Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Este estudio presenta el análisis de una turbina eólica de eje horizontal que utiliza cilindros en rotación, en lugar de aspas con perfiles alares. El principio de funcionamiento de este generador eólico es el efecto Magnus, el cual sucede cuando las aspas cilíndricas se ponen en rotación y se da una interacción entre la corriente de viento incidente y el aire que es arrastrado por las paredes de los cilindros en movimiento. De esta forma se obtiene la sustentación que pone en movimiento la turbina. El objetivo buscado es caracterizar este tipo de turbina y buscar sus posibles aplicaciones en ambientes urbanos, mediante modelos numéricos y matemáticos que permitan determinar los parámetros de funcionamiento de las turbinas eólicas Magnus de eje horizontal. Se incluye un análisis teórico del efecto Magnus mediante la teoría de Flujo Potencial, con el cual se logra obtener una expresión analítica de la fuerza que produce este efecto sobre un cilindro en rotación, partiendo de un flujo irrotacional, incompresible y no viscoso. Para estudiar el desempeño de la turbina, se propone un método numérico no iterativo, que es implementado en un código que permite predecir el rendimiento de turbinas de eje horizontal, el cual es validado con mediciones experimentales de turbinas convencionales. Posteriormente se adecúa el código para aplicarlo a turbinas Magnus y con ello se obtiene el comportamiento de la curva de potencia ante variaciones en la geometría y cantidad de cilindros, así como las velocidades angulares de la turbina y del aspa cilíndrica. Los resultados de las simulaciones numéricas se procesan para obtener un modelo matemático del comportamiento de la turbina, el cual permite definir parámetros óptimos de operación y establecer un valor máximo de 0,2 para el coeficiente de potencia de este generador eólico, en el marco de su aplicación en ambientes urbanos.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The constant human need for electricity, as well as the increasing demand for energy causes the use of finite sources, as oil and coal. The search for alternative energy sources as wind harvesting is the motivation for this master dissertation. Wind energy is a consolidated technology, mostly based on three blades wind turbine. This master thesis constitutes an analysis of a non-conventional wind machine, named Magnus wind turbine. The turbine s operation is based on the Magnus effect and its difference with respect to the traditional type is that it has rotating cylinders instead of fixed blades, which benefits an increase of generated power, since this turbine can produce power from low wind speeds. A method to track the maximum power point based on the control of the cylinders rotation is proposed, whereas in literature only fixed values were found for this variable. This Magnus turbine is used to drive a permanent magnet synchronous generator as a way to prove the theoretical predictions. The electrical generator also uses a specific method to track the maximum power point for the whole set. Simulated and practical results are demonstrating the performance of the Magnus wind turbine driving a permanent magnet synchronous generator. / A constante necessidade de energia elétrica, assim como o aumento de demanda, implica no uso de fontes de energia que são finitas, como o petróleo e o carvão. A busca por fontes alternativas de energia como a eólica é a motivação para este trabalho, também por a energia eólica ser uma tecnologia já consolidada, utilizando principalmente turbinas de três pás para a geração de energia. Esta dissertação trata da análise de uma turbina eólica não convencional, conhecida como turbina eólica Magnus para acionamento de geradores elétricos. A operação desta turbina é baseada no efeito Magnus e seu grande diferencial é que ao invés de pás fixas possui cilindros giratórios que ajudam no incremento de potência, já que a turbina pode produzir potência mesmo com baixas velocidades de vento. Um método de rastreamento de máxima potência é proposto baseando no controle da velocidade de rotação dos cilindros, já que na literatura são considerados apenas valores fixos para esta variável. A turbina Magnus é acoplada a um gerador síncrono a imã permanente, como forma de demonstração da precisão do método proposto na determinação do seu ponto de máxima potência. Paralelo a isto, o gerador também utiliza um método de rastreamento de máxima potência para que o conjunto inteiro trabalhe no ponto de máxima potência. Os resultados de simulação e práticos são apresentados para demonstrar o desempenho da turbina Magnus acoplada a um gerador síncrono a imã permanente.