Los sistemas de generación de energía eléctrica eólicos se presentan como una alternativa para solucionar en parte los problemas de contaminación ambiental, esta tesis se desarrolla con la intención de diseñar un control difuso eficiente de una turbina eólica. Para cumplir con este objetivo, primero se definen las características de los componentes de un aerogenerador y se indica el potencial energético eólico de nuestro país, luego se desarrolla el modelo matemático no lineal de un aerogenerador de características específicas: turbina de eje horizontal de tres palas, generador eléctrico tipo jaula de ardilla (potencia nominal 0.66 MW), actuador del ángulo de paso β (ángulo de rotación de la pala de la turbina de viento, alrededor de su eje longitudinal) y se realizan las simulaciones del sistema modelado en el programa Simulink de MATLAB. Se realizó una revisión de la teoría del control difuso, antes de diseñar un controlador difuso basado en el modelo no lineal obtenido previamente. En el diseño del controlador de la potencia de un aerogenerador mediante la variación del ángulo de paso β, se presentan las funciones de pertenencia y la base de reglas difusas del controlador. Para hacer el controlador difuso más eficiente, se diseña una ganancia a la salida del controlador que minimice la integral del error cuadrático. Se desarrollaron simulaciones en Simulink del controlador difuso y el controlador convencional PID de la potencia generada por el aerogenerador y se mostró que el sistema con el controlador difuso, presenta una menor amplitud de las oscilaciones durante el transitorio y un menor valor de la integral del error cuadrático. / Tesis

O presente trabalho apresenta uma metodologia de simulação numérica de perfis aerodinâmicos bidimensionais com foco na utilização para o projeto e otimização de pás e rotores de pequenas turbinas eólicas de eixo horizontal, bem como o emprego desses métodos em simulações nas quais efeitos de alta solidez do rotor e baixos números de Reynolds são avaliados. Essa metodologia inclui geração de malhas, seleção de métodos numéricos e validação, tendo as escolhas sido guiadas pelas práticas mais bem sucedidas na simulação de perfis aerodinâmicos, e foi aplicada na simulação dos aerofólios NACA 0012, S809 e SD7062. O código comercial ANSYS Fluent foi utilizado em todas as simulações. Na simulação de aerofólios isolados a altos números de Reynolds dos perfis NACA 0012 e S809, o modelo Transition SST (γ-Reθ) apresentou resultados mais próximos a dados experimentais do que aqueles apresentados pelo modelo k-ω SST para CL e CD, além de produzir resultados para CP que mostraram boa precisão quando comparados aos mesmos dados experimentais. Resultados de CL, CD, CF e CP são apresentados para 20 diferentes condições de operação às quais o perfil SD7062 foi submetido, com números de Reynolds variando entre 25.000 e 125.000. As distribuições dos dois últimos coeficientes sobre os dorsos do aerofólio evidenciam com clareza a presença e magnitude da bolha de separação laminar. Os coeficientes de sustentação e arrasto mostram o impacto negativo da presença da bolha nessa faixa de números de Reynolds. Além disso, nos casos simulados, o arrasto aumenta em função da diminuição do Re. Um design de pá produzido com o auxílio do código de otimização SWRDC, baseado em algoritmos genéticos, é apresentado. Três seções ao longo da envergadura dessa pá foram simuladas em uma bateria de 45 simulações, sob diversas condições de operação em função de solidez, ângulo de ataque e razão de velocidade de ponta de pá. Esses resultados mostram que a bolha de separação laminar se move na direção do bordo de ataque com o aumento da solidez, do ângulo de ataque e da TSR. Além disso, distribuições do CP mostram aumento de pressão em ambos os dorsos do perfil quando submetido aos efeitos da solidez, embora esses efeitos tenham sido responsáveis por um aumento na relação CL/CD nos casos estudados. / This thesis presents a methodology of two-dimensional airfoil simulation focusing on its application on the design and optimization of blades and rotors of small horizontal axis wind turbines, and its application in a set of numerical simulations involving high rotor solidity and low-Re effects. This methodology includes grid generation, selection of numerical methods and validation, reflecting the most successful practices in airfoil