Magíster en Ingeniería Civil Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / Este estudio presenta simulaciones numéricas de una turbina eólica de eje vertical (VAWT) tipo Darrieus utilizando técnicas de control de flujo pasivo, específicamente variando las temperaturas de superficie de álabe, con el objetivo de determinar si es posible obtener un mejor desempeño aerodinámico de la turbina. El gradiente de temperatura entre el álabe y el flujo puede generar atrasos o adelantos en el desprendimiento de la capa límite, y variaciones en la frecuencia de desprendimiento de vórtices. Luego, se pueden utilizar estas técnicas para reducir o aumentar fuerzas aerodinámicas donde sea favorable. Las simulaciones son realizadas con el método de volúmenes finitos utilizando un software comercial (ANSYS Fluent 13.0.0), con el modelo de turbulencia k-omega SST. Se utiliza un modelo bidimensional rotor-estator transiente, usando una malla deslizante, para así capturar los cambios en el flujo a través de la rotación. También se utiliza el Double-Multiple Streamtube Model (DMST) como método de validación numérica. Como resultados, se obtienen incrementos en el torque y potencia media de la turbina al enfriarla uniformemente, mientras que se obtienen caídas de torque y potencia media al calentarla uniformemente. Estos resultados se explican a través de la relación entre fuerzas aerodinámicas con las propiedades físicas, específicamente la densidad. No se nota reducción de arrastre a las temperaturas simuladas. Se propone para futuros trabajos la investigación de distribuciones de temperatura no uniformes en los álabes, y la generalización de este estudio a simulaciones tridimensionales.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / Este estudio presenta simulaciones numéricas del flujo de aire sobre edificios para diferentes configuraciones del entorno urbano. Al pasar sobre un obstáculo, el flujo de aire se acelera, este fenómeno puede ser aprovechado para la instalación de turbinas eólicas de pequeña escala. El principal objetivo de esta investigación es estudiar el recurso eólico cerca de edificios, en función de la configuración del entorno urbano, para así definir emplazamientos que sean favorables y estimar el potencial energético asociado. Esto se hace utilizando el método de volúmenes finitos mediante el software comercial ANSYS Fluent 14.5 y un posterior modelamiento matemático de las soluciones usando Wolfram Mathematica 8.0. A partir los resultados, se encuentra que la potencia disponible usando edificios como concentradores del recurso puede ser hasta 29% mayor que en el flujo libre. Se observa que la configuración urbana, el posicionamiento y el dimensionado de la turbina eólica son factores de gran importancia a la hora de ejecutar un proyecto. Estos resultados son explicados a través de los fenómenos físicos involucrados. Para futuros trabajos se propone incorporar el efecto de la aceleración vertical del aire, considerar más parámetros para describir el entorno urbano y retroalimentar los modelos matemáticos mediante mediciones de viento in-situ.

El presente trabajo de tesis desarrolla un procedimiento para analizar aerodinámicamente la hélice de un aerogenerador tripala de eje horizontal de 3kW mediante simulación numérica. El alcance del análisis aerodinámico para este trabajo abarca el análisis cualitativo de los resultados obtenidos por simulación numérica de líneas de flujo y mapa de presiones, entre otras. Además, realizar un análisis cuantitativo y comparativo de los valores de torque mecánico por dos métodos diferentes. El primer método, se le llama método o cálculo analítico, trabaja un proceso de cálculo iterativo para aerogeneradores de eje horizontal. A través de este proceso se calcula el valor aproximado de dos parámetros importantes (los factores de inducción) con los cuales es posible obtener la distribución de fuerzas y torque. En parte de este método, se aplica el software libre QBLADE, especializado en perfiles aerodinámicos. El segundo método es un análisis por volúmenes finitos para flujo externo mediante simulación numérica. En este procedimiento se desarrolla un modelo de simulación eficaz y eficiente, en cuanto a resultados y tiempo de uso computacional. De este método se obtiene líneas de flujo, mapa de presiones, mapa de contorno de la velocidad del flujo y representación gráfica de los remolinos formados en el extremo final de las palas. También se obtienen valores numéricos del torque mecánico para cada condición de trabajo de la hélice. Para este método se usa el software ANSYS CFX. Una vez obtenido los resultados, son comparados y analizados, siendo posible obtener conclusiones y recomendaciones útiles como procedimiento de investigaciones y diseños futuros. Se concluye que se tiene un modelo de simulación óptimo para el análisis planteado para este trabajo, con resultados físicamente admisibles según el límite de energía máxima extraíble del viento. El modelo de simulación es capaz de representar gráficamente, de manera correcta, los efectos físicos en el flujo, prueba fehaciente de ello son la concordancia de estos con sus esperados teóricos. Además se rescata la confiabilidad de los resultados por simulación al no alejarse demasiado de los analíticos, al tener que para condición de trabajo nominal, el valor de torque mecánico por simulación numérica (162.32 Nm) y el resultados por método analítico (178.61 Nm) generan un error relativo de 10%, y un error relativo máximo de 11% de las diferentes condiciones de trabajo analizadas. / Tesis

