Universidade de Évora
Licenciatura em Engenharia de Energias Renováveis
Energia Eólica
2012/2013
Estudo do escoamento e de...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
1
Índice
1. Introdução:....................
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
2
1. Introdução:
Nos dias que correm a e...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
3
2. Geradores do tipo Magnus:
2.1 Histó...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
4
2.2 Efeito de Magnus:
“Em diferentes p...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
5
Figura 3 - Ilustração do Efeito de Mag...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
6
Figura 4 - Linhas de corrente de um es...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
7
Existe também uma força envolvente nes...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
8
2.3 Tipos de turbinas Magnus:
2.3.1 Co...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
9
Figura 6 - Turbina do tipo Savonius
Fi...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
10
2.4 Vantagens e Desvantagens:
As Turb...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
11
2.5 Aplicações:
O Efeito de Magnus ta...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
12
auxiliando na impulsão do navio. O na...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
13
Um outro tipo de sistema em que o
Efe...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
14
3. Atividade Experimental:
3.1 Objeti...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
15
Tabela 1 - Tabela dos dados com respe...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
16
Tabela 3 - Valores para uma tensão no...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
17
Tabela 5 - Dados obtidos a partir das...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
18
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 1 2 ...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
19
3.3 Equações de Calibração:
3.4 Equaç...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
20
3.5 Descrição da atividade laboratori...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
21
Optámos por efetuar uma recolha de da...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
22
Figura 17: Medidor de Rpm
No decorrer...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
23
Face a certas variações desses valore...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
24
A partir aos valores de Pressão obtid...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
25
Figuras 21, 22 e 23: Soldagem das res...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
26
No mesmo dia voltámos a fazer uma nov...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
27
4. Conclusões da atividade laboratori...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
28
O possível erro acima referido, pode ...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
29
5. Considerações finais:
Primeirament...
Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás
de geradores do tipo Magnus
30
6. Bibliografia:
https://www.youtube....
Próximos SlideShares
Carregando em…5
×

Magnus Effect Study

295 visualizações

Publicada em

0 comentários
0 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

  • Seja a primeira pessoa a gostar disto

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
295
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
10
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
7
Comentários
0
Gostaram
0
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Magnus Effect Study

  1. 1. Universidade de Évora Licenciatura em Engenharia de Energias Renováveis Energia Eólica 2012/2013 Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus Docente: Prof. Paulo Canhoto Discentes: Frederico Felizardo nº29093 Ricardo Andrade nº29592
  2. 2. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 1 Índice 1. Introdução:................................................................................................................... 2 2. Geradores do tipo Magnus:.................................................................................... 3 2.1 História:................................................................................................................... 3 2.2 Efeito de Magnus: ................................................................................................. 4 2.3 Tipos de turbinas Magnus:................................................................................ 8 2.3.1 Convencional: .................................................................................................. 8 2.3.2 Espiral: ............................................................................................................. 8 2.3.3 Savonius:........................................................................................................... 9 2.4 Vantagens e Desvantagens:.............................................................................. 10 2.5 Aplicações:............................................................................................................. 11 3. Atividade Experimental: ...................................................................................... 14 3.1 Objetivos:............................................................................................................... 