Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El propósito del presente trabajo es formular una herramienta computacional de bajo costo que determine la potencia y la expansión de flujo de turbinas eólicas de eje vertical (VAWTs) tipo Darrieus. Esta herramienta puede ser útil para predecir el desempeño aerodinámico de VAWTs en ambientes urbanos o en granjas eólicas. En este trabajo se realizan variaciones en el modelo doble-múltiple tubos de corriente (DMS) para turbinas Darrieus de álabes rectos (SB-VAWTs) con el fin de mejorar las predicciones de desempeño aerodinámico y expansión del flujo. Se presentan los antecedentes generales y el marco teórico del modelamiento de las Darrieus SB-VAWTs. El caso de referencia está compuesto por las mediciones de campo de una Darrieus SB-VAWT de 12 kW (6 m de diámetro) encontradas en la literatura y las simulaciones computacionales bidimensionales realizadas en el software ANSYS Fluent 13.0. Se plantea y verifica una representación matemática de las líneas de corriente para modelar el promedio temporal de la expansión de flujo alrededor de SB-VAWTs. Se presenta una nueva formulación del modelo DMS basado en momentum con expansión de flujo. El desempeño aerodinámico y la expansión de flujo son calculados en MATLAB utilizando coeficientes aerodinámicos empíricos y los resultados de las simulaciones computacionales. Se propone una nueva formulación del modelo DMS basado en la conservación de energía mecánica. Ambas formulaciones estudiadas presentan problemas de convergencia para altas razones de velocidades de punta de álabe. Las predicciones de expansión de flujo se encuentran alejadas de las obtenidas en las simulaciones computacionales. Se cuantifica e interpreta el error de los modelos DMS basados en momentum y en energía al imponer la expansión obtenida por las simulaciones computacionales. A partir de los datos de fuerza en el sentido del flujo y la expansión de los tubos de corriente, se propone una ecuación alternativa para el balance de momentum lineal considerando un modelo de múltiples tubos de corriente. Dicha relación permite la convergencia y una buena estimación de la expansión del flujo para todas las velocidades de rotación de turbina estudiadas. Se recomienda como trabajo futuro el mejoramiento del cálculo de las fuerzas aerodinámicas basadas en coeficientes aerodinámicos empíricos considerando los efectos dinámicos.

Este trabalho tem como proposta desenvolver um difusor aerodinâmico compacto para uma turbina eólica de pequena escala, objetivando alcançar um melhor start rotacional (menor torque de partida para rotacionar) em baixas velocidades de vento. Um difusor é uma estrutura em forma de aro envolta ao rotor da turbina eólica, sua função é amplificar a captação e aceleração do vento, explorando os efeitos aerodinâmicos das zonas de vórtices de baixa pressão na saída do difusor. O estudo concentrar-se-á na manipulação da geometria dos difusores, analisando como seu design impacta no seu comportamento aerodinâmico impacta na capacidade do difusor equacionar as zonas de alta e baixa pressão ao longo de sua estrutura, essa relação é determinante para o efeito aerodinâmico que acelera o escoamento de ar, resultando em um start rotacional em baixas velocidade de vento. O ponto de partida para este trabalho são os estudos desenvolvidos por Ohya et al. (2010) sobre difusores compactos-flangeados (compact-type brimmed diffuser) para turbinas eólicas, denominado Wind-lens Technology. Para alcançar os objetivos, esta pesquisa vai utilizar simulações por CFD com software de túnel de vento virtual e ensaios experimentais em túnel de vento físico para avaliar o comportamento dinâmico (turbina + difusor). Foram desenvolvidas dezenove geometrias a partir de uma área construtiva padronizada para o design de difusores. Desenvolveu-se também, a partir dos resultados encontrados, um MFI (microseparador de fluxo interno), que consiste em uma estrutura adicional com função de potencializar as zonas de vórtices (baixa pressão) no plano de saída do escoamento de ar dos difusores. Os resultados mostraram que a manipulação da geometria do difusor produziu resultados promissores em comparação com o modelo de referência, alcançando em algumas geometrias de difusores um melhor start rotacional. O MFI mostrou-se eficaz para potencializar as zonas de baixa pressão e melhorou o start rotacional. Ao final, definiu-se dois modelos de difusores e suas respectivas versões com MFI como as melhores opções para o start rotacional. / This work aims to develop a compact wind turbine for a turbine and a small scale, aiming at a better rotational start at low wind speeds (lower starting torque to rotate). A diffuser is a rim-shaped structure wrapped around the wind turbine rotor, its function is to amplify the wind uptake and acceleration, exploiting the aerodynamic effects of the low-pressure vortex zones at the diffuser outlet. The study will focus on the manipulation of the diffuser geometry, analyzing how its design impacts on its aerodynamic behavior, especially on the diffuser's ability to equate the high and low pressure zones along its structure, this relation is decisive for the aerodynamic effect that accelerates the air flow, resulting in a rotational start at low wind speeds. The basis for this work are studies developed by Ohya et al. (2010) on compact-flanged diffusers for wind turbines, called Wind-lens Technology. To achieve the objectives, this research will use CFD simulations with virtual wind tunnel software and experimental tests in physical wind tunnel to evaluate the dynamic behavior (turbine + diffuser). Nineteen geometries were developed from a standardized design area for the design of diffusers. An MFI (internal flow microseparator) has also been developed, which is an additional structure whose function is to potentiate the low pressure zones of the diffusers. The results showed that the manipulation of the diffuser geometry produced promising results in comparison to the reference model, reaching in some conditions superior results in RPM and initial start. The MFI proved to be effective in boosting the low pressure zones and improved the initial start. At the end, two models of diffusers and their respective versions with MFI were defined as the best options for the initial start.

