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Tipo: Tese
Data do documento: 28-Out-2024
Autor(es): GOMES, Igor dos Santos
Primeiro(a) Orientador(a): VAZ, Jerson Rogério Pinheiro
Segundo(a) Orientador(a): WOOD, David Home
Título: . Caracterização física, aspectos morfológicos, comportamentos térmico e mecânico do pecíolo do miriti como um material potencial para aplicações em pás de turbinas eólicas.
Título(s) alternativo(s): Physical characterization, morphological aspects, thermal and mechanical behavior of miriti petiole as a potential material for applications in wind turbine blades
Agência de fomento: 
Citar como: GOMES, Igor dos Santos. Caracterização física, aspectos morfológicos, comportamentos térmico e mecânico do pecíolo do miriti como um material potencial para aplicações em pás de turbinas eólicas. Orientadores: Jerson Rogério Pinheiro Vaz; David Howe Wood. 2024. 225 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia) - Instituto de Tecnologia, , Universidade Federal do Pará, Belém, 2024. Disponível em:https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/16898 . Acesso em:.
Resumo: Em muitas pás de turbinas eólicas de pequeno porte, o espaço interno entre as cascas laminadas é preenchido por um núcleo de material. Neste contexto, com o objetivo de possibilitar a aplicação em pás de pequeno e grande porte, nesta tese é apresentado o pecíolo da palmeira do miriti (PMP), como um material potencial para esse tipo de aplicação. O PMP é abundante na região amazônica e sua colheita não destrói a palmeira porque o pecíolo cresce novamente, então a colheita é totalmente sustentável e pode muito bem ter um papel importante no aumento da sustentabilidade na fabricação de turbinas eólicas. Foi realizada a determinação das propriedades físicas, aspectos morfológicos, comportamento térmico e mecânico do PMP em comparação à madeira balsa (BW). Além disso, foram considerados os benefícios de usar o pecíolo facilmente trabalhado para o núcleo em termos de fabricação, conforme demonstrado pela construção de uma pá de 0,598 m e desempenho de partida da turbina em simulação computacional e em túnel de vento. Os resultados mostraram que o PMP é cerca de 50% menos denso que a BW. Como consequência disto, a simulação de partida da turbina mostrou que a baixa massa específica da pequena pá feita usando pecíolo de miriti reduz o tempo de partida em 10% quando comparado ao poliestireno expandido (EPS) e 42% quando comparado à BW. Ainda que o PMP e a BW possuam aspectos morfológicos semelhantes por tratam-se de materiais naturais, a BW tende a absorver cerca de 3,60 % mais umidade e cerca de 9% mais água que o PMP. O comportamento térmico do PMP mostra que este material possui estabilidade térmica até cerca de 200 °C e não compromete o seu uso em boa parte dos processos e métodos de fabricação de turbinas eólicas. Em relação às propriedades mecânicas de tração, compressão, flexão e cisalhamento, foi observado que tanto a BW quanto a PMP mostraram ter comportamento elasto-plástico. A maioria das propriedades mecânicas da BW são maiores do que as da PMP, mas as propriedades específicas do PMP, no entanto, são maiores do que as da BW, exceto aquelas em que a aplicação da carga não coincide com a direção dos feixes vasculares. A este exemplo, a resistência elástica específica e módulo de elasticidade específico em tração com carga aplicada 90° em relação ao feixe vascular e tração com carga aplicada 0° em relação ao feixe vascular do PMP são cerca de 13,5 %, 3 %, 30 % e 61 % maiores que as da BW. Já resistência elástica específica em compressão GS do PMP é cerca de 18,5% maior que a da BW. No que se refere ao cisalhamento, a resistência elástica específica e o módulo de elasticidade específico são na faixa de 20 % e 54,5 % maiores em comparação aos da BW. Os resultados de fadiga mostram que o PMP possui uma vida útil em fadiga de cerca de 106 ciclos. Os testes em túnel de vento mostraram que, independentemente da velocidade do vento, os melhores resultados para coeficientes de potência, torque e empuxo são observadas nas configurações de 6 pás, cujos valores são, respectivamente, 0,3083, 0,1224 e 2,2993 para 6 pás, sendo a λopt igual a 2,519. Na análise dos resultados experimentais rotação, empuxo, torque e razão de energia cinética durante a partida da turbina foram observados os períodos pelos quais esta passa ao longo dos estados transientes e estacionários em consonância com resultados encontrados na literatura. Os resultados apresentados neste trabalho mostram que o PMP tem potencialidade para aplicação em pás de turbinas eólicas, na medida em que neste tipo de aplicação combinação de materiais sustentáveis, com propriedades mecânicas específicas significativas, dentre outras, tais como a baixa massa específica, tem o potencial de melhorar o projeto da turbina para reduzir significativamente o comportamento de partida e aumentar a faixa operacional de alta eficiência.