14 3.2 Material utilizado: ........................................................................................... 14 3.3 Equações de Calibração: .................................................................................. 19 3.4 Equações Utilizadas:......................................................................................... 19 3.5 Descrição da atividade laboratorial:...................................................... 20 3.6 Dificuldades: ........................................................................................................ 25 4. Conclusões da atividade laboratorial:........................................................ 27 5. Considerações finais:........................................................................................... 29 6. Bibliografia: ............................................................................................................ 30
  3. 3. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 2 1. Introdução: Nos dias que correm a energia eólica tem cada vez uma maior utilização para produção de energia elétrica, quer em lugares descentralizados quer em grandes parques eólicos ligados à rede elétrica. Este tipo de energia renovável tem origem no aquecimento da atmosfera pelo sol, que coloca em movimento massas de ar. A direção do vento é influenciada pela rotação da terra, pela cobertura da superfície terrestre e pelos planos de água, ou seja, afetando a velocidade, direção e variabilidade do vento num determinado lugar. A energia eólica caracteriza-se por aproveitar a energia cinética presente no vento para produzir energia mecânica, consequentemente uma rotação das pás, sendo posteriormente transformada em energia elétrica através por um gerador elétrico. Tendo em vista o aumento das nossas necessidades energéticas, a procura de novas soluções que consigam melhorar os valores de eficiência na conversão de energia e atenuar todo o tipo de problemas ambientais e económicos atuais é uma prioridade nos dias de hoje. É assim que aparece a Turbina de Magnus, esta caracteriza-se por utilizar o Efeito de Magnus para produzir energia elétrica. Desse modo, o nosso trabalho irá ser constituído por duas partes, uma teórica e uma prática. Na parte teórica vamos falar do Efeito de Magnus, onde se aplica, os diferentes tipos de turbinas que existem, bem como as suas vantagens e desvantagens. Na parte experimental iremos analisar um protótipo existente de uma Pá de Magnus que vai ser colocada num túnel de vento.
  4. 4. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 3 2. Geradores do tipo Magnus: 2.1 História: Heinrich Gustav Magnus, físico alemão, nascido a 2 de Maio de 1802 em Berlim, verificou a ocorrência de desvios nas trajetórias balísticas em relação à direção teoricamente esperada. Este físico concluiu assim, que isto se devia a um fenómeno, que consistia basicamente no facto de haver uma interação do meio em movimento (ar, no caso da Energia Eólica) com o cilindro que gira segundo um eixo perpendicular à direção do movimento anterior. Posto isto, o efeito ficou batizado com o nome de “Efeito de Magnus”, tendo havido posteriormente à sua descoberta diversas aplicações utilizando o mesmo. Figura 1: Físico alemão, Heinrich Gustav Magnus
  5. 5. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 4 2.2 Efeito de Magnus: “Em diferentes pontos de uma corrente uniforme, se um fluido se movimenta com velocidades diferentes, nos pontos de maior velocidade observa-se uma menor pressão e vice-versa” (Albert Einstein, “Como Vejo o Mundo”). A explicação acima demonstra a Equação de Bernoulli, que se aplica no princípio do funcionamento dos aerogeradores do tipo Magnus, ou seja, quando temos um cilindro em rotação face a um escoamento de um fluido (ar), irá haver uma parte do cilindro em que o sentido do escoamento do fluido coincide com a sua rotação, implicando uma diminuição de pressão e aumento de velocidade. Por outro lado, na parte contrária do cilindro irá haver um sentido oposto entre a rotação do cilindro e o escoamento do fluido, fazendo com que a velocidade nesse local seja menor, havendo logicamente ai também uma maior pressão. Imaginemos um escoamento de ar com direção Este-Oeste e velocidade V, o qual entra em contacto com um cilindro em rotação no sentido dos ponteiros do relógio. Figura 2 - Equação de Bernoulli
  6. 6. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 5 Figura 3 - Ilustração do Efeito de Magnus Como explicado anteriormente e como se pode verificar na figura, no ponto A, ponto no qual o sentido do escoamento do ar é oposto ao de rotação, existe um abrandamento da velocidade do fluido face à maior pressão nesse local, pelo que as linhas de escoamento perto desse ponto tendem a seguir um caminho retilíneo e claramente espaçadas entre elas após a interação com o cilindro. Já no ponto B, verifica-se um aparecimento de uma força (Força de Sustentação), que resulta do facto de o sentido do escoamento do ar ser idêntico ao de rotação do cilindro. Este fenómeno acontece porque, com uma maior velocidade de escoamento (evidenciado pelas linhas mais juntas da figura, que tendem a acompanhar o movimento rotacional do cilindro), acompanhado de uma menor pressão irá fazer com que o cilindro se movimente ao longo da direção Norte-Sul, havendo deste modo a atuação da tal força criada com estas condições.
