Design da turbina eólica
Design da lâminaEdit
A relação entre a velocidade da ponta da lâmina e a velocidade do vento é chamada relação de velocidade da ponta. As turbinas de 3 pás de alta eficiência têm relações de velocidade da ponta/velocidade do vento de 6 a 7.As modernas turbinas eólicas são concebidas para girar a velocidades variáveis (uma consequência do seu design de gerador, ver acima). O uso de alumínio e materiais compostos em suas pás contribuiu para a baixa inércia rotacional, o que significa que as novas turbinas eólicas podem acelerar rapidamente se o vento levantar, mantendo a relação de velocidade da ponta mais quase constante. O funcionamento mais próximo da sua relação ideal de velocidade da ponta durante rajadas de vento permite às turbinas eólicas melhorar a captação de energia de rajadas repentinas que são típicas em ambientes urbanos.
Em contraste, as turbinas eólicas de estilo antigo foram projetadas com pás de aço mais pesadas, que têm maior inércia, e giradas a velocidades governadas pela freqüência CA das linhas de energia. A alta inércia amorteceu as mudanças na velocidade de rotação e assim tornou a saída de potência mais estável.
É geralmente entendido que o ruído aumenta com velocidades de ponta das pás mais altas. Aumentar a velocidade da ponta sem aumentar o ruído permitiria reduzir o torque na caixa de engrenagens e no gerador e reduzir as cargas estruturais globais, reduzindo assim os custos. A incapacidade de prever a paralisação restringe o desenvolvimento de conceitos aerodinâmicos agressivos. Algumas pás (principalmente na Enercon) têm uma asa para aumentar o desempenho e reduzir o ruído.
Uma pá pode ter uma relação lift-to-drag de 120, comparado com 70 para um planador e 15 para um avião.
O hubEdit
Em desenhos simples, as pás são directamente aparafusadas ao cubo e não podem ser lançadas, o que leva a uma paragem aerodinâmica acima de certas velocidades do vento. Em outros projetos mais sofisticados, elas são aparafusadas ao rolamento de passo, o que ajusta seu ângulo de ataque com a ajuda de um sistema de passo de acordo com a velocidade do vento para controlar sua velocidade de rotação. O controle do passo é realizado por sistemas hidráulicos ou elétricos (bateria de chumbo-ácido ou ultra condensador). O próprio rolamento de passo é aparafusado ao cubo. The hub is fixed to the rotor shaft which drives the generator directly or through a gearbox.
Blade countEdit
The number of blades is selected for aerodynamic efficiency, component costs, and system reliability. As emissões de ruído são afetadas pela localização das pás a favor ou contra o vento da torre e pela velocidade do rotor. Dado que as emissões de ruído das bordas e pontas das pás variam pela quinta potência da velocidade das pás, um pequeno aumento na velocidade da ponta pode fazer uma grande diferença.
As turbinas eólicas desenvolvidas nos últimos 50 anos têm usado quase universalmente duas ou três pás. No entanto, existem patentes que apresentam projetos com pás adicionais, como o sistema de pás de rotor multiunidades da Chan Shin integrado à turbina eólica. A eficiência aerodinâmica aumenta com o número de pás, mas com um retorno decrescente. Aumentar o número de pás de uma para duas produz um aumento de seis por cento na eficiência aerodinâmica, enquanto que aumentar a contagem de pás de duas para três produz apenas mais três por cento em eficiência. Aumentar ainda mais o número de pás produz melhorias mínimas na eficiência aerodinâmica e sacrifica muito na rigidez das pás à medida que as pás se tornam mais finas.
Teoricamente, um número infinito de pás de largura zero é o mais eficiente, operando a um alto valor da relação de velocidade da ponta. Mas outras considerações levam a um comprometimento de apenas algumas pás.