O tamanho de turbinas eólicas comerciais tem aumentado consideravelmente nos últimos 25 anos desde aproximadamente uma potência de 50KW com rotores de entre 10 e 15 metros de diâmetro até as turbinas comerciais atuais de 5MW de potência com diâmetros de mais de 120 metros. Este desenvolvimento requer o uso de ferramentas numéricas que permitam prever os carregamentos aerodinâmicos estacionários e não estacionários, não somente nas pás de turbinas, mas também o sistema como um todo, incluindo torre, rotor e sistemas de controle. Neste contexto, este trabalho apresenta um programa computacional baseado na teoria de elemento de pá, a fim de predizer parâmetros geométricos e velocidades relativas ótimos para a obtenção de máxima potência. O método de painéis foi adaptado de forma a incluir os efeitos rotacionais das pás a fim de predizer cargas aerodinâmicas em estado estacionário. A formulação é tridimensional e conta com efeitos de esteira e velocidades angulares. Um estudo de caso para uma pá de turbina eólica de 2MW de potência foi utilizado para demonstrar as capacidades do código desenvolvido. Para avaliar as capacidades do código, foram feitas três tipos de validações. Primeiro foram comparados resultados da literatura da teoria de elemento de pá e do método de elemento fonte-dipolo, "Doublet-Source Lattice", (por separado) com os resultados obtidos pelo código. Uma última validação quantitativa foi feita mediante a comparação com os resultados de um software de fluidodinâmica computacional. O trabalho apresentado não pretende concorrer com os pacotes comerciais de CFD. O que se pretende é desenvolver uma ferramenta de projeto preliminar de pás de turbinas eólicas que permita obter um projeto ótimo em um tempo relativamente curto. Futuramente se pretende continuar esta investigação aderindo ao código a possibilidade de analisar o comportamento estrutural e aeroelástico de pás de turbina eólica, asas e pás de helicópteros.

Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho aerodinâmico de geradores eólicos em escala reduzida. Inicialmente é desenvolvido o projeto do rotor eólico com base na aplicação da Teoria de Elemento de Pá, onde são definidas as dimensões características com base na velocidade nominal e a razão de velocidade na ponta da pá. Para o calculo do escoamento é gerado um domínio periódico representando apenas uma pá. A discretização do domínio computacional foi realizada com uma malha hibrida com camadas prismáticas na parede da pá. Para a obtenção da solução numérica 3D é utilizado o software CFX. Resultados como: potencia de eixo, torque, e coeficiente de potencia tanto do modelo como do protótipo foram reportados. Finalmente foi avaliado o desempenho do protótipo e do modelo, com a presença de pequenas diferenças que deram origem à determinação de uma função de transposição mediante a utilização do ajuste de curvas no software Matlab, com a qual é possível obter correlações entre protótipo e modelo em situações de Reynolds diferentes. Esta contribuição permitira auxiliar no projeto de rotores eólicos na determinação do coeficiente de potencia. Entre tanto, esta lei de transposição devera ser validada experimentalmente.

A demanda por energia elétrica nos últimos anos tem crescido a ritmos constantes. Países em desenvolvimento como a China e a Índia estão apresentando taxas de aumento de consumo de energia elétrica na faixa de 5% a 5,5% anuais, o que faz com que parte deste aumento de consumo seja fornecida através de uma geração com menor emissão de carbono. A energia eólica, por sua vez, é uma das formas de geração que apresenta um dos preços mais altos da energia. Por outro lado, diversos outros desafios se apresentam para que a energia eólica seja utilizada em larga escala e a sua implantação exige altos níveis de cooperação com entidades de proteção do meio-ambiente e governos locais de modo que sua operação seja rentável. O método da quantidade de movimento do elemento de pá (Blade Element Momentum Theory) se baseia no fato de que a variação da quantidade de movimento imposta a um anel do rotor é igual à força que o vento exerce sobre este elemento de pá. Esta aproximação simples, inicialmente concebida por Prandtl e Glauert, deve ser corrigida para diversos fenômenos, como as perdas originadas por arrasto induzido na ponta da pá, a rotação da esteira, o ângulo de inclinação entre o rotor e o vento incidente e demais fatores. Apesar dessas desvantagens, este trabalho mostra que o método do momentum do elemento de pá é uma boa forma de se obter mais rapidamente estimativas que levariam muito tempo de ser avaliadas caso fossem obtidas em um programa computacional comercial de mecânica dos fluidos. O objetivo deste trabalho é a análise e a seleção de uma pá eólica ótima, em estágio de projeto preliminar, utilizando o método do momentum do elemento de pá na sua forma em uma equação. Para tal, foram utilizadas rotinas computacionais menos onerosas que os tradicionais métodos de dinâmica dos fluidos computacional. O tipo de rotina numérica que mais se adequa à geração de parâmetros aerodinâmicos de um perfil é o método dos painéis. O método dos painéis e o método da quantidade de movimento do elemento de pá foram utilizados para se obter maiores coeficientes de potência (o coeficiente de potência CP é a relação entre a energia extraída do fluido e a energia disponível do fluido que passa por um rotor de turbina) de uma pá em um regime de operação pré-determinado.

Este trabalho tem o objetivo de avaliar o desempenho aerodinâmico de uma turbina eólica utilizando as técnicas de dinâmica dos fluidos computacional. Inicialmente, a pá ótima de um gerador eólico de 250kW foi desenvolvido com base na aplicação da Teoria do Elemento de Pá de Glauert, levando em consideração os efeitos de perdas de ponta de pá e rotação da esteira. As características da pá ótima foram definidas através da velocidade do vento e razão de velocidades na ponta da pá. O código utilizado também considera o efeito do ângulo de passo (pitch) e torção geométrica. A avaliação numérica de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) foi desenvolvida através do software comercial ANSYS Fluent v.14.5. Os métodos utilizados para a discretização do domínio computacional e as técnicas de processamento, tais como condições de contorno, modelos de turbulência e critérios de convergência, estão descritos nesta dissertação. A análise do desempenho do rotor para várias condições de ângulo de passo, rotação e velocidade do vento médio serão devidamente apresentadas. Vários resultados são apresentados e analisados, incluindo a potência líquida extraída pelo rotor, eficiência aerodinâmica da pá, desenvolvimento da esteira do rotor, camada limite, gradiente de pressão, entre outros.