  7. 7. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 6 Figura 4 - Linhas de corrente de um escoamento Este-Oeste ao longo de uma esfera em rotação no sentido dos ponteiros do relógio Posto isto, a força aqui criada denominada Força de Sustentação, pode ser calculada através da seguinte equação: Sendo: 𝐹𝐿: Força de Sustentação [N]; 𝐶𝐿: Coeficiente de Sustentação; 𝜌: densidade do fluido de escoamento [Kg/𝑚3 ]; A: área da secção transversal do cilindro em relação ao escoamento [𝑚2 ]; 𝑣: velocidade do fluído de escoamento [m/s]. 𝑭 𝑳 = 𝑪 𝑳 × 𝟏 𝟐 × 𝝆 × 𝑨 × 𝒗 𝟐
  8. 8. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 7 Existe também uma força envolvente neste fenómeno, que consiste na força de resistência ao movimento do cilindro através do ar. Esta força é denominada de Força de Arrasto e pode ser determinada a partir da seguinte equação: Sendo: 𝐹𝐴: Força de Arrasto [N]; 𝐶𝐴: Coeficiente de arrasto; 𝜌: densidade do fluido de escoamento [Kg/𝑚3 ]; A: área da secção transversal do cilindro em relação ao escoamento [𝑚2 ]; 𝑣: velocidade do fluído de escoamento [m/s]. 𝑭 𝑨 = 𝑪 𝑨 × 𝟏 𝟐 × 𝝆 × 𝑨 × 𝒗 𝟐
  9. 9. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 8 2.3 Tipos de turbinas Magnus: 2.3.1 Convencional: Aerogerador com 3 cilindros, nos quais existe um “prato” em cada extremo dos mesmos, com diâmetro superior ao dos cilindros. Esta “prato”, consiste num cilindro com uma espessura muito menor e com diâmetro superior do que os cilindros rotativos principais e tem a principal função de manter o fluxo de ar uniforme ao longo dos últimos. Este tipo de turbina consegue alcançar eficiências de 30-35%. Figura 5: Turbina do tipo convencional 2.3.2 Espiral: Este tipo de aerogerador contem espirais que envolvem os cilindros, fazendo com que haja uma maior força de sustentação face ao convencional. Tem a capacidade de produzir energia a partir de ventos com velocidade na ordem dos 3m/s, evidenciando deste modo o facto de requerer uma velocidade de arranque mais baixa que as dos aerogeradores convencionais. No que toca à eficiência, este tipo de turbina consegue atingir até 50%.
  10. 10. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 9 Figura 6 - Turbina do tipo Savonius Figura 7 - Perfil do Cilindro da Turbina Savounius Figura 7 - Perfil do Cilindro da pá da Turbina tipo EspiralFigura 6 - Turbina tipo Espiral 2.3.3 Savonius: Por último, esta categoria retrata um mecanismo em que os cilindros do aerogerador usam a Força de Arrasto através da velocidade do vento, fazendo com que estes rodem sobre o seu próprio eixo, não havendo gasto de energia adicional. Isto faz com que o aerogerador esteja dependente da velocidade do vento para rodar, podendo haver flutuações da frequência antes da produção de energia. Porém, tem a vantagem de não necessitar de motores elétricos associados aos cilindros.