Since the turn of the century, the talk about the limited reserve of fossil fuels and the effects of their burning on our climate has become a major topic of the media. The evidence is staggering and as a consequence most of our world’s countries have started an energy transition. The main goal is to get away from fossil fuels and use “renewable energies”, so called because the resources are constantly renewed and compared to fossil fuels seem infinite. Energies such as solar, wind, biomass and geothermal are examples of such sources of renewables. Denmark is the current leader in wind generated electricity, California and Spain are showing how to harness the power of the Sun, and all those efforts to generate more with renewables has to be matched with the effort to make those solutions more efficient and more attractive to other countries who still view fossil fuels as the easy solution and keep on using them. With the knowledge available now renewables it feels for some that burning fossil fuels is a primitive solution. Nonetheless it should be the duty of engineers to enlarge and better that knowledge for everyone to use. Now more specifically about wind energy. Humans have harvested the energy in the wind for more than 2000 years (the Persians used windmills around 200 B.C.) and with time our technology has improved. They have designed incredible new machines such as the Savonius and Darreus type turbines and their knowledge of fluid dynamics has permitted the implementation of new streamlined blades that harvest more energy from the wind. Albert Betz has shown that a maximum of 59% was the limit for the efficiency of a wind-turbine. They have been getting closer to this number with the years but there is still room for improvement on certain types of turbines. Vertical axis wind turbines (or VAWTs) have always been considered not as suitable for energy production as horizontal type wind turbines. It is true because not all blades are exposed to the wind at all times (like in a horizontal axis wind turbine), but new studies have proved that streamlining the blades a certain way and adding a wing like thickness to them improved the overall efficiency of the turbine. Knowing that and considering that HAWTs are significantly cheaper to produce and maintain than HAWTS, it makes them a more viable solution notably for local decentralized production in isolated areas of the world.That leads to Peru. Peru is a fast growing still yet a 3rd world country. Its potential for renewable energies production (especially wind energy) is tremendous, yet the great amount of gas and oil available in the underground and them coming at a cheap price does not encourage the government to subsidize renewables. It leaves Peru dependent on foreign investments to develop this sector and takes away a great opportunity to forego its energetical transition and get ahead of competition in South America. Some projects have surfaced notably in northern Peru, in the Trujillo region, but there are few compared to the mega industry of oil and gas. This thesis paper has for goal to further the knowledge of wind turbines in the context of hoping to change Peru’s view on their use and also for the world to use as a database for further research and other works. / Tesis

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:40:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7011_1.pdf: 2413254 bytes, checksum: 70d29a97538ad63118aee52e1b7c7e23 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2003 / As perspectivas de um grande número de acessos de turbinas eólicas ao sistema elétrico brasileiro incentivaram estudos sobre os controles desses geradores e os impactos que causarão na rede elétrica. Este trabalho, dividido em duas etapas, contempla o estudo de técnicas de controle de geradores de indução, com rotor tipo gaiola ou bobinado, quando acionados por turbinas eólicas, conectados à rede ou isolados. Na primeira etapa, são desenvolvidos os algoritmos de simulação. São analisadas as conexões à rede de aerogeradores com estator diretamente ligado a ela ou duplamente alimentados, com o uso de rotor bobinado. Também é estudado o uso isolado do gerador com rotor tipo gaiola. Na segunda etapa, são apresentados os ensaios realizados em uma montagem, que simula um conjunto de aerogeração isolada, alimentando uma carga CC. Todo o trabalho busca analisar estratégias para controle instantâneo das potências ativa e reativa geradas pela máquina de indução. Para o acionamento das máquinas, são escolhidas as técnicas de controle vetorial, incluindo orientação pelo fluxo da máquina, usando o método direto e alimentação em corrente. Por fim, são apresentados e analisados os resultados dos casos de simulação com conexão à rede elétrica e comparados os resultados das simulações do uso isolado do gerador com o experimental