Abstract: In many small wind turbine blades, the internal space between the laminated shells is filled with a core material. In this context, with the aim of enabling the application in both small and large blades, this thesis presents the petiole of the miriti palm (PMP) as a potential material for such applications. PMP is abundant in the Amazon region, and its harvesting does not harm the palm, as the petiole regrows, making the process fully sustainable. This could play an important role in enhancing the sustainability of wind turbine manufacturing. The physical properties, morphological aspects, and thermal and mechanical behaviors of PMP were determined and compared to balsa wood (BW). Additionally, the advantages of using the easily worked petiole for the core in manufacturing were considered, as demonstrated by the construction of a 0.598 m blade and starting performance tests of the turbine in both computational simulations and wind tunnel experiments. The results showed that PMP is about 50% less dense than BW. Consequently, turbine starting simulations indicated that the low density of the small blade made from PMP reduces starting time by 10% compared to EPS and by 42% compared to BW. While PMP and BW have similar morphological aspects as they are natural materials, BW tends to absorb about 3.6% more moisture and around 9% more water than PMP. The thermal behavior of PMP shows stability up to approximately 200°C, making it suitable for most wind turbine manufacturing processes. Regarding mechanical properties such as tensile, compression, bending, and shear strength, both BW and PMP exhibited elastoplastic behavior. Although BW generally possesses higher mechanical properties than PMP, the specific properties of PMP are greater than those of BW, except in cases where the load application does not align with the vascular bundle direction. For instance, the specific elastic strength and specific elastic modulus in tensile with a load applied at 90° in relation to the vascular bundle and in tensile with a load applied at 0° in relation to the vascular bundle of the PMP are approximately 13.5%, 3%, 30% and 61% higher than those of the BW, respectively. PMP’s specific elastic strength in GS compression is approximately 18.5% higher than BW. In shear strength, the specific elastic strength and specific modulus of elasticity of PMP are 20% and 54.5% higher compared to BW. Fatigue results indicate that PMP has a fatigue life of around 106 cycles. Wind tunnel tests showed that, regardless of wind speed, the best results for power coefficient, torque, and thrust were observed in 6-blade configurations, with values of 0.3083, 0.1224, and 2.2993 for λopt equal to 2.519. In analyzing the experimental results for rotation, thrust, torque, and kinetic energy ratio during turbine starting, the periods through which the turbine transitions between transient and steady states were observed, aligning with literature findings. The results presented in this work show that PMP has potential for application in wind turbine blades, as the combination of sustainable materials with significant specific mechanical properties, such as low density, has the potential to improve turbine design, reduce starting time, and extend the high-efficiency operating range.
Palavras-chave: Aerogeradores
Sustentabilidade.
Mauritia flexuosa
PMP (Pecíolo da palmeira do miriti)
Ochroma pyramidale.
Wind turbines
Área de Concentração: USO E TRANSFORMAÇÃO DE RECURSOS NATURAIS
Linha de Pesquisa: ENGENHARIA DE PROCESSOS
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Pará
Sigla da Instituição: UFPA
Instituto: Instituto de Tecnologia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Fonte URI: Disponível na internet via correio eletrônico: bibliotecaitec@ufpa.br
Fonte: 1 CD ROM
Aparece nas coleções:Teses em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia (Doutorado) - PRODERNA/ITEC

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