  11. 11. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 10 2.4 Vantagens e Desvantagens: As Turbinas de Magnus surgem como evolução das Turbinas Convencionais e dessa forma podemos dizer que as vantagens a elas aplicadas caracterizam-se como o “update” das desvantagens das turbinas atuais. Quer nas turbinas do tipo convencional quer nas do tipo espiral as vantagens associadas a este tipo são semelhantes, dessa forma uma grande vantagem é que conseguem iniciar a produção de energia com velocidades de vento relativamente baixas, estando a sua velocidade de arranque compreendida entre 1 a 2 m/s e a sua velocidade máxima em 40 m/s. A velocidade de rotação é cerca de um sexto da velocidade das turbinas normais, esta baixa rotação implica que haja logicamente uma menor chance de colisão de aves nas pás. O ruído emitido por este tipo de turbinas é relativamente baixo, tornando-se uma mais-valia permitindo uma integração deste tipo de Energia Eólica em zonas urbanas. Relativamente às turbinas do tipo de Savonius, estas não necessitam de nenhuma ajuda na movimentação dos cilindros, são caracterizadas pela sua construção simples e de baixo custo devido à inexistência de motores elétricos e sistemas de transmissão. As pás devido à sua forma têm um peso reduzido facilitando o seu transporte e montagem. De uma forma geral podemos referir que as principais desvantagens presentes nas Turbinas de Magnus são o facto de ser necessário energia para que exista a rotação dos cilindros em alguns dos casos, bem como a necessidade de uma estrutura resistente devido aos esforços a que estão sujeitas.
  12. 12. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 11 2.5 Aplicações: O Efeito de Magnus também pode ser utilizado para outro tipo de aproveitamento da energia do vento. Sabemos que este efeito deve-se ao aparecimento de uma força que atua sobre um corpo em rotação numa corrente de ar em movimento, o qual atua na perpendicular à direção de passagem do ar. Um exemplo dessas aplicações é o navio de Flettner, projetado para utilizar este tipo de efeito. O chamado Buckau foi o primeiro navio a ser construído, no ano de 1920, que utilizava este tipo de princípio. Era constituído por dois cilindros com cerca de 15 metros de altura e 3 metros de diâmetro auxiliados por motores elétricos, sendo considerado o primeiro navio construído a trabalhar a partir de rotores. Figura 8: Esboço do navio de Flettner Figura 9: Navio de Flettner Um outro tipo de navio Flettner é o E-Ship1, propriedade da empresa alemã Enercon GmbH, fabricante de turbinas eólicas, destinando-se ao transporte das mesmas. Este é constituído por quatro rotores, com 27 metros de altura e 4 metros de diâmetro, instalados no convés principal que giram. Esses movimentos associados ao efeito do vento lateral originam uma força
  13. 13. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 12 auxiliando na impulsão do navio. O navio possui caldeiras, que alimentam uma turbina a vapor que, por sua vez aciona os quatro rotores. Estes estão ligados às hélices do navio que posteriormente provocam o movimento destas, havendo deste modo movimento do navio. Figura 10: Navio de Flettner E-Ship1 Este tipo de sistema permite uma economia de combustível da ordem de 30 a 40% e uma velocidade de 16 nós. Figura 11: E-Ship1 transportando sistemas eólicos
  14. 14. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 13 Um outro tipo de sistema em que o Efeito de Magnus se aplica, apesar de não estar diretamente relacionado com a produção de energia, é de manter um dispositivo estabilizado e posicionado dentro de uma localização restrita. Este mecanismo está aplicado no projeto Magenn. Trata-se de um dispositivo patenteado de alta altitude, pelo que são colocados a altitudes relativamente mais elevadas em relação às turbinas convencionais, permitindo assim uma captação de ventos com maiores velocidades. É mais leve do que o ar ao ser constituído por um balão de hélio e os geradores giram em torno de um eixo horizontal, sendo esta rotação imposta através de aberturas existentes no mesmo. As eficiências deste sistema são cerca de 50% e apresentam custos de produção bastante reduzidos tendo em conta que não necessitam de torres de sustentação. Figura 13: Sistema Magenn Figura 12: Projeto Magenn
  15. 15. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 14 3. Atividade Experimental: 3.1 Objetivos: Efetuar medidas de força de sustentação e de arrasto a um protótipo de uma Turbina de Magnus (cilindro). 3.2 Material utilizado:  Protótipo (Cilindro);  Túnel de vento;  Carro de suporte ao cilindro;  Sensor de Pressão;  Sensor de Força 952/B;  Tubo de Pitot;  Dois multímetros;  Duas fontes de tensão;  Aparelho de conversão de força para tensão (caixa azul);  Aparelho medidor de rpm;  Fios de condução;  Crocodilos;  Craveira.