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2016. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-05-31T18:28:23Z No. of bitstreams: 1 2016_MarianelaMachucaMacías.pdf: 118682950 bytes, checksum: f7600b3eb8855ac1fa9acbe671dd0f2c (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-12-21T11:56:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_MarianelaMachucaMacías.pdf: 118682950 bytes, checksum: f7600b3eb8855ac1fa9acbe671dd0f2c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-21T11:56:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_MarianelaMachucaMacías.pdf: 118682950 bytes, checksum: f7600b3eb8855ac1fa9acbe671dd0f2c (MD5) / O presente trabalho teve como finalidade o estudo de turbinas de eixo horizontal, tanto eólicas como hidrocinéticas. O objetivo principal do estudo foi encontrar uma lei semi-empírica para realizar a transposição de resultados de desempenho de um modelo reduzido operando em ar para seu protótipo em água. Ensaios experimentais foram realizados no interior de um túnel de vento de seção 1,2 x 1,2 m para o modelo reduzido. Foram realizados testes para as velocidades de escoamento de 8, 10 e 12 m/s. A metodologia empregada nos ensaios baseou-se em manter a velocidade do escoamento constante e variar a velocidade de rotação da turbina. Um fator importante durante os ensaios foi o controle da velocidade de rotação por meio de um controlador PID e da técnica de modulação PWM. Velocidade de rotação e torque foram medidas para o levantamento das curvas de desempenho CpvsTSR. Foram colocados 'transitionstrips' sobre as pás para induzir a transição do escoamento do regime laminar para o turbulento, e correções de bloqueio tiveram que ser aplicadas sobre os resultados experimentais para diminuir os efeitos de parede do túnel de vento sobre os resultados medidos. A transposição de resultados foi realizada utilizando os dados de desempenho obtidos dos ensaios experimentais e a lei semi-empírica proposta. A equação de transposição proposta depende exclusivamente dos números de Reynolds do modelo e do protótipo e de um fator de escala, m. Este fator de escala é calculado a partir das equações da metodologia BEM, relacionando os coeficientes de potência com os fatores de indução axial e radial. Simulações numéricas CFD e BEM foram realizadas para modelo, em ar, e protótipo. No modelo reduzido, as simulações foram validades com os dados experimentais de Cp obtidos durante os ensaios em túnel de vento. Por outro lado, as simulações do protótipo foram usadas para validar os resultados obtidos da transposição de resultados. Por meio destes resultados, as metodologias numéricas e experimental foram validades. Cabe ressaltar, que a lei semi-empírica proposta é robusta, confiável e consistente para a turbina estudada neste trabalho. _________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The aim of this work was to study the horizontal axis hydrokinetic and wind turbines. The main objective of this study was to find a semi empirical law to make the transposition of the performance results of a small turbine, in air, to the prototype, in water. Experimental tests were carried out in a wind tunnel of 1,2 x 1,2 m of section to the small turbine. The tests were realized at wind speed of 8, 10 and 12 m/s. The methodology used in the tests was based in keep constant the wind speed and to varying the rotation velocity of the turbine. A key element of the methodology was the control of the rotation velocity using a PID controller and the modulation technique PWM. During the test torque and rotation velocity were measured. To achieve the expect results were located on the blades transition strips to force the transition from laminar flow to turbulent, and blockage effect of the wind tunnel wall was removed from the measured power data applying a blockage correction method. The transposition of results was carried out using the performance data obtained with the experimental tests and the semi empirical law proposed. The proposed equation dependence of the Reynolds numbers and a scale factor. The scale factor, m, is calculate using the equations of BEM method, which relates the power coefficients with axial and radial induction factors. CFD and BEM numerical simulations were realized to the small turbine, in the air, and the prototype, in water. In the case of the small turbine, the numerical simulations were validated with the Cp experimental data in the wind tunnel. For the other hand, the prototype simulations were used to validate the results obtained with the transposition of results. All that results validate the numerical and experimental methodology used. It should be noted that the semi empirical law proposed is robust for the turbine studied in this case.