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 um estudo numérico e experimental sobre o desempenho aerodinâmico de turbinas eólicas de eixo vertical envolvendo rotores Savonius convencional de duplo-estágio e helicoidal. O estudo experimental é realizado no Túnel Aerodinâmico Professor Debi Pada Sadhu, do Laboratório de Mecânica dos Fluidos da UFRGS. As simulações numéricas são realizadas com o software Fluent/ANSYS utilizando o Método dos Volumes Finitos. São comparados os coeficientes de torque estático e dinâmico, o coeficiente de potência, além de uma análise aerodinâmica das duas turbinas. As medições são realizadas empregando Tubos de Pitot, um torquímetro estático digital e um torquímetro simples construído para a medição do torque dinâmico. As turbinas são fabricadas através da técnica de prototipagem 3D, com uma semelhança de dimensões e parâmetros. As soluções numéricas são resolvidas através da equação da continuidade, das equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) e pelo modelo de turbulência k-ω SST. A qualidade da malha utilizada é avaliada através do método de Índice de Convergência de Malha (GCI), para três diferentes tamanhos de malha. São feitas análises dos rotores na forma estática para diferentes ângulos de incidência e com a turbina em rotação são feitas análises para diferentes razões de velocidades de ponta de pá (λ). Resultados demonstram que a turbina helicoidal apresenta um coeficiente de torque positivo para todos os ângulos do rotor, assim como a turbina convencional de dois estágios. O coeficiente de torque dinâmico da turbina helicoidal é superior ao da turbina de duplo-estágio para a maioria dos casos, e também apresenta menor oscilação de torque ao longo de cada rotação. Por consequência, o coeficiente de potência do rotor helicoidal também se tornou superior, com um valor máximo encontrado na ordem de 11,8% para um λ de 0,65 no caso experimental, e de 8,4% para o mesmo λ no caso numérico, quando comparado com o rotor de duplo-estágio. Os erros relativos entre as simulações numéricas e os resultados experimentais estão entre 2,16% e 13,4%. Uma estimativa de potência gerada é feita para ambos os casos, para uma razão de velocidade de ponta de 0,65, onde a turbina helicoidal apresenta melhores resultados em relação ao rotor de duplo-estágio, na ordem de 13,6% para uma velocidade de 10,4 m/s. / This paper presents a numerical and experimental study of vertical axis wind turbine performance comparison involving two-stage and helical Savonius rotors. The experimental study is conducted in the Aerodynamic Tunnel Professor Debi Pada Sadhu at the Fluid Mechanics Laboratory of the UFRGS. The numerical simulations are performed with the Fluent/ANSYS software using the Finite Volumes Method. The static and dynamic torque coefficients, the power coefficients, and an aerodynamic analysis of the two turbines are compared. Measurements are made using Pitot tubes, a digital static torque wrench and a simple wrench constructed for the dynamic torque measurement. The aerodynamics rotors are manufactured by 3D prototyping technique with similar dimensions and parameters. Numerical solutions are solved by the continuity equation, the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and the turbulence model k-ω SST. The quality of the mesh used is evaluated used the Grid Convergence Index (GCI) method, for three different mesh sizes. The rotors analyzes are made in static form for different angles of incidence and for the rotating turbine analyzes are made for differents tip speed ratio (λ). Results show that the helical turbine has a positive static torque coefficient for any rotor angles, as well as conventional two-stage turbine. The dynamic torque coefficient of the helical turbine is higher than the two-stage turbine for most cases and also shows less torque variation along each rotation. Consequently, the power coefficient of the helical rotor also become higher, with a maximum value found on the order of 11.8% for a λ of 0.65 in the experimental case, and 8.4% for the same λ number when compared with the two-stage rotor. The relative errors between the numerical simulations and the experimental results are between 2.16% and 13.4%. A generated power estimate is made for both cases, for a tip speed ratio of 0.65, where the helical turbine provides better results compared to two-stage rotor in order of 13.6% for a velocity of 10.4 m/s.

Orientadora: Ahda Piorkoski Grilo Pavani / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-graduação em Energia.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:39:12Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo6455_1.pdf: 3207032 bytes, checksum: 297d786de0f57e8107f170bb4300ad71 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia simplificada baseada nos dados atualmente disponíveis, para demonstrar a estimativa preliminar de produção de energia eólica offshore no Brasil através de um estudo de caso com aplicação de aerogeradores. O Brasil possui cerca de 3,6 milhões de km² na sua Zona Econômica Exclusiva, área que pode ser aproveitada para a produção de energia eólica offshore. O estudo de caso foi realizado para a Ilha de Itamaracá no estado de Pernambuco com o intuito de suprir a demanda energética da Ilha, cujo consumo no ano de 2010 foi de 28.667 MWh. Realizou-se uma análise dos ventos no local através de um mapa eólico do oceano medido a 10 m de altura e com isso foi feita uma extrapolação da velocidade do vento para 90 m através da Lei Logarítmica. Calculou-se a distribuição de frequência de Weibull e a produção anual de energia. Analisou-se também a profundidade da água através da carta náutica para a definição de um local para aplicação dos aerogeradores. O resultado apresentado mostrou que três aerogeradores de 3 MW de potência à velocidade calculada de 7,15 m/s gerariam em torno de 30.000 MWh/ano, o que são suficientes para garantir energia durante todo o ano para a Ilha de Itamaracá