  16. 16. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 15 Tabela 1 - Tabela dos dados com respetiva nomenclatura Tabela 2 - Tabela dos valores iniciais Dados e suas abreviações TiC = Tensão Inicial no Cilindro TiCA = Tensão Inicial na Caixa Azul Rpm i = Rotações por minuto iniciais ViP = Valor inicial de Pressão ViMP = Valor inicial no Multímetro de Pressão TfCA = Tensão Final na "Caixa Azul" Rpm f = Rotações por minuto finais VfP = Valor final de Pressão VfMP = Valor final no Multímetro relativo à Pressão Valores Iniciais TiC (V) TiCA (V) Rpm i ViP ViMP(V) 12,5 0,62 1500 -8 4,985 13,1 0,53 1500 -8 4,991 14,0 0,604 1550 -8 4,985
  17. 17. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 16 Tabela 3 - Valores para uma tensão no Cilindro de 12,5 V Tabela 4 - Valores para uma tensão no Cilindro de 13,1 V Tabela 5 - Valores para uma tensão no Cilindro de 14,0 V Tensão no Cilindro de 12,5 V TfCA (V) Rpm f VfP VfMP (V) 0,629 1500 -4 5,185 0,645 1500 0 5,358 0,658 1500 4 5,564 0,678 1500 13 5,929 0,692 1500 20 6,138 Tensão no Cilindro de 13,1 V TfCA (V) Rpm f VfP VfMP (V) 0,552 1500 -5 5,147 0,595 1500 -1 5,269 0,614 1500 4 5,520 0,620 1500 12 5,830 0,640 1500 21 6,140 Tensão no Cilindro de 14,0 V TfCA (V) Rpm f VfP VfMP (V) 0,610 1550 -2 5,267 0,617 1550 5 5,504 0,632 1550 12 5,818 0,665 1550 16 6,018 0,685 1550 19 6,160
  18. 18. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 17 Tabela 5 - Dados obtidos a partir das calibrações/equações * : dados retirados do gráfico, devido aos erros associados às suas medições. Diâmetro do Cilindro: 𝐷𝐿 = 0,0376 m; Comprimento do Cilindro: 𝐶𝐿 = 0,13 m; Área da secção transversal do cilindro face ao escoamento: 𝐷𝐿 × 𝐶𝐿 = 0,0376 × 0,13 = 0,004888 m Tensão no Cilindro (V) Velocidade do vento (m/s) Velocidade de Rotação do Cilindro (rad/s) Pressão (Pa) Força de Sustentação (N) ⍵R/v Coeficiente de Sustentação 12,5 2,621095397 157,0796327 4,13926 0,00898371 1.12667 0.44402 3,709484983 8,290568 0,02495475 0.679609 0.6158 4,686653426 13,23374 0,03793122 0.36011 0.58639 6,041665017 21,99228 0,05789502 0.48879 0.53857 6,69519528 27,00745 0,07186968 0.44108 0.54442 13,1 2,314454669 157,0796327 3,227412 0,02196018 1.27594 1.39204 3,196191717 6,154924 0,06488235 0.92394 2.15662 4,495810867 12,17792 0,08384796 0.65686 1.4086 5,706032332 19,61668 0,0898371 0.51754 0.93691 6,701141291 27,05544 0,1098009 0.44069 0.83027 14,0* 3,183706444 162,3156204 6,106932 0,00598914 0.95848 0.20064 4,424373083 11,7940 0,01297647 0.68971 0.22509 5,663998265 19,32873 0,02794932 0.53876 0.29583 6,328218827 24,12793 0,06088959 0.48221 0.51629 6,760313774 27,53536 0,08085339 0.45139 0.60073
  19. 19. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 18 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ForçadeSustentação(N) Velocidade do Vento (m/s) Força de Sustentação em função da velocidade do vento para as diferentes tensões 12,5 V 13,1 V 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 CoeficientedeSustentação Razão entre a velocidade angular do cilindro e a do escoamento do ar Coeficiente de Sustentação em função de ⍵R/v 12,5 V 13,1 V Gráfico 1: Força de Sustentação em função da velocidade do vento para as diferentes tensões Gráfico 2: Coeficiente de Sustentação em função de ⍵R/v
  20. 20. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 19 3.3 Equações de Calibração: 3.4 Equações Utilizadas: 𝑦 = 0,998190𝑥𝑦 = 23,996𝑥 − 120,28 Equação 1 - Calibração do Sensor de Pressão Equação 2 - Calibração do Sensor de Força 952/B 𝑣 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 = √ 2𝑃 𝜌 ∆𝑃 = 1 2 𝜌𝑣2 𝑣 𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝑟𝑝𝑚 × 2𝜋 60 𝑃𝑑𝑖𝑓 = 𝑃𝑒𝑠𝑡 + 𝑃𝑑𝑖𝑛 − 𝑃𝑒𝑠𝑡   𝑃𝑑𝑖𝑓 = 𝑃𝑑𝑖𝑛 Equação 3 - Determinação da pressão face ao escoamento de ar no túnel Equações 4 e 5 - Determinação da velocidade do vento através da pressão calculada com a Equação 3 Equação 6 - Determinação da velocidade angular do cilindro 𝐹𝐿 = 𝐶𝐿 × 1 2 × 𝜌 × 𝐴 × 𝑣2 Equação 7 e 8 - Determinação do Coeficiente de Sustentação 𝐶𝐿 = 𝐹𝐿 1 2 × 𝜌 × 𝐴 × 𝑣2
  21. 21. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 20 3.5 Descrição da atividade laboratorial: A nossa componente experimental começou pela montagem de um circuito o qual tinha a função de, para diferentes tensões aplicadas no cilindro e velocidades do vento, determinar a força de sustentação de acordo com tais as condições acima impostas por nós. Inicialmente colocou-se o cilindro dentro do túnel de vento que estava ligado a uma fonte de tensão. Esta ligação cilindro- fonte de tensão foi feita de modo a que a rotação tivesse o sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, levando a que posteriormente ocorresse a esperada Força de Sustentação, que neste caso teria logicamente o sentido Norte-Sul causado pelo sentido do escoamento. Figura15: Cilindro colocado na sua posição de teste dentro túnel de vento Figura 14: Conjunto experimental
  22. 22. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 21 Optámos por efetuar uma recolha de dados para três tipos de tensões aplicadas no cilindro (12,5 V; 13,1 V; 14,0 V) e para seis diferentes velocidades do vento, estando estas compreendidas entre 2,30 m/s e 6,70 m/s aproximadamente. Utilizámos estes valores de tensão um pouco elevados, porque para tensões baixas o cilindro apresentava oscilações mais elevadas, enquanto nas que fornecemos estas eram visualmente muito menores. Criou-se uma tensão de 15 V no Conversor de Força, de modo a que houvesse uma diferença de potencial entre o pino azul e castanho do conector DIN de alimentação do mesmo. Figura 16: Leitura da diferença de potencial Para medir as Rotações por minuto, usámos um aparelho medidor de Rpm que emitia flashes e continha um regulador do número dos mesmos por intervalo de tempo. O cilindro tinha numa das suas faces duas “fatias” uma pintada a preto e outra a branco e com o cilindro a rodar e ao apontar o medidor para a face pintada, conseguíamos fazer com que essas partes pintadas parassem visualmente. Essa paragem mostrava o valor real da rotação do cilindro em Rpm.
  23. 23. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 22 Figura 17: Medidor de Rpm No decorrer da experiência fomos verificando que o cilindro iniciava a sua rotação para valores entre 4-5 V aplicados no mesmo e que face ao aumento da tensão aplicada notávamos também um aumento nos valores de tensão recolhidos pelo multímetro ligado ao Sensor de Força. Com os valores visualizados nesse multímetro iriamos posteriormente converte-los para valores de força, a partir da equação de calibração do Sensor de Força 952/B, fornecida pelo Professor. Figura 18: Carrinho de suporte, Sensor de Força e Cilindro Figura 19: Fontes de Tensão, Multímetro e Conversor de Força
  24. 24. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 23 Face a certas variações desses valores, provenientes das oscilações do suporte do cilindro e do mesmo, optámos por anotar o maior valor que aparecia num intervalo de tempo de 30 segundos, conseguindo desta maneira aproximadamente o valor máximo da força de sustentação para cada velocidade do vento imposta. Falando agora nos valores de Pressão, para conseguirmos recolher dados da mesma para as diversas velocidades do vento, introduzimos um Tubo de Pitot no Túnel de Vento perto da abertura onde se iniciava o escoamento do ar, que se encontrava ligado a um sensor de Pressão que por sua vez estava ligado a um multímetro. A função do multímetro era a de registar a diferença de potencial criada no Sensor de Pressão, fazendo com que posteriormente fosse possível converter esses valores recolhidos para valores reais de Pressão relativas às diferentes velocidades do vento. Esta conversão foi feita a partir de uma curva de calibração do Sensor de Pressão fornecida pelo Professor. Figuras 19 e 20: Multímetro, Sensor de Pressão e Tubo de Pitot
  25. 25. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 24 A partir aos valores de Pressão obtidos a partir da equação de calibração do Sensor de Pressão, conseguimos de seguida determinar os diferentes valores de velocidade do vento. Sendo assim, criámos um gráfico para cada tensão fornecida ao cilindro, que relaciona a Força de Sustentação com a velocidade do vento.
  26. 26. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 25 Figuras 21, 22 e 23: Soldagem das resistências do aparelho conversor 3.6 Dificuldades: Podemos referir que tivemos certas dificuldades na realização da atividade laboratorial, principalmente o facto de termos necessitado de três dias para a recolha dos dados. Isto deveu-se primeiramente ao facto de o aparelho conversor de força em tensão ter apresentado as suas duas resistências danificadas, fazendo com que fosse necessário o seu conserto de modo a ter um bom funcionamento. Procedemos assim à abertura do aparelho, substituição das resistências estragadas e soldadura de novas na placa do mesmo. Posto isto, após a preparação de todo o equipamento a usar na experiência, no segundo dia procedemos à recolha dos dados, mas devido às oscilações do cilindro obtivemos dados que não eram fiáveis, os quais apresentavam grandes variações e pouca conformidade com os teoricamente esperados. Para diminuir as oscilações do cilindro introduzimos anilhas na parte de cima do suporte, para que os apoios em ferro ficassem perpendiculares ao eixo do cilindro, de modo a que este estivesse o mais alinhado possível.