DANTAS, F. M. V. Estudo multivariado de sinais de vibração em uma turbina eólica em escala reduzida. 2015. 96 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Hohana Sanders (hohanasanders@hotmail.com) on 2016-08-03T13:22:35Z No. of bitstreams: 1 2015_dis_fmvdantas.pdf: 3315065 bytes, checksum: be830fb706063a0d6e5c61301706b12f (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2016-08-05T16:55:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_dis_fmvdantas.pdf: 3315065 bytes, checksum: be830fb706063a0d6e5c61301706b12f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-05T16:55:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_dis_fmvdantas.pdf: 3315065 bytes, checksum: be830fb706063a0d6e5c61301706b12f (MD5) Previous issue date: 2015-09-17 / The main issues addressed in accurately modeling random vibration in wind turbines are due to the complexity of the structure, applied loads, and the operating environment. In this study, collected signals of structural vibrations of a reducedscale wind turbine were analyzed, firstly with a balanced set of three blades, and then with another set of three unbalanced ones for the , that is the TSR (Tip Speed Ratio). Aiming to understand the dynamics of change in vibration signals and to extend concepts and methods recently developed in statistical physics, extensive use of the DFA (Detrended Fluctuation Analysis); FFT (Fast Fourier Transform) and Hurst method (R/S); that in recent years has been cementing itself as a very soughtout technique for the determination of fractal scale properties and detection of longrange correlations in non-stationary noise time series; and the PCA (Principal Component Analysis) which is one of the simplest multi-variable methods. It was observed that the FFT method showed better results than the other methods, followed by DFA and, finally, the R / S. The λ = 6 blades showed the best results for rotation of 1100 RPM at the PCA, with cumulative variance of 82.39% and 82.34% in the FFT and DFA methods in the first two components. The λ = 7 blades showed better results for rotations of 600 RPM, 900 RPM and 1200 RPM at the PCA with variance 81.14%, 84.06% and 83.21%, respectively, in FFT method and variance 81.94% at 1200 RPM rotation in DFA method. It was found that in all methods with an unbalanced rotor blade showed greater average amplitude oscillation, followed by two unbalanced rotor blades and, finally, with balanced rotor. / Os principais problemas em modelar matematicamente com precisão as vibrações aleatórias em turbinas eólicas são devido à complexidade da estrutura, às cargas aplicadas se ao ambiente operacional. Neste estudo foram analisados os sinais de vibrações estruturais extraídos de uma turbina eólica de escala reduzida, primeiramente com um conjunto de três pás balanceadas e então com um conjunto de três pás desbalanceadas para os λ = 6 e 7, que é a razão de ponta de pá. Procurou-se entender a dinâmica das flutuações nos sinais de vibração e estender conceitos e métodos desenvolvidos recentemente em física estatística, fazendo uso da DFA (Detrended Fluctuation Analysis); FFT (Fast Fourier Transform); o método de Hurst (R/S) que nos últimos anos vêm se tornando técnicas extremamente úteis para determinação de propriedades de escala fractal e detecção de correlações de longo-alcance em ruídos de séries temporais não estacionárias; e da PCA (Principal Component Analysis), este último sendo um dos métodos de múltiplas variáveis mais simples. Foi observado que o método FFT apresentou melhores resultados do que os outros métodos, seguido pelo DFA e, por fim, o R/S. As pás de λ = 6 apresentaram os melhores resultados para a rotação de 1100 RPM no PCA, com variância acumulada de 82,39 % e 82,34 % nos métodos FFT e DFA nas duas primeiras componentes. As pás de λ = 7 apresentaram melhores resultados para as rotações de 600 RPM, 900 RPM e 1200 RPM no PCA, com variância de 81,14 %, 84,06 % e 83,21 %, respectivamente, no método FFT e variância de 81,94% na rotação de 1200 RPM no método DFA. Constatou-se em todos os métodos que o rotor com uma pá desbalanceada apresentou maior amplitude de oscilação média, seguida pelo rotor com duas pás desbalanceadas e, por último, com o rotor balanceado.