Custos de componentes que são afetados pela contagem de pás são principalmente para materiais e fabricação do rotor da turbina e do trem de acionamento. Geralmente, quanto menor o número de pás, menor será o material e os custos de fabricação. Além disso, quanto menor o número de pás, maior pode ser a velocidade de rotação. Isto porque os requisitos de rigidez das pás para evitar interferência com a torre limitam o quão finas as pás podem ser fabricadas, mas apenas para máquinas com vento para cima; a deflexão das pás em uma máquina com vento para baixo resulta em uma maior folga da torre. Menos lâminas com maiores velocidades de rotação reduzem os torques de pico no trem de acionamento, resultando em menores custos de caixa de engrenagem e gerador.
A confiabilidade do sistema é afetada pela contagem de pás, principalmente através da carga dinâmica do rotor no trem de acionamento e nos sistemas de torre. Ao alinhar a turbina eólica às mudanças na direção do vento (bocejamento), cada pá experimenta uma carga cíclica na sua extremidade de raiz, dependendo da posição da pá. Isto é verdade para uma, duas, três ou mais pás. No entanto, estas cargas cíclicas quando combinadas no eixo do trem de transmissão são simetricamente balanceadas para três pás, produzindo um funcionamento mais suave durante o bocejo da turbina. Turbinas com uma ou duas pás podem usar um cubo dentado pivotante para também quase eliminar as cargas cíclicas no eixo de acionamento e no sistema durante o bocejo. Na Dinamarca está sendo testada uma turbina chinesa de duas pás de 3,6 MW. Mingyang won a bid for 87 MW (29 * 3 MW) two-bladed offshore wind turbines near Zhuhai in 2013.
Finally, aesthetics can be considered a factor in that some people find that the three-bladed rotor is more pleasing to look at than a one- or two-bladed rotor.
Blade materialsEdit
In general, ideal materials should meet the following criteria:
- wide availability and easy processing to reduce cost and maintenance
- low weight or density to reduce gravitational forces
- high strength to withstand strong loading of wind and gravitational force of the blade itself
- high fatigue resistência a suportar cargas cíclicas
- alta rigidez para assegurar a estabilidade da forma e orientação óptima da lâmina e a folga com a torre
- alta resistência à fractura
- a capacidade de suportar impactos ambientais, tais como descargas atmosféricas, umidade, e temperatura
Isso restringe a lista de materiais aceitáveis. Os metais seriam indesejáveis por causa de sua vulnerabilidade à fadiga. As cerâmicas têm baixa resistência à fratura, o que poderia resultar em falha precoce da lâmina. Os polímeros tradicionais não são suficientemente rígidos para serem úteis, e a madeira tem problemas de repetibilidade, especialmente considerando o comprimento da lâmina. Isso deixa os compósitos reforçados com fibras, que têm alta resistência e rigidez e baixa densidade, como uma classe muito atraente de materiais para o projeto de turbinas eólicas.
Velas de madeira e lona foram usadas em moinhos de vento antigos devido ao seu baixo preço, disponibilidade e facilidade de fabricação. As lâminas mais pequenas podem ser feitas de metais leves, como o alumínio. Estes materiais, no entanto, requerem manutenção frequente. A construção em madeira e lona limita a forma do aerofólio a uma chapa plana, que tem uma relação relativamente alta de resistência à força capturada (baixa eficiência aerodinâmica) em comparação com os aerofólios sólidos. A construção de perfis sólidos de aerofólio requer materiais inflexíveis, como metais ou compósitos. Algumas pás também incorporaram pára-raios.
Novos projetos de turbinas eólicas empurram a geração de energia a partir da faixa de megawatts simples para cima de 10 megawatts usando pás cada vez maiores. Uma área maior efetivamente aumenta a relação ponta-velocidade de uma turbina a uma determinada velocidade do vento, aumentando assim a sua extração de energia. Software de engenharia auxiliado por computador como o HyperSizer (originalmente desenvolvido para projeto de naves espaciais) pode ser usado para melhorar o projeto das pás.
As de 2015 os diâmetros dos rotores das pás das turbinas eólicas em terra são tão grandes quanto 130 metros, enquanto o diâmetro das turbinas offshore atingem 170 metros. Em 2001, estima-se que 50 milhões de quilos de laminados de fibra de vidro foram usados em pás de turbinas eólicas.
