Ingeniero Civil Mecánico / En la actualidad las energías de fuentes renovables son vistas por muchos como el futuro energético para nuestro país y el mundo. El viento es una de las fuentes más interesantes, pudiendo convertir su energía cinética en energía eléctrica mediante aerogeneradores. Entre los aerogeneradores está la turbina de eje vertical tipo Darrieus, de las cuales no se cuenta con mucha información tridimensionales acerca de la interacción entre sus álabes y el viento, que permitan determinar la magnitud y distribución de las cargas sobre el alabe y el torque aerodinámico que estos tienen cuando la turbina está girando bajo condiciones dadas. Estos parámetros son de vital importancia a la hora del diseño y construcción de una turbina tipo Darrieus, ya que ayudaran a conocer puntos de sujeción de alabes y los tipos de materiales que se deben utilizar para resistir la influencia del viento. El trabajo presentado a continuación tiene por objetivo determinar y cuantificar las cargas y momentos aerodinámico en los álabes simétricos de una turbina eólica tipo Darrieus, esto para posterior uso en la definición de criterios de diseño estructural mediante análisis teóricos y simulaciones computacionales bajo condiciones de operación dadas. Para conseguir el objetivo descrito, se estudia y analiza el funcionamiento de las turbinas Darrieus desde el punto de vista aerodinámico. Luego se lleva a cabo un análisis teórico de las fuerzas sobre el álabe girando, utilizando las ecuaciones gobernantes de un cuerpo sumergido en un fluido, en este caso aire en movimiento en interacción con un álabe. Luego se realizan simulaciones con el programa ANSYS CFX 14.5.0. Con el fin de reducir el uso de recursos computacionales, se simula el perfil alar variando su ángulo de ataque cada 5° en condiciones estacionarias y con velocidades incidentes iguales a las velocidades relativas que se forman como resultante del giro de la turbina y del viento propiamente tal. Finalmente se realiza una comparación entre los datos teóricos y los experimentales. Algunos alcances de las simulaciones son que no se consideraron interferencias entre los álabes, lo cual pudiera afectar al resultado y que el fluido incidente no posee perturbaciones, teniendo un perfil de velocidad uniforme y laminar. Los resultados de las simulaciones en este estudio se condicen mayoritariamente con los resultados teóricos. Se pueden observar como resultados que la distribución de las cargas es de forma parabólica, estando las máximas presiones en el centro del álabe y disminuyendo hacia los extremos de manera simétrica. Por otra parte, los máximos torques aerodinámicos se producen cuando la sustentación del perfil es máximo y viceversa.

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.

Ingeniero Civil Mecánico / La generación de energía a partir de fuentes renovables no convencionales es una necesidad en el mundo actual. La escasez de combustibles fósiles, la contaminación del medio ambiente, los altos precios de la energía e incluso las políticas públicas de cada país son factores que impulsan el desarrollo de energías renovables no convencionales. En el caso de Chile, la industria eólica alcanza los primeros niveles mundiales en tasa de crecimiento anual de proyectos, haciendo que el mercado eólico se vuelva muy atractivo. Una forma de generar energía a partir del viento es a través de turbinas, estos son elementos mecánicos capaces de transformar la energía proveniente del viento en energía mecánica que posteriormente puede ser aprovechada como energía eléctrica. Existen dos categorías según su eje de rotación: turbina de eje horizontal y turbina de eje vertical. Las turbinas de eje vertical poseen ventajas en cuanto a diseño y construcción. Sin embargo, durante su operación están sometidas a esfuerzos y variabilidad en torque que produce torsión en el rotor. