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.

Submitted by Franciele Moreira (francielemoreyra@gmail.com) on 2018-10-01T13:57:59Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Geovanne Silva Faria - 2018.pdf: 4034833 bytes, checksum: 3e0011bf7d9acbf63ef8baf1b0409686 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-10-01T14:53:53Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Geovanne Silva Faria - 2018.pdf: 4034833 bytes, checksum: 3e0011bf7d9acbf63ef8baf1b0409686 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-01T14:53:53Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Geovanne Silva Faria - 2018.pdf: 4034833 bytes, checksum: 3e0011bf7d9acbf63ef8baf1b0409686 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-08-31 / The Brazilian energy matrix is highly focused on hydroelectric plants, that have been affected by lack of rain and long drought periods. It’s necessary to invest on alternative kinds of energy. The wind energy is an option, since Brazil presents winds with suitable velocity for energy generation, less than 5% of the Brazilian energy power grid is composed by wind turbines. The present work aims to contribute to the alternative energy generation industry, having as objective the study and analysis of flow condition over airfoils of vertical axis wind turbines. The simulation of flow over airfoils were performed using the Pseudo-Spectral Fourier method together with the Immersed Boundary method for discretization of the spatial domain, and the Runge-Kutta method of fourth order for discretization of the time domain. Both instantaneous and mean values were recorded for the lift (Cl) and drag coefficient (Cd), as well as the fields of vorticity, pressure and velocity for the flow over the airfoils with distinctive characteristics of form and angle of attack. It is concluded that with this first experiment, by refining the mesh, the values for Cl and Cd get close to the references. Posteriorly, it was imposed the movement of rotation of one vertical axis wind turbine, and simulated the flow over this turbine blades, when it was recorded both the instantaneous and mean values of the lift, drag and power coefficient, as well as the fields of vorticity, pressure and velocity for different values of velocities of turbine rotation for the airfoils NACA 0008 and NACA 4308. It was possible to conclude by analyzing the values of power coefficient (Cp), Cl and Cd obtained through simulation with the turbines that the airfoil NACA 0008 can be utilized for energy generation, since the airfoil NACA 4308 cannot be utilized in the adopted speed ranges. / A matriz energética Brasileira é altamente focada em usinas hidrelétricas, que vêm sendo afetadas pela falta de chuvas e longos períodos de estiagem. É necessário o investimento em fontes energéticas alternativas. Uma das opções é a energia eólica, pois o Brasil apresenta ventos com velocidades adequadas para geração de energia e, mesmo assim, menos de 5% da matriz energética brasileira é constituída de turbinas eólicas. O presente trabalho visa contribuir com a indústria de geração de energias alternativas tendo por objetivo o estudo e análise de escoamentos sobre aerofólios de turbinas eólicas verticais. As simulações de escoamentos sobre aerofólios foram realizadas com o método Pseudoespectral de Fourier em conjunto com o método da Fronteira Imersa para discretização do domínio espacial, e o método de Runge-Kutta de quarta ordem para discretização do domínio do tempo. Foram registrados os valores instantâneos e médios dos coeficientes de sustentação (Cl) e arrasto (Cd), bem como os campos de vorticidade, pressão e velocidades para escoamento sobre aerofólios com distintas características de forma e ângulos de ataque. Conclui-se com esse primeiro experimento, que ao se refinar a malha, os valores de Cl e Cd se aproximam das referências. Posteriormente, foi imposto o movimento de rotação de uma turbina eólica de eixo vertical, e simulado o escoamento sobre as pás dessa turbina, onde foram registrados os valores instantâneos e médios dos coeficientes de sustentação, arrasto e potência, bem como os campos de vorticidade, pressão e velocidades para diferentes valores de velocidade de rotação da turbina para os aerofólios NACA 0008 e NACA 4308. Foi possível concluir ao analisar os valores de coeficiente de potência (Cp), Cl e Cd, que o aerofólio NACA 0008 pode ser utilizado para geração de energia elétrica, já o aerofólio NACA 4308 não deve ser utilizado para a faixa de velocidades adotadas.

Universidade Federal do Cearà / Power generation wind-power in cities of Cearà donât represent a significant percentage of the power generation in the state. Although Cearà has favorable winds to use a small commercial windâs turbines, this isnât a practice that belongs to these cities. Possible causes of the low rate might be: few researches for development of compatible equipment with low winds and low cost, the fact that Brazilian companies doesnât offer wind generators appropriate for the area, most of the equipment used in the country is imported and often apllied for type of winds and climate conditions different of the CearÃâs - which puts the equipments in its low perform- , repair difficulties and problems with the security operations (guide). For development of this work was used machines, tools and software such as SolidEdge version ST6, Computer-aided design (CAD) NX4 in the design and communication with vertical machining center, general tools, equipment for painting and application of resins, vacuum pump, measuring instruments volume (beaker, measuring cylinder etc.), analytical balance and pipettes. The technique used for the manufacture of the blades was vacuum infusion, relatively simple procedure and has the advantage to reduce volatile emissions with the use of closed molds. The selection of the profile e-61 was obtained by data from the software FoilSimIII and JavaFoil, which indicates the good chosen for lift aerodynamic coefficient. The carnauba fiber was used as reinforcement in composite to produce the blades with different resins, which makes it possible the use of manpower and local level raw materials to the construction of wind blades, being reinforced with vegetable carnauba fibers and polyester resins / A geraÃÃo de energia eÃlica-elÃtrica no interior do Cearà nÃo representa um percentual significativo na geraÃÃo de energia do Estado. Apesar de possuir ventos favorÃveis durante o ano inteiro, a utilizaÃÃo de aerogeradores comerciais de pequeno porte nÃo à uma prÃtica local. As possÃveis causas do baixo Ãndice sÃo: as poucas pesquisas voltadas para desenvolvimento de equipamentos compatÃvel com baixos ventos e de baixo custo, a ausÃncia de empresas brasileiras que ofereÃam geradores eÃlicos, o uso de equipamentos importados e com aplicaÃÃes para ventos e condiÃÃes climÃticas diferenciadas do interior cearense â acarretando baixo rendimento -, os problemas de manutenÃÃo, os erros nas operaÃÃes de seguranÃa e as dificuldades de reparo. Para desenvolver esse trabalho foram utilizados mÃquinas, ferramentas e softwares como SolidEdge versÃo ST6, Computer-aided design (CAD) NX4 no desenho e comunicaÃÃo com centro de usinagem vertical, ferramentas em geral, equipamentos para pinturas e aplicaÃÃo de resinas, bomba de vÃcuo, instrumentos de mediÃÃo de volume (bÃquer, proveta etc.), balanÃa de precisÃo e pipetas. A tÃcnica utilizada na fabricaÃÃo das pÃs foi à infusÃo a vÃcuo, processo relativamente simples e com a vantagem de reduzir a emissÃo volÃtil com uso de moldes fechados. A escolha do perfil e-61 para modelar foi obtido por meio de dados do software JavaFoil e FoilSimIII, indicando o perfil escolhido com um bom coeficiente de sustentaÃÃo aerodinÃmico. A fibra de carnaÃba foi utilizada como reforÃo no compÃsito para produÃÃo das pÃs com diferentes resinas, o que possibilita o uso de mÃo de obra e matÃria prima local na construÃÃo de pÃs eÃlicas reforÃada com fibras vegetais de carnaÃba e resinas poliÃster

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / The work aims to build , using the BEM (Blade Element Moment) theory , and test three wind rotors , each one consisting of three blades, which were constructed and used for assembling three SWT (Small Wind Turbine) with TSR (Tip Speed Ratio) equal to seven. The three rotors with blades of 2 meters length, distinguished themselves in their geometries as follows: 1) blades without any correction, 2) blades with only tip correction, 3) blades with only root correction. The NREL S809 airfoil developed by the U.S. National Renewable Energy Laboratory (NREL) was used. This airfoil is characterized by having been specially developed for wind turbines. The airfoil experimental data, such as the lift and drag coefficients as a function of angle of attack, were obtained based on wind tunnel test results for Reynolds number of 3 x 105. Also, field tests were conducted to collect torque in the main shaft of the wind rotor [N ∙ m], angular velocity [rad/s] and wind speed [m/s] data, using proper instrumentation and a data collection system. The data collected in the field for each turbine, were analyzed by statistical inference. The power coefficient data were grouped by TSR ranges, and was observed that the data of the last two ranges were the only intervals that showed a normal distribution of data of the Cp . These data were subjected to a one-way ANOVA. And the results showed no significant difference between the average of the rotors SC and CP. Already the data did not exhibit a normal distribution were analyzed by Exponentially Weighted Moving Average (MMEP). It was also observed that the three rotors showed no difference between the power coefficients, of the statistical point of view. An important finding of the experiments was that the CR blades had higher average values of power coefficients for each band TSR. / O trabalho visou construir, atravÃs da Teoria do BEM (Blade Element Moment), e testar trÃs rotores eÃlicos, cada um destes constituÃdos de trÃs pÃs, as quais foram construÃdas e aplicadas na montagem de trÃs TEPP (Turbinas EÃlicas de Pequeno Porte) com TSR (Tip Speed Ratio de projeto igual a sete. Os trÃs rotores, com pÃs de 2 metros de comprimento, distinguiram-se, em suas geometrias, do seguinte modo: 1) pÃs sem correÃÃo alguma, 2) pÃs com correÃÃo somente na ponta e 3) pÃs com correÃÃo somente na raiz. O aerofÃlio aplicado foi o NREL S809, desenvolvido pelo laboratÃrio norte americano de energias renovÃveis (NREL). Este aerofÃlio à caracterizado por ter sido projetado para uso especÃfico em turbinas eÃlicas. Os dados experimentais do aerofÃlio, como os coeficientes de sustentaÃÃo e arrasto em funÃÃo do Ãngulo de ataque, foram obtidos com base nos resultados de testes em tÃnel de vento para um nÃmero de Reynolds de 3 x 105. Realizou-se, tambÃm, testes em campo, utilizando-se de uma instrumentaÃÃo necessÃria para a coleta de dados de torque no eixo principal do rotor eÃlico [N.m], velocidade angular do rotor [rad/s], e velocidade do vento, por meio de um sistema de coleta de dados. Os dados colhidos em campo, de cada turbina, foram analisados por inferÃncia estatÃstica. Os dados de Cp foram agrupados por faixas de TSR, e observou-se que os dados das duas Ãltimas faixas foram os Ãnicos intervalos que apresentaram uma distribuiÃÃo normal de probabilidade dos dados de Cp . Estes dados foram submetidos a uma ANOVA com um fator. E os resultados mostraram que nÃo hà uma diferenÃa significativa entre as mÃdias dos rotores SC e CP. Jà os dados que nÃo apresentaram uma distribuiÃÃo normal foram analisados pela MÃdia MÃvel Exponencialmente Ponderada (MMEP). Verificou-se tambÃm que os trÃs rotores nÃo apresentaram diferenÃa entre os coeficientes de potÃncia, do ponto de vista estatÃstico. Uma importante constataÃÃo dos experimentos realizados foi a de que as pÃs CR apresentaram valores mÃdios de Cp superiores para cada faixa de TSR.

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.

Dissertação(mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica, Escola de Engenharia, 2006. / Submitted by Lilian M. Silva (lilianmadeirasilva@hotmail.com) on 2013-04-14T23:00:46Z No. of bitstreams: 1 acunha,i.c.pdf: 3231145 bytes, checksum: 59b7e3a2e51d332d1eb99c5b968beb88 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2013-06-04T16:01:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 acunha,i.c.pdf: 3231145 bytes, checksum: 59b7e3a2e51d332d1eb99c5b968beb88 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-06-04T16:01:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 acunha,i.c.pdf: 3231145 bytes, checksum: 59b7e3a2e51d332d1eb99c5b968beb88 (MD5) Previous issue date: 2006 / O objetivo deste trabalho é analisar o desempenho de um gerador eólico de pequeno porte. Para isto foi instalado um aerogerador de velocidade variável com potência nominal de 250 W. O aerogerador utiliza o sistema de estol ativo para controle de rotação e proteção, maximizando a eficiência aerodinâmica, minimizando a complexidadee os custos de fabricação do sistema os quais poderiam ser impeditivos à geração de energia com estes equipamentos em função da sua pequena capacidade de geração. Para monitoramento do sistema foi instalada uma torre anemométrica contendo dois anemômetros de três conchas, um sensor de direção do tipo leme direcional e um sistema de aquisição e armazenamento de dados (data logger), um amperímetro tipo alicate utilizado para medição da corrente elétrica e um voltímetro para medição da tensão, ambos com um sistema de armazenamento de dados e um medidor de energia. Com os dados de vento medidos no local e a potência convertida, calculada através da tensão e corrente elétrica produzida pelo aerogerador foi construída acurva de potência deste e comparada com a curva de potência fornecida pelo fabricante, onde concluímos que o desempenho deste foi muito próximo do desempenho apresentado pelo fabricante, sendo em algumas situações superior. O gráfico do coeficiente de potência deste aerogerador foi construído a fim de verificar a relação entre a potência real convertida e o potencial eólico disponível para as diversas velocidades do vento experimentadas. Com os dados de vento tratados estatisticamente utilizando a função densidade de probabilidade de Weibull e a curva de potência, foi calculada aenergia convertida pelo aerogerador e o seu fator de capacidade, o qual representa a relação entre a energia convertida pelo aerogerador em um certo intervalo de tempo e a energia existente no vento para o mesmo intervalo. Foi concluído que o aerogerador possui um desempenho aceitável para as velocidades do vento a que o mesmo foi submetido durante a operação. / This study aims to analyze the performance of a small wind turbine. Thus, it was set up a wind turbine of variable speed with nominal power of 250W. The wind turbine uses the active stall system to control rotation and protection, maximizingthe aerodynamic efficiency, minimizing the complexity and the manufacturing costs of the system, which could be hindering for energy production with such equipment once it has a small generation capacity. In order to monitor the system it was installed an anemometric tower with two anemometers of three shells, a direction sensor with directional rudder and a data acquisition and storing system (data logger), an amperimeter pincers-typeused for measuring electric current and one voltmeter for tension measuring, both with a data storing system and an energy gauger. With the data from wind measured in the place and the power converted, calculated by tension and electric current produced by the wind turbine, it was built its power curve and compared with power curve provided by the marker, where weconcluded that the performance of this wind turbine was very close to the performance shown by the marker, and on some occasions even higher. The graphic of the power coefficient of this wind turbine was constructed in order to examine the relation between the real power converted and the wind power available for the different wind velocities. With the data from the wind statistically seen using the function of Weibull`s density of probability and the power curve, it was calculated the converted energy by the wind turbine and its capacity factor, which represents the relationship between the wind turbine converted energy and the available wind energy at the same time interval. We conclude that, by the power coefficient that the wind turbine performs acceptable within the wind speeds under which it was submitted during the operation.

In this thesis, the effect of pitch based optimisation was explored for a 80 turbine wind farm. Using a modified Jensen wake model and the Particle Swarm Optimisation (PSO) model, a pitch optimisation strategy was created for the dominant turbulence and atmospheric condition for the wind farm. As the wake model was based on the FLORIS model developed by P.M.O Gebraad et. al., the wake and power model was compared with the FLORIS model and a -0.090% difference was found. To determine the dynamic predictive capability of the wake model, measurement values across a 10 minute period for a 19 wind turbine array were used and the wake model under predicted the power production by 17.55%. Despite its poor dynamic predictive capability, the wake model was shown to accurately match the AEP production of the wind farm when compared to a CFD simulation done in FarmFlow and only gave a 3.10% over-prediction. When the optimisation model was applied with 150 iterations and particles, the AEP production of the wind farm increased by 0.1052%, proving that the pitch optimisation method works for the examined wind farm. When the iterations and particles used for the optimisation was increased to 250, the power improvement between optimised results improved by 0.1144% at a 222.5% increase in computational time, suggesting that the solution has yet to fully converge. While the solutions did not fully converge, they converged sufficiently and an increase in iterations gave diminishing results. From the results, the pitch optimisation model was found to give a significant increase in power production, especially in wake intensive wind directions. However, the dynamic predictive capabilities will have be improved upon before the control strategy can be applied to an operational wind farm.

In wind turbines, flow pressure variations on the air-structure interface cause aerodynamic forces. Consequently the structure deforms and starts to move. The interaction between aerodynamic forces and structural deformations mainly concerns aeroelasticity. Since these two are coupled, they have to be considered simultaneously in cases which the deformations are not negligible in comparison to the other geometric dimensions. The purpose of this work is to improve the simulation model of a vertical axis wind turbine by modifying the structural model from undamped Euler-Bernoulli beam theory with lumped mass matrix to the more advanced Timoshenko beam theory with consistent mass matrix plus an additional damping term. The bending of the beam is then unified with longitudinal and torsional deformations based on a fixed shape cross-section assumption and the Saint-Venant torsion theory. The whole work has been carried out by implementing the finite element method using MATLAB code and implanting it in a previously developed package as a complement. Finally the results have been verified by qualitative comparisons with alternative simulations.