Um objetivo importante dos sistemas de pás maiores é controlar o peso das pás. Uma vez que as escalas de massa das pás são o cubo do raio da turbina, a carga devido à restrição da gravidade limita os sistemas com pás maiores. As cargas gravitacionais incluem cargas axiais e de tração/compressão (topo/fundo de rotação), bem como flexão (posições laterais). A magnitude destas cargas flutua ciclicamente e os momentos edgewise (ver abaixo) são invertidos a cada 180° de rotação. As velocidades típicas dos rotores e a vida útil do projeto são de ~10 e 20 anos, respectivamente, com o número de rotações na ordem de 10^8. Considerando o vento, é esperado que as pás da turbina passem por ~10^9 ciclos de carga. O vento é outra fonte de carga das pás do rotor. O vento é outra fonte de carga das pás do rotor. A elevação provoca a flexão no sentido plano (fora do plano do rotor) enquanto o fluxo de ar ao redor da pá provoca a flexão no sentido da borda (no plano do rotor). A flexão das tampas envolve tensão no lado da pressão (vento para cima) e compressão no lado da sucção (vento para baixo). A curvatura no sentido da borda envolve tensão na borda dianteira e compressão na borda traseira.
As cargas do vento são cíclicas devido à variabilidade natural da velocidade do vento e do cisalhamento do vento (velocidades mais altas no topo da rotação).
Falha na carga final das pás do rotor da turbina de vento expostas ao vento e à carga da gravidade é um modo de falha que precisa ser considerado quando as pás do rotor são projetadas. A velocidade do vento que causa a flexão das pás do rotor exibe uma variabilidade natural, assim como a resposta de tensão nas pás do rotor. Além disso, a resistência das pás do rotor, em termos de sua resistência à tração, exibe uma variabilidade natural.
Tendo em vista estes modos de falha e sistemas de pás cada vez maiores, tem havido um esforço contínuo para desenvolver materiais com maior custo-benefício e com relações de resistência à massa mais elevadas. Para prolongar a vida útil atual de 20 anos das pás e permitir que as pás de maior área sejam econômicas, o projeto e os materiais precisam ser otimizados para rigidez, resistência e resistência à fadiga.
A maioria das pás de turbinas eólicas comercializadas atualmente são feitas de polímeros reforçados com fibras (PRFV), que são compostos compostos que consistem de uma matriz de polímeros e fibras. As fibras longas fornecem rigidez e resistência longitudinal, e a matriz fornece resistência à fratura, resistência à delaminação, resistência fora do plano, e rigidez. Os índices de material baseados na maximização da eficiência de potência, e tendo alta resistência à fratura, resistência à fadiga e estabilidade térmica, têm se mostrado mais altos para plásticos reforçados com fibra de vidro e carbono (PRFV e PRFC).
Em lâminas de turbina, são usadas matrizes como termofixos ou termoplásticos, sendo a primeira mais comum. Estas permitem que as fibras sejam ligadas entre si e acrescentam tenacidade à lâmina. Os termofixos compõem 80% do mercado, pois permitem a cura a baixa temperatura e menor viscosidade, combinando para facilitar o processamento. Os termoplásticos oferecem reciclabilidade que os termoplásticos não oferecem, porém, a temperatura e viscosidade de processamento são muito mais altas, limitando o tamanho e a consistência que é importante para as lâminas grandes. A resistência à fratura é maior para os termoplásticos, mas o comportamento de fadiga é pior. Enquanto os termoplásticos oferecem uma possível vantagem ambiental, mais pesquisa precisa ser feita.