  27. 27. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 26 No mesmo dia voltámos a fazer uma nova recolha de dados, mas o túnel de vento deixou de funcionar devido a uma má ligação, pelo que tivemos de adiar novamente a experiência. Finalmente no terceiro e último dia, estava tudo a postos para uma nova tentativa de recolha dos dados e com sucesso conseguimos os que estavam de acordo com o que era teoricamente esperado. Figura 24: Ajuste do suporte do Cilindro:
  28. 28. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 27 4. Conclusões da atividade laboratorial: Em primeiro lugar, podemos afirmar que os objetivos experimentais foram alcançados, tendo havido por nossa parte uma boa recolha de dados e tratamento dos mesmos e fundamentalmente um grande auxílio do Professor. No que toca ao gráfico que mostra a Força de Sustentação em relação à velocidade do vento, é correto dizer que nos dois ensaios, com o aumento da velocidade do vento existe uma maior Força de Sustentação exercida pelo cilindro. Falando do gráfico que relaciona o Coeficiente de Sustentação com a razão entre a velocidade angular do cilindro e a velocidade de escoamento do ar, podemos evidenciar que o valor ótimo da razão entre a velocidade angular do cilindro e a velocidade de escoamento do ar (gráfico laranja referente a 13,1 V aplicados no cilindro) é de aproximadamente 0,92 e que o valor máximo do Coeficiente de Sustentação correspondente é de aproximadamente 2,15. No caso da linha descrita pela tensão de 12,5 V, podemos referir que não houve uma grande variação dos valores obtidos de 𝐶𝐿, pelo que é importante dizer que nesta tensão o aproveitamento da energia do vento é menor do que numa tensão imposta de 13,1 V. Tínhamos feito 3 ensaios para diferentes tensões aplicadas no cilindro, porém, face aos valores obtidos (a vermelho na tabela para a tensão de 14,0 V), decidimos retirar a sua representação gráfica, visto que era visível algum tipo de erro a ela associada.
  29. 29. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 28 O possível erro acima referido, pode ter resultado do facto de a elevada tensão (14,0 V) aplicada no cilindro provocar uma alta rotação no mesmo, fazendo com que ocorresse o efeito de turbulência após a interação do escoamento com o cilindro. Este efeito consiste em vórtices criados depois do cilindro, fazendo com que haja deste modo uma interferência na rotação do mesmo, levando posteriormente a dados pouco ou nada conclusivos, bem como incorretos. É de referir que no decorrer da experiência, podem ter ocorrido erros de medições, os quais surgem do fator humano na recolha e seleção dos dados a utilizar.
  30. 30. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 29 5. Considerações finais: Primeiramente podemos referir que foi bastante interessante estudar toda a dimensão associada ao Efeito de Magnus, bem como a nossa interação física com o equipamento experimental. Com toda a informação que conseguimos recolher, é possível dizer que o tipo de mecanismo presente nas turbinas que usam o Efeito de Magnus poderá vir a revolucionar o mundo das turbinas eólicas, tendo a capacidade de substituir as atuais. Diversas vantagens fazem com que este tipo de turbinas sejam preferencialmente utilizadas em relação às convencionais, pelo que a possibilidade de instalação em meios urbanos vem ser uma mais-valia para as mesmas. O facto de produzir pouco ruído, de apresentar uma melhor segurança e de ter uma baixa velocidade de arranque, permite que este tipo de turbinas tenham um grande destaque no campo da eólica, havendo necessidade de ter uma atenção especial neste mecanismo de conversão de energia. Isto porque, com o desenvolvimento da tecnologia poderemos conseguir que estas turbinas sirvam de padrão no aproveitamento eólico e ao mesmo tempo que haja um extensão deste tipo de energia limpa acompanhado também por um combate à utilização dos combustíveis fósseis. Por último, podemos dizer que após a realização deste trabalho, ficámos com grandes espectativas em relação a estas turbinas, pelo facto do grande potencial energético a elas associado.
  31. 31. Estudo do escoamento e desempenho aerodinâmico de pás de geradores do tipo Magnus 30 6. Bibliografia: https://www.youtube.com/watch?v=zH_wEUBWp9k; http://energiaeolica2e.blogspot.pt/2012/01/buckau-o-primeiro- navio-movido-rotor.html; http://pt.wikipedia.org/wiki/Rotor_de_Flettner; http://proceedings.ewea.org/ewec2007/allfiles2/202_Ewec2007fullp aper.pdf; http://www.mechanicalengineeringblog.com/tag/magenn-power-air- rotor-system/; http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Magnus; http://www.mecaro.jp/eng/; http://imagem.casadasciencias.org/online/36826646/28_efeito- magnus-teoria.htm; https://pt.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Gustav_Magnus.

×