simulation, and was applied in the simulation of the NACA 0012, S809 and SD7062 airfoils. The ANSYS Fluent commercial code was used in all simulations. Results for the isolated NACA 0012 and S809 airfoils at high Reynolds numbers show that the Transition SST (γ-Reθ) turbulence model produces results closer to experimental data than those yielded by the SST k-ω model for CL and CD, having also produced CP plots that show good agreement to the same experimental data. Plots of CL, CD, CF and CP for the SD7062 airfoil are presented, for simulations at 20 different operating conditions. The CF and CP distributions evidence the negative impact of the laminar separation bubble in the range of Reynolds numbers evaluated. Results show that, for Re between 25,000 and 125,000, drag increases with decreasing Re. A blade design generated using the SWRDC optimization code, based on genetic algorithms, is presented. Three sections of the resulting blade shape were selected and were tested in a set of 45 simulations, under an array of operating conditions defined by solidity, angle of attack and TSR. Results show that the laminar separation bubble moves towards the leading edge with increasing solidity, angle of attack and TSR. Furthermore, CP plots show an increase in pressure on both surfaces when the airfoil is subject to solidity effects, although these effects show an increase in the lift-to-drag ratio at the conditions evaluated.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2014-01-13T19:22:30Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModelosEquivalentesParques.pdf: 4550764 bytes, checksum: ed39593ae09824f918f5a406f7bdeaa5 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2014-01-16T11:59:36Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModelosEquivalentesParques.pdf: 4550764 bytes, checksum: ed39593ae09824f918f5a406f7bdeaa5 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-01-16T11:59:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModelosEquivalentesParques.pdf: 4550764 bytes, checksum: ed39593ae09824f918f5a406f7bdeaa5 (MD5) Previous issue date: 2013 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Esta dissertação apresenta uma metodologia baseada em algoritmo genético (AG) para determinar modelos dinâmicos equivalentes de parques eólicos com geradores de indução em gaiola de esquilo ( GIGE) e geradores de indução duplamente alimentados ( GIDA), apresentando parâmetros elétricos e mecânicos distintos. A técnica se baseia em uma formulação multiobjetiva solucionada por um AG para minimizar os erros quadráticos das potências ativa e reativa entre modelo de um único gerador equivalente e o modelo do parque eólico investigado. A influência do modelo equivalente do parque eólico no comportamento dinâmico dos geradores síncronos é também investigada por meio do método proposto. A abordagem é testada em um parque eólico de 10MW composto por quatro turbinas eólicas ( 2x2MW e 2x3MW), consistindo alternadamente de geradores GIGE e GIDA interligados a uma barra infinita e posteriormente a rede elétrica do IEEE 14 barras. Os resultados obtidos pelo uso do modelo dinâmico detalhado para a representação do parque eólico são comparados aos do modelo equivalente proposto para avaliar a precisão e o custo computacional do modelo proposto. / This work presents a genetic algorithm-based methodology that determines aggregated dynamic models of both squirrel cage induction generator (SCIG) and double fed induction generator (DFIG), presenting different electrical and mechanical parameters. The technique is based on a multi-objective optimal formulation solved by a genetic algorithm to minimize the quadratic error of the active power and reactive power between flue equivalent single-generator model and the investigated wind farm. The influence of flue wind farm equivalent model on flue dynamic behavior of synchronous generators in flue power system, are also investigated by using the proposed method. The approach is tested on a 10MW wind farm consisting of 4 wind turbines (2 x 2MW and 2 x 3MW) when both SCIG and DFIG are alternately integrated on the infinite bus and IEEE 14-bus power system. The results obtained using the detailed dynamic model for the wind farm representation are compared against those obtained with flue proposed aggregated model to evaluate the accuracy and the computational cost of the proposed model.