DINIZ, M. A. B. Desempenho aerodinâmico de uma turbina eólica em escala, perfil NREL S809,com diferentes velocidades específicas de projeto. 2014. 107 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2015-03-05T11:03:14Z No. of bitstreams: 1 2014_dis_mabdiniz.pdf: 1858273 bytes, checksum: 76279cf8ad43a1644a389895921fc0ea (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2015-03-24T11:12:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_dis_mabdiniz.pdf: 1858273 bytes, checksum: 76279cf8ad43a1644a389895921fc0ea (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-24T11:12:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_dis_mabdiniz.pdf: 1858273 bytes, checksum: 76279cf8ad43a1644a389895921fc0ea (MD5) Previous issue date: 2014-03-28 / The constancy of Brazilian winds and the need to mitigate the demand of large cities have found in wind energy a strong partner. As an alternative for the production of electrical power, modern buildings and condominiums, plus some rural applications, have resorted to small wind turbines as an alternative to solve your needs. However, most of the technology found in the market is imported and has not been developed exclusively for applications in Brazil. The most important tool in experimental aerodynamics is the wind tunnel. Scale controlled experiments provide a large number of reliable data, besides providing security to those who handle. Given its importance, this paper aims at the development, prototyping, and understands the behavior of a wind turbine rotor scale subjected to wind tunnel tests and compares the results with those in the literature for a prototype scale real. Therefore, it required the use of correction techniques blockage effects of the wind tunnel. It was designed and manufactured 4 sets of rotors with values specific tip speed of 6 to 9 (λp=6, 7, 8 e 9). The tests were conducted in a wind tunnel where velocity data free stream, stream velocity with the turbine in operation, and angular speed and torque generated by the blades, was collected in order to know the curve of each rotor. It was observed that in situations where the flow speeds are not representative enough to reach the higher values of λ range between 3 and 5,6, indicates a design with λp=6. Already in situations where the values of λ ranging between 4,7 and 7,3, λp=7 proved to be more efficient. Have λp=9 proved to be no advantage in comparison to other projects. By comparing the data obtained in this work with the literature and the BEM, it can be stated that the study of wind turbines in a wind tunnel is quite reliable. / A constância dos ventos brasileiros, e a necessidade de amenizar a demanda das grandes cidades encontraram na energia eólica uma forte parceira. Como uma alternativa na produção de energia elétrica, condomínios e prédios modernos, além de algumas aplicações rurais, têm recorrido às turbinas eólicas de pequeno porte como uma alternativa para sanar suas necessidades. Contudo, a maioria da tecnologia encontrada no mercado é importada e não foi desenvolvida exclusivamente para aplicações no Brasil. A ferramenta mais importante na aerodinâmica experimental é o túnel de vento. Experimentos controlados em escala fornecem um grande número de dados confiáveis, além de fornecer segurança a quem o manuseia. Dada a sua importância, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento, a prototipagem, e conhecer o comportamento de um rotor de turbina eólica em escala sujeito a testes em túnel de vento e comparar os resultados obtidos com os presentes na literatura para um protótipo em escala real. Para tanto, faz necessário o uso de técnicas de correção de efeitos de bloqueio de túnel de vento. Foi projetado e fabricado 4 conjuntos de rotores com valores de velocidade específica de ponta de 6 até 9 (λp=6, 7, 8 e 9). Os testes foram conduzidos em um túnel de vento onde foram coletados dados de velocidade de escoamento livre, velocidade de escoamento com a turbina em operação, além de medidas de velocidade angular e torque gerado pelas pás, com a finalidade de conhecer a curva de potência de cada rotor. Foi observado que em situações de escoamento em que as rotações não sejam representativas (o suficiente para atingir valores superiores ao intervalo de λ entre 3 e 5,6), indica-se um projeto com λp=6. Já em situações nas quais os valores de λ oscilam entre 4,7 e 7,3, λp=7 mostrou-se mais eficiente. Já λp=9 mostrou-se não vantajoso em comparação aos demais projetos. Ao comparar os dados obtidos neste trabalho com os da literatura e do BEM, pode-se afirmar que o estudo de turbinas eólicas em túnel de vento é bastante confiável.