Lâminas de fabricação na faixa de 40 a 50 metros envolvem técnicas comprovadas de fabricação de compósitos de fibra de vidro. Fabricantes como a Nordex SE e GE Wind utilizam um processo de infusão. Outros fabricantes utilizam variações nesta técnica, alguns incluindo carbono e madeira com fibra de vidro numa matriz epoxi. Outras opções incluem a fibra de vidro pré-impregnada (“pré-impregnada”) e a moldagem por transferência de resina assistida por vácuo. Cada uma destas opções utiliza um compósito de polímero reforçado com fibra de vidro, construído com complexidade diferente. Talvez a maior questão com sistemas mais simplistas, de molde aberto e úmido são as emissões associadas aos orgânicos voláteis liberados. Materiais pré-impregnados e técnicas de infusão de resina evitam a liberação de voláteis ao conter todos os COVs. No entanto, estes processos contidos têm os seus desafios, nomeadamente, a produção de laminados espessos necessários para os componentes estruturais torna-se mais difícil. Como a permeabilidade da resina pré-formada dita a espessura máxima do laminado, é necessário sangramento para eliminar vazios e assegurar a distribuição adequada da resina. Uma solução para a distribuição da resina é uma fibra de vidro parcialmente impregnada. Durante a evacuação, o tecido seco fornece um caminho para o fluxo de ar e, uma vez aplicado calor e pressão, a resina pode fluir para a região seca, resultando em uma estrutura laminada completamente impregnada.
Compostos à base de epóxi têm vantagens ambientais, de produção e de custo em relação a outros sistemas de resina. Os epóxis também permitem ciclos de cura mais curtos, maior durabilidade e melhor acabamento superficial. As operações de pré-impregnado reduzem ainda mais o tempo de processamento em relação aos sistemas de assentamento úmido. À medida que as lâminas da turbina passam de 60 metros, as técnicas de infusão se tornam mais prevalentes; o tempo de injeção tradicional de transferência de resina é muito longo em comparação com o tempo de preparação da resina, limitando a espessura do laminado. A injeção força a resina através de uma pilha de lona mais grossa, depositando assim a resina na estrutura do laminado antes da gelificação. Resinas epoxídicas especializadas foram desenvolvidas para personalizar a vida útil e a viscosidade.
P>Partículas de carga reforçadas com fibra de carbono podem reduzir o peso e aumentar a rigidez. O uso de fibras de carbono em lâminas de turbina de 60 metros é estimado para reduzir a massa total das lâminas em 38% e diminuir o custo em 14% em comparação com 100% de fibra de vidro. As fibras de carbono têm a vantagem adicional de reduzir a espessura das secções laminadas de fibra de vidro, resolvendo ainda mais os problemas associados à humidificação da resina das secções espessas da camada. As turbinas eólicas também podem se beneficiar da tendência geral de aumento do uso e redução do custo dos materiais de fibra de carbono.
Embora as fibras de vidro e carbono tenham muitas qualidades ótimas para o desempenho das pás das turbinas, há vários aspectos negativos nessas cargas atuais, incluindo o fato de que a alta fração de carga (10-70 wt%) causa aumento de densidade, bem como defeitos microscópicos e vazios que muitas vezes levam a falhas prematuras.
Desenvolvimentos recentes incluem o interesse no uso de nanotubos de carbono (CNTs) para reforçar os nanocompósitos à base de polímeros. Os CNTs podem ser cultivados ou depositados sobre as fibras ou adicionados em resinas poliméricas como uma matriz para estruturas de PRFV. Usando CNTs nanoescala como enchimento em vez do tradicional enchimento em microescala (como fibras de vidro ou carbono) resulta em nanocompósitos CNT/polímero, cujas propriedades podem ser alteradas significativamente com teores de enchimento muito baixos (tipicamente < 5 wt%). Eles têm densidade muito baixa e melhoram o módulo elástico, a resistência e a resistência à fratura da matriz polimérica. A adição de CNTs à matriz também reduz a propagação de fissuras interlaminares que podem ser um problema nos PRFV tradicionais.
Corrente de pesquisa em uma fibra de carbono de baixo custo (LCCF) no Oak Ridge National Lab também ganhou atenção, no entanto, pois pode mitigar a degradação estrutural causada por descargas atmosféricas. Em turbinas eólicas de fibra de vidro, uma proteção contra descargas atmosféricas (LSP) é normalmente adicionada no topo, mas isto é efetivamente um peso morto em termos de contribuição estrutural. Substituir isto por fibra de carbono condutiva, especialmente porque a fibra de carbono é um material melhor, seria ideal.
Um outro desenvolvimento recente da pesquisa está usando compósitos poliméricos que apresentam propriedades auto-regenerativas para materiais de lâminas. Os polímeros auto-regeneráveis são atrativos para esta aplicação, pois as lâminas da turbina formam rachaduras por fadiga devido a tensões cíclicas repetitivas, descritas acima, podendo assim melhorar a confiabilidade e atuar como um tampão para vários defeitos e delaminação. Assim, nesta aplicação, o polímero é utilizado para curar as fissuras à medida que se formam. Especificamente, um estudo foca a incorporação de fios de cobre revestidos de parafina em um polímero reforçado com fibra para criar uma rede de tubos. Usando esses tubos, o diciclopentadieno (DCPD) e um catalisador, que então reagem para formar um polímero termofixo, que repara as rachaduras que se formam no material. Embora ainda seja cedo no processo R&D, ele oferece um desenvolvimento promissor, especialmente para redes de polímeros que são propensas a defeitos de fabricação ou turbinas em ambientes offshore que estão sujeitos a fadiga extremamente elevada devido a ventos fortes.
Outras melhorias são possíveis através do uso de nanofibras de carbono (CNFs) nos revestimentos de lâminas. Um grande problema em ambientes desérticos é a erosão dos bordos de ataque das pás pelo vento que transporta areia, o que aumenta a rugosidade e diminui o desempenho aerodinâmico. A resistência à erosão das partículas dos polímeros reforçados com fibras é fraca quando comparada com materiais metálicos e elastómeros, e precisa de ser melhorada. Foi demonstrado que a substituição da fibra de vidro por CNF na superfície do compósito melhora muito a resistência à erosão. Foi também demonstrado que os CNF fornecem uma boa condutividade eléctrica (importante para descargas atmosféricas), uma elevada taxa de amortecimento e uma boa resistência ao impacto-africção. Essas propriedades fazem do papel nano à base de CNF um revestimento prospectivo para lâminas de turbinas eólicas.
Para turbinas eólicas, especialmente aquelas offshore, ou em ambientes úmidos, a erosão superficial à base de água também ocorre. Por exemplo, em climas frios, o gelo pode acumular-se sobre as pás e aumentar a rugosidade, diminuindo a potência e a vida útil das pás das turbinas. Além disso, quando a lâmina está girando em altas velocidades, este mesmo impacto de erosão pode ocorrer a partir da água da chuva. Assim, um revestimento que tem um baixo custo de instalação e nenhum consumo de energia durante a sua vida útil é uma boa solução. Um revestimento deve ter as seguintes propriedades: boa aderência com a pá, resistência à temperatura (das mudanças sazonais), resistência às intempéries (para resistir à erosão do sal, chuva, areia, etc.), boa resistência mecânica, capacidade de suportar a luz ultravioleta, e ter propriedades anti-congelantes e retardadoras de chamas. Junto com isto, o revestimento deve ser barato e ecologicamente correto.
Uma área atual de pesquisa sobre estes revestimentos para a prevenção da erosão por gelo/água é Super superfícies hidrofóbicas (SHS), onde as gotas de água são colocadas, e rolam das lâminas enquanto giram. O SHS demonstrou também prevenir a formação de gelo, até -25 C, uma vez que se descobriu que altera o processo de formação de gelo; especificamente, pequenas ilhas de gelo formadas no SHS, em oposição a uma grande frente de gelo. Além disso, devido à superfície rebaixada da superfície hidrofóbica, as forças aerodinâmicas na lâmina permitiram que estas ilhas deslizassem para fora da lâmina, impedindo a formação de mais gelo. Outras estratégias para combinar estes revestimentos com elementos de aquecimento ao longo das lâminas para prevenir a formação de gelo estão sendo exploradas, mas à medida que a indústria pressiona para lâminas mais longas, o consumo de energia para aquecer as lâminas aumenta.
Outra importante fonte de degradação das lâminas da turbina são os danos causados por raios, que ao longo de uma vida útil normal de 25 anos, espera-se que sofram uma série de descargas atmosféricas ao longo de seu serviço. A gama de danos causados pelas descargas atmosféricas vai desde a simples queimadura e rachadura do material laminado ao nível da superfície, até rupturas na lâmina ou separação total nos adesivos que mantêm a lâmina unida. É mais comum observar descargas atmosféricas nas pontas das lâminas, especialmente em tempo chuvoso, devido à cablagem de cobre que atrai os raios. O método mais comum para combater isto, especialmente em materiais não condutores de pás como PRFV e PRFC, é adicionar “pára-raios”, que são meramente fios metálicos que proporcionam um caminho ininterrupto para o solo, pulando as pás e a caixa de engrenagens inteiramente para eliminar o risco de danos nesses componentes.
Reciclagem das pásEditar
O Global Wind Energy Council (GWEC) prevê que a energia eólica fornecerá 15,7% do total das necessidades energéticas mundiais até 2020, e 28,5% até 2030. Este aumento dramático na geração global de energia eólica exigirá a instalação de uma frota mais nova e maior de turbinas eólicas mais eficientes e o conseqüente descomissionamento das velhas. Com base num estudo realizado pela Associação Europeia de Energia Eólica, só no ano 2010, foram consumidos entre 110 e 140 quilotons de compósitos pela indústria de turbinas eólicas para a fabricação de pás. A maior parte do material das pás acabará por se transformar em resíduo e, para acomodar este nível de resíduos compostos, a única opção é a reciclagem. A partir de 2020, a maioria das pás em fim de uso são temporariamente armazenadas ou enviadas para aterros em vez de recicladas. Tipicamente, os polímeros reforçados com fibra de vidro (GFRP) compõem cerca de 70% do material laminado da lâmina. Os GFRPs dificultam a incineração e não são combustíveis. Portanto, os métodos convencionais de reciclagem precisam ser modificados. Atualmente, dependendo se as fibras individuais podem ser recuperadas, existem alguns métodos gerais de reciclagem de PRFV em pás de turbinas eólicas:
- Reciclagem Mecânica: Este método não recupera fibras individuais. Os processos iniciais envolvem a trituração, trituração ou moagem. As peças trituradas são então separadas em frações ricas em fibras e resinas. Estas frações são finalmente incorporadas em novos compósitos quer como cargas quer como reforços.
- Processamento químico/pirólise: A decomposição térmica dos compósitos é usada para recuperar as fibras individuais. Na pirólise, o material é aquecido até 500 °C num ambiente sem oxigénio, fazendo com que se decomponha em substâncias orgânicas e produtos gasosos de menor peso. As fibras de vidro geralmente perdem 50% da sua resistência inicial e podem agora ser desclassificadas para aplicações de reforço de fibras em pinturas ou betão. Pesquisas demonstraram que esta opção de fim de vida é capaz de recuperar até aproximadamente 19 MJ/kg. No entanto, este método tem um custo relativamente elevado e requer um pré-processamento mecânico semelhante. Além disso, ele ainda não foi modificado para satisfazer a necessidade futura de reciclagem de lâminas de turbinas eólicas em larga escala.
- Reciclagem estrutural direta de compósitos: Desenvolvido para combater as ineficiências e custos associados aos processos de reciclagem química, térmica e mecânica, que ou reduzem as propriedades de desempenho ou atuam apenas como enchimento para outros compósitos. A ideia geral deste método é reutilizar o compósito tal como está, o que pode ser conseguido especialmente em materiais compósitos maiores, pois pode ser dividido em várias peças que podem ser utilizadas em outras aplicações como está, sem alterar as propriedades químicas do componente compósito.
Um arranque, Global Fiberglass Solutions, afirma que tem um método para quebrar lâminas e pressioná-las em pellets e placas de fibra para serem usadas em pisos e paredes. A empresa começou a produzir amostras em uma fábrica em Sweetwater, Texas, perto da maior concentração de parques eólicos do continente. Ela planeja outra operação em Iowa.