Made available in DSpace on 2017-07-10T17:11:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO VANESSAVIQUETTI LOWENBERG.pdf: 2250957 bytes, checksum: 81895e5a2a510f6aea4627b4b6c0d230 (MD5) Previous issue date: 2013-04-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work considers the connection of wind power units to the distribution system, aiming at verifying the maximum power limits that can be connected complying with given connection requirements. The maximum power limits have been characterized in terms of maximum integration levels, to the equivalent capacity in the connection node, and in terms of maximum penetration levels, to the full load power feeder. The steady-state voltage in the distribution system nodes has to comply with a priori given maximum variation limits for all possible wind farm working conditions, supplying from 20 to 100% of its nominal power. The research has been developed in two different distribution feeders: a 5-nodes distribution feeder, connecting the wind farm at four different points and considering three different load levels; a 32-nodes distribution feeder, connecting the wind farm to ten different nodes of the system and also considering three different load levels. The maximum integration and penetration levels of wind power have been evaluated in terms of (i) the connection node characteristics (equivalent X/R ratio impedance and voltage); (ii) the feeder load; (iii) the connection node. The connection of either one or two wind farms has been considered for both feeders, assuming wind farms with equal characteristics. The analysis showed strong influence of the impedance X/R ratio on the maximum wind energy integration and penetration levels. The feeder load influences these levels in a non-linear manner and in some cases also an in inverse way, i.e. the load increasing can either increase or decrease the maximum integration level. The equivalent voltage influence on the maximum wind power integration and penetration was not evident in the performed tests. The feeder structure did influence the levels since, in many cases, the maximum integration and penetration levels of wind power have not been determined by the voltage in the connection node but by the voltage in other feeder s node. In general, the connection of two wind farms showed higher wind energy penetration levels compared to only one wind farm, being more or less expressive according to the connecting node characteristics. / Este trabalho se insere no contexto do estudo da conexão de unidades de geração eólica em sistemas de distribuição no sentido de verificar quais os limites máximos de potência que po- dem ser interligados atendendo a determinados requisitos de conexão. Os limites máximos de potência são caracterizados em termos dos níveis máximos de inserção de geração eólica, relativos à capacidade equivalente vista pelo nó de conexão, e da máxima penetração de geração eólica, relativos à carga instalada no alimentador. Exige-se que a tensão de regime permanente nos nós do alimentador de distribuição atenda a limites máximos pré-estabelecidos de variação para todas as condições operativas possíveis do parque eólico produzindo desde 20% até 100% de sua potência nominal. O estudo foi realizado através de simulação computacional sobre dois alimentadores de distribuição diferentes: um alimentador com 5 nós, conectando o parque eólico em quatro diferentes pontos deste sistema e considerando três níveis diferentes de carregamento; e um alimentador com 32 nós, conectando o parque eólico em dez diferentes pontos deste sistema e considerando também três níveis diferentes de carregamento. Os níveis máximos de inserção e penetração de geração eólica foram analisados em função: (i) das características do nó de conexão (relação X/R da impedância e tensão equivalentes); (ii) do carregamento do alimentador; (iii) do nó de conexão. Para os dois alimentadores foram considerados os casos da conexão de um e de dois parques eólicos, sendo que em todos os casos foram adotados parques eólicos idênticos. As análises realizadas mostraram grande influência da relação X/R da impedância equivalente tanto sobre a inserção quanto a penetração de geração eólica. O carregamento do alimentador influenciou de maneira não linear e também em alguns casos de maneira inversa, significando que o aumento do carregamento pode tanto aumentar quanto reduzir a máxima inserção de geração eólica. A influência da tensão equivalente sobre a inserção e penetração de geração eólica não mostrou-se muito evidente nos testes realizados. A topologia do alimentador teve influência, pois em diversos casos os limites má- ximos de inserção e penetração de geração eólica foram determinados pela tensão em nós do alimentador distintos do nó de conexão do parque. De maneira geral, a conexão de dois parques eólicos mostrou atingir níveis superiores de penetração de geração eólica em comparação a um só parque, podendo ser mais ou menos expressiva conforme a característica dos nós de conexão envolvidos.

Submitted by camilla martins (camillasmmartins@gmail.com) on 2017-03-27T12:56:07Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ModelagemAvaliacaoEstabilidade.pdf: 1570942 bytes, checksum: e3f21223faf8a1c384464f9dccd3fd73 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-03-27T16:18:43Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ModelagemAvaliacaoEstabilidade.pdf: 1570942 bytes, checksum: e3f21223faf8a1c384464f9dccd3fd73 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-27T16:18:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ModelagemAvaliacaoEstabilidade.pdf: 1570942 bytes, checksum: e3f21223faf8a1c384464f9dccd3fd73 (MD5) Previous issue date: 2005-04-29 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho apresenta-se o estudo do comportamento dinâmico dos aerogeradores de velocidade variável que utilizam a máquina síncrona com magneto permanente, comparando-a com máquinas assíncronas duplamente excitadas e com rotor em gaiola. São apresentados os estudos transitórios que devem ser realizados quando da avaliação dos impactos da conexão de parques eólicos que adotam estas concepções tecnológicas de aerogeradores, em um sistema elétrico de potência padrão, supondo a operação da geração eólica em conjunto com centrais de geração convencionais, acionadas com máquinas primárias a diesel. Os estudos realizados no trabalho são desenvolvidos através de simulações em um algoritmo de análise de estabilidade transitória, o qual foi desenvolvido em ambiente de simulação matemática MATLABTM. / This work presents a study of the dynamic behaviour of permanent magnet variable speed wind generators, comparing it with doubly-fed and squirrel cage assynchronous generators. It also presents transient studies that have to be considered when evaluating the impacts of the grid-connection of wind turbines in the presence of the three technologies mentioned above, inserted in a standard electrical power system and supposing the operation of the wind farm together with conventional generation sources that use a diesel prime mover. The studies developed in this work are simulated through an algorithm of transient stability analysis, developed on MATLABTM computational programming language.

Amongst the available renewable energy sources, offshore wind energy is having a rapid expansion. Renewable energies are viewed as an environmental benign alternative to the energy production based on fossil fuels, but the emerging development of offshore wind energy has also raised public concern over its potential impact on seabird communities. To assess this impact, seabird distribution and abundance maps are usually included in Strategic Environmental Assessments (SEA) and Environmental Impact Assessments (EIA). Nevertheless few studies have attempted to develop analytical methods to assess quantitatively the potential impacts of offshore wind farms on birds based on seabird distribution data. This PhD study aims to contribute to fill in this gap in the methodological approach. The thesis is a compilation of four studies, two published papers, one submitted manuscript and another ready for submission. These studies focus on different analytical approaches that integrate the spatial and temporal dimension of seabird distribution at large scale and regional and local scale. After presenting these integrative tools I provide practical guidelines for practitioners on how to integrate the tools in the design of SEAs and EIAs. / D’entre totes les fonts d’energia renovable disponibles actualment, l’energia eòlica marina està tenint una ràpida expansió. Les energies renovables es veuen com una bona alternativa per reduir el nostre ús dels combustibles fòssils. El desenvolupament de l’energia eòlica marina, però, també planteja incògnites i preocupació respecte els seus possibles efectes sobre les comunitats d’aus marines. Per avaluar aquest impacte, tant els mapes de distribució com els mapes d’abundància de les aus marines es solen incloure en les avaluacions ambientals estratègiques (AAE) i les avaluacions d'impacte ambiental (AIA). No obstant això, pocs estudis han intentat desenvolupar mètodes analítics per quantificar els impactes potencials dels parcs eòlics marins basats en les dades de distribució i abundància de les aus. Aquest treball de doctorat té com a objectiu contribuir a omplir aquest buit que hi ha a nivell metodològic. La tesi és un recull de quatre estudis, dos articles publicats, un manuscrit enviat i un altre llest per enviar. Aquests estudis es centren en diferents mètodes analítics que integren la dimensió espacial i temporal de la distribució d'aus marines a gran escala i a escala regional i local. Després de presentar aquestes eines d'integració en detall, presento una sèrie de recomanacions i directrius pràctiques sobre la manera òptima d'integrar aquestes eines en el disseny d'EAE i EIA, dirigides principalment a tots aquells experts involucrats en el disseny d’Avaluacions ambientals, tant a nivell estratègic com local. / De entre todas las fuentes de energía renovable disponibles actualmente, la energía eólica marina destaca por su rápida expansión. Las energías renovables están muy bien consideradas como alternativa para reducir nuestro uso de combustibles fósiles. Sin embargo, el desarrollo de la energía eólica marina también plantea incógnitas y cierto grado de preocupación respecto a sus posibles efectos sobre las comunidades de aves marinas. Para evaluar este impacto, se suele incluir mapas de distribución y de abundancia de aves en las Evaluaciones Ambientales Estratégicas (EAE) y las Evaluaciones de Impacto Ambiental (EIA) para este tipo de instalaciones. Sin embargo, pocos estudios han intentado desarrollar métodos analíticos para cuantificar los impactos potenciales de los parques eólicos marinos basados en los datos de distribución y abundancia de las aves. Este trabajo de doctorado tiene como objetivo contribuir a llenar este vacío que existe a nivel metodológico. La tesis es una recopilación de cuatro estudios, dos artículos publicados, un manuscrito enviado y otro listo para enviar. Estos estudios se centran en diferentes métodos analíticos que integran la dimensión espacial y temporal de la distribución de aves marinas a gran escala y a escala regional y local. Tras presentar con detalle estas herramientas de integración, presento una serie de recomendaciones y directrices prácticas sobre la manera óptima de integrar estas herramientas en el diseño de los EAE y EIA, dirigidas principalmente a todos aquellos expertos involucrados en el diseño de Evaluaciones ambientales, tanto a nivel estratégico como local.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The lodgment of wind sites is in a visible growing demand not only in Brazil, but all over the world. The wind energy, even though consolidated, still hosts many scientific researches and industrial development in several areas such as control, power converter topologies and stability of grid connected wind turbines (WT). Due to the remarkable development of this technology in the market and the wind seasonality characteristics, it is difficult to study this power source in its operation field. Thus, a controlled environment for testing is desirable. This dissertation presents a topology of horizontal axis wind turbines (HAWT) emulator using a DC motor to provide an electrical generator the same torque that it would if it was driven by a typical WT. In addition to the static model, represented by the pitch angle and power coefficient, a dynamic model of HAWT is proposed in order to improve the representation of real turbines in the field, which allows characterizing the effect of wind shear, towering shadowing and turbine yaw. Furthermore, it permits emulating large inertia machines through smaller engines, by changing the torque imposed on the generator. The appealing motivation in this thesis is that the Magnus turbine emulation includes a relative new type of wind machine that possesses rotating cylinders instead of the traditional propeller blades in traditional HAWT. It is shown how these cylinders increase the available torque, then producing useful power even at lower wind speeds. Simulated and experimental results to evaluate the performance of the wind turbine emulator are presented. Both turbines are analyzed with and without MPPT. Finally the conclusions of this work are presented as well as new proposals for future works. / A instalação de parques eólicos tem se expandido não só no mundo, mas também no Brasil. A energia eólica, apesar de ser já bastante consolidada, ainda é palco para muitos trabalhos científicos e pesquisas na indústria nas áreas de controle, topologias de conversores de potência e estabilidade na conexão de aerogeradores com a rede. Devido a este fato junto com a sazonalidade do vento, torna-se difícil estudar esse tipo de fonte em seu âmbito de operação, sendo assim desejável um ambiente controlado para testes. Esta dissertação apresenta uma topologia para emulação de turbinas de eixo horizontal (HAWT) utilizando um motor de corrente contínua para acionar geradores com o mesmo torque que haveria caso estivessem acoplados a uma turbina real. Para melhor verossimilhança com as turbinas em campo, além do modelo estático composto pelo ângulo de passo das pás e o coeficiente de potência, propõe-se um modelo dinâmico para representar o efeito cortante do vento, o sombreamento da torre e o direcionamento da turbina em relação ao vento. Além do mais, o modelo proposto permite também a emulação de máquinas de grande inércia usando motores de menor porte, pela simples alteração do torque imposto ao gerador. O diferencial nesta dissertação consiste na possibilidade de emulação da turbina Magnus, que é um aerogerador que possui cilindros girantes no lugar das tradicionais pás presentes nas HAWT, que aumentam o torque disponível. Com isto, pode-se mostrar como a turbina Magnus pode gerar maior potência em baixas velocidades vento. São apresentados então os resultados simulados e experimentais avaliando o comportamento completo do emulador de turbinas eólicas. Ambas as turbinas são analisadas com e sem MPPT. Finalmente, são mostradas as conclusões do trabalho e as propostas para futuros trabalhos.

Este trabalho apresenta a simulação numérica do escoamento turbulento em torno de uma turbina eólica de eixo vertical de pequeno porte, Savonius tipo helicoidal com torção de 180° nas pás. Com o intuito de avaliar a metodologia computacional empregada os resultados numéricos obtidos são comparados com os resultados experimental e numérico contidos no estado da arte. Também, compara-se o coeficiente de toque da turbina Savonius helicoidal com a turbina Savonius convencional. As simulações numéricas são baseadas no Método de Volumes Finitos, e para tal emprega-se o programa Fluent /Ansys versão 13.0 que resolve as equações da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds, juntamente com o modelo de turbulência . As simulações são desenvolvidas empregando diferentes malhas computacionais em estudos transientes, tridimensionais, com a turbina estacionária. A avaliação da qualidade da malha é realizada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI) o qual analisa o quão longe os resultados estão da solução assintótica para a malha utilizada. Após a análise da qualidade de malha, realizam-se simulações com a turbina em rotação as quais fazem uso da malha contendo uma região móvel possibilitando a imposição de uma velocidade angular ao rotor. O coeficiente de torque é obtido nas simulações e a partir dele calcula-se o coeficiente de potência. Além da análise do desempenho do rotor realiza-se uma análise qualitativa das características do escoamento sobre a turbina. A turbina Savonius helicoidal apresenta um valor de coeficiente de potência de 0,175 para a razão de velocidade de ponta de 0,58 considerando correção do efeito de bloqueio. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com os resultados publicados por outros autores. / This dissertation presents the numerical simulation of the turbulent flow around of a small sized vertical axis wind turbine, consisting in a helical Savonius type with a 180° degree of blade twist. In order to evaluate the used methodology the obtained results are compared with the state of the art numerical and experimental data. It will be also presented the comparison between the torque coefficient of the conventional Savonius turbine and the helical Savonius turbine. The numerical simulations are based on the Finite Volume Method (FVM), using the commercial code Fluent/ANSYS version 13.0, which solves the continuity and Navier-Stokes through the Reynolds time-averaged methodology, including the turbulence model. The simulations are developed using different computational meshes for transient and three-dimensional studies with the stationary turbine. The evaluating the quality of the mesh is performed by of Grid Convergence Index (GCI) method which analyzes how far the results are the asymptotic solution to the mesh used. After the evaluation of the mesh quality, it was simulated a case considering the rotor motion using the moving mesh configuration, allowing the imposition of an angular velocity to the turbine. In the post-processing stage, it is possible to obtain the torque coefficient on the rotor shaft, allowing the calculation of the power coefficient for the turbine. In addition to the performance analysis, it is also made a qualitative analysis of the flow characteristics over the turbine rotor and in both cases presenting a good correspondence with the results in the literature. The helical Savonius turbine presents a value of power coefficient of 0.175 to a tip speed ratio of 0.58 whereas blocking effect correction.

O experimento Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, realizado no ano de 2000 pelo Laboratório Nacional norte-americano para as Energias Renováveis (NREL) no túnel de vento Ames da NASA, foi reproduzido numericamente neste trabalho. O objetivo é o estudo das características da esteira aerodinâmica produzida pela turbina eólica de duas pás e 10 metros de diâmetro, operando à velocidade de rotação constante de 72 RPM, sujeita a uma velocidade de corrente livre do vento uniforme de 9 m/s, em um túnel de vento cuja seção de testes mede 36,6 m de largura por 24,4 m de altura e o comprimento mede 170 m. Para isso, foi utilizado o programa comercial ANSYS FLUENT versão 13.0, baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das Equações de Navier-Stokes em regime transiente em conjunto com a Simulação de Grandes Escalas (SGE) para resolver a turbulência. As geometrias de todos os componentes da máquina foram criadas em software CAD. Um domínio móvel em forma de disco, contendo as pás do rotor e o hub da máquina, foi criado separadamente, e posteriormente inserido no domínio principal, estático, usando a ferramenta Moving Mesh disponível no software FLUENT. Ambos os domínios foram preenchidos por malhas compostas por tetraedros. Dados provenientes das simulações numéricas foram comparados aos dados experimentais de velocidade fornecidos por dois anemômetros sônicos instalados 5,8 m à jusante do rotor, ao que foi verificada boa concordância, com diferenças da ordem de 1% para o anemômetro 1 e 6% para o anemômetro 2. Resultados de velocidade na linha de centro do túnel e perfis de velocidade à jusante foram comparados com recente estudo numérico, e revelam diferenças importantes entre dados obtidos pela SGE, principalmente no que se refere à detecção de picos e flutuações relacionados às escalas turbulentas, e dados obtidos através da modelagem clássica da turbulência, RANS. As perturbações ultrapassaram a marca dos 10 diâmetros à jusante e atingiram o final do domínio localizado a 15 diâmetros. A esteira não apresentou simetria axial, e o ponto de maior redução na velocidade do escoamento foi detectado fora da linha de centro do rotor. / The Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, which has been carried out in 2000 by the US National Renewable Energy Laboratory (NREL) at the NASA Ames wind tunnel, has been numerically reproduced. The purpose of this work is to study the characteristics of the wind wake produced by the 10 meter two bladed wind turbine, operating at a constant rotational speed of 72 RPM, subject to a free stream wind velocity of 9 m/s, inside a wind tunnel in which dimensions are 36.6 m in width, 24.4 m in height and length of 170 m. To achieve that, the ANSYS FLUENT version 13.0 commercial code, based in the Finite Volume Method to numerically solve the Navier-Stokes equations in transient state, has been used, together with the Large Eddy Simulation (LES) to characterize the turbulence. Geometries of all the machine components have been created in CAD software. A disc shaped moving domain, containing the blades and hub, has been created separately, and later inserted into the main, static domain, using the Moving Mesh tool available in the software. Both domains have been filled with meshes composed by tetrahedra. Data collected at the numerical simulations have been compared to experimental wind speed data provided by two sonic anemometers installed 5.8 m downstream from the rotor, for which a good agreement has been found, with differences of approximately 1% to the anemometer 1 and 6% to the anemometer 2. Results of wind velocity at the tunnel centerline and velocity profiles downstream have been compared with recent numerical study, and show important differences between data obtained by LES, especially with regard to the detection of peaks and fluctuations related to the turbulent scales, and data obtained by the classic turbulence modeling, RANS. Disturbances have passed the 10 diameter mark and reached the end at the domain located at 15 diameters. The wake did not show axial symmetry and the point of maximum reduction in the flow speed was detected outside the rotor centerline.

O presente trabalho realiza um estudo do desempenho aerodinâmico da turbina eólica de duas pás e 10 m de diâmetro da UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames, através do uso de dinâmica dos fluidos computacional (CFD). Para tanto são apresentados conceitos fundamentais para análise da performance do aerogerador, a metodologia aplicada para a análise numérica e os resultados obtidos. O modelo geométrico da turbina foi inserido em ambiente computacional num domínio com as mesmas dimensões da seção de testes do túnel de vento. A esse domínio foi empregada uma malha de elementos tetraédricos. A modelagem numérica e as simulações foram efetuadas através do código comercial ANSYS FLUENT 13.0 e utilizaram as equações médias de Reynolds e modelos de turbulência k  SST e Spalart-Allmaras. A turbina simulada possui ângulo de giro (yaw) e de cone de 0°. Os casos simulados foram de turbina com ângulos de passo das pás de 0° e 3°, para velocidades de ar na entrada do domínio de 5 m/s, 7 m/s e 9 m/s. As simulações foram feitas em regime transiente utilizando o método de malha móvel. Dados provenientes da simulação numérica são comparados aos dados experimentais de empuxo, torque e potência, divulgados pelo laboratório. Os modelos de turbulência testados apresentaram boa concordância com os resultados experimentais de empuxo. O torque e a potência foram bem previstos para velocidades de entrada do domínio baixas, mas foram subdimensionados para velocidades mais altas. A separação da camada limite foi prevista por ambos os modelos. Na comparação com resultados obtidos com outros autores para o mesmo caso, o início de descolamento da camada limite se deu antes do previsto. A metodologia adotada nas simulações numéricas realizadas mostrou-se adequada e representativa nas análises desse estudo. / This study makes a CFD analysis of the aerodynamic performance of the NREL UAE Phase VI two-bladed wind turbine, which have been tested in the NASA Ames wind tunnel. Fundamental concepts on the evaluation of turbine performance, the applied methodology for the numerical analysis and the results are presented. A numerical model has been inserted in a computational environment that has the same dimensions as the real wind tunnel section, and a tetrahedral mesh has been created to fill this domain. Numerical modeling and the simulations have been performed using the ANSYS FLUENT 13.0 commercial code, making use of the RANS equations and the k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models. The simulated turbine has 0 degrees of cone and yaw angle. Simulations were performed in unsteady state using the moving mesh technique. Results are compared to experimental data regarding to thrust, torque and power. The k  SST and Spalart-Allmaras turbulence models have shown good agreement with experimental values of thrust. Torque and power have been adequately predicted to lower free flow velocities, but have been underpredicted to higher velocities. Separation of the boundary layer has been adequately predicted by both models, but the beginning of the separation occurred earlier than expected in comparison with results of other authors to the same case. The methodology used in the numerical simulations proved to be adequate and representative in this study.