λ =
Fixo Girando
F D
FL W ACL
W = V + U
W
FL
U
V
W
F L
W = V 1 +λ
λ= 1 a 15
V
U
SISTEMAS QUE ATUAM POR SUSTENTAÇÃO
Fixo
Girando
V A
Potencia
Cp
V AR
Torque
CQ
COEFICIENTES DE DESEMPENHO
Coeficiente de Potencia
Coeficiente de Torque
Coeficiente de Empuxo
V A
Empuxo
CT
tan
F
r Ω
r
F R
π
F F d
tan tan
T = BF tan r
P = T Ω
Força tangencial media Torque Potência
Rotor Savonius
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1, Tip Speed Ratio (TSR)
Coefiente de Potência
VAWT tipo H Solidez=0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tip Speed Ratio (TSR)
Coefiente de Potência
HAWT B=
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Tip Speed Ratio (TSR)
Coefiente de Potência
Coeficiente de Potência
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0 0,5 1 1, Tip Speed Ratio (TSR)
Coefiente de Torque
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tip Speed Ratio (TSR)
Coefiente de Torque
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Tip Speed Ratio (TSR)
Coefiente de Torque
Coeficiente de Torque
Tip Speed Ratio (TSR)
Coefiente de Potência
Coeficiente de Potência
http://scienceservice.si.edu/pages/100002.htm
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1, Tip Speed Ratio (TSR)
Coefiente de Potência 0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1, Tip Speed Ratio (TSR)
Coefiente de Torque
V A
Potencia
Cp
V AR
Torque
CQ
Velocidade do Vento
Velocidade Tangencial TSR − −
−
H
Razão de Excentricidade e / D Razão de Aspecto H / D
D
(Do) Diâmetro placas
(D) Diâmetro do rotor
(e) Excentricidade
(r) raio da pá
0,15d a 0,3d
Excentricidade Principal (e) > 2, 3,4 ... > 2 1,1 R 4R 0
Excentricidade secundaria (a)
Altura Rotor (H)
Raio da placas Extremas
Numero de Pás (B)
Numero Módulos
The total drag coefficient and the torque coefficient for an individual blade at a particular rotor angle, α are evaluated by integrating the coefficients over the blade surfaces
ROTOR SAVONIUS
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
ROTOR SAVONIUS MODIFICADO
0 , 0107 0 , 0149 Re
= − λ+
C Q
ROTOR SAVONIUS HELICOIDAL
H
D
Ar=0,
Ar=0,
Ar=1,
Ensaios Laboratório
y = -0,9309x^2 + 1,087x - 0, R^2 = 0,
0
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1, Razão velocidade de ponta (TSR)
Coeficiente de potência (Cp)
Resultados Laboratório
ROTOR SAVONIUS CFD
CFD (EasyCDF - CE-EÓLICA 2012)
CFD (EasyCDF - CE-EÓLICA 2012)
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Savonius_wind_turbine.jpg
Geração de Eletricidade
Helixwind 2 kW
D=1,21 m
H=2,65 m
www.helixwind.com
Generator - 2.0 kW (peak) Permanent Magnet Generator
Rotor Dimensions - D=1,21 m H=2,65 m Retail Price: $10,500 USD ??
http://www.helixwind.com/en/S322.php#s322pricing
- TURBINA DARRIEUS
- ROTOR DE PÁS RETAS
- ROTOR HELICOIDAL
Darrieus, G.J.M. Turbine having its rotating shaft transverse to the flow of the current. US Patent No. 1,835,018, 1931.
Darrieus
Inventor Frances
Georges Jean Marie Darrieus
Patentes
Francia (1925)
Estados Unidos (1931)
V ∞
Coeficiente de potência de turbina Darrieus.
Sheldahl R. E., Klimas P. C., Feltz L. V., “ “Aerodynamic Performance of a 5m diameter
Darrieus Turbine with Extruded Aluminium NACA-0015 Blades”, Sandia Laboratories,
Journal of Energy, vol. 4. 1980, p. 227-232.
http://www.windsofchange.dk/WOC-usaturb.php
FLoWind 19m
250 kW (20 m/s)
Sandia 2-m VAWT 17 m (100 kW),
SANDIA TESTS: 2 m, 5 m, 17 m (100 kW), 34 m (625kW)
34 m (625kW) D=2,5 m
H=3 m
B=
c=0,4m
NACA 0015
NRC 9 m x 9 m Wind Tunnel (Ottawa)
VAWT - TURBINAS COMERCIAIS
Modelos VAWT Helicoidais
Turby (^) Urban Green Quiet Revolution
(2.5 kW) (4 kW) (4/6 kW) Outras potencias
Green Energy Solution 150 kW USA
Green Energy Solution 100 kW USA
Green Energy Solution 50 kW USA
Green Energy Solution 25 kW USA
Ropatec Mega Star 20 kW Itália
Green Energy Solution 10 kW USA
Ropatec 6 kW Itália
QuietRevolution qr5 6 kW Inglaterra
Green Energy Solution 5 kW USA
Ropatec HE 3 kW Itália
Green Energy Solution 2,5 kW USA
Turbinas de Eixo Vertical
www.turby.nl
Turby
Turby
Turbina helicoidal Turby® usando perfil NACA 0012.
G.J.W. van Bussel , et al., “TURBY®: concept and realisation of a small VAWT for the built environment”, pp. presented at the EAWE/EWEA Special Topic conference “The Science of making Torque from Wind”, 19-21 April 2004, Delft, The Netherlands ISBN 90- 764768-10-9. pp 509-516.
Turby
www.quietrevolution.com
Quiet Revolution
www.quietrevolution.com
Quiet Revolution
32 Fabricantes
57 Modelos de SWTG
65% (HAWT)
35% (VAWT)
Jorge A. Villar Alé CE-EÓLICA [email protected]
Workshop - Small Wind Turbines
AERODINAMICA DE TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL
Disco Atuador
Elemento de pá
Camada limite
Limite de potencia
Momentum Theory
H. Glauerts, “Windmills and Fans”, Aerodynamic Theory (W.F. Durand, Ed.),
Springer, Berlin, Germany, 1935
Toeria de Elemento de Pá – Blade Element Theory
Wind Energ. 2007; 10: 289–
Quando a turbina absorve energia do vento
ocorre uma diminuição da velocidade de
corrente livre.
ESTUDO DE MODELOS AERODINAMICOS DE TEEV
MULTIPLE TUBOS DE CORRENTE
(MTC – Modelo de Strickland)
1. Análise Aerodinâmica – Modelo MTC
2. Disco Atuador e Eq. da Quantidade de movimento
3. Teoria de elemento de pá
4. Força axial, força normal força tangencial
5. Velocidade Relativa e Ângulo de Ataque.
6. Coeficiente de Sustentação e Coeficiente de Arrasto
7. Modelo de Pontin para sustentação e arrasto
8. Torque, potência
9. Coeficiente de potência
10. Resultados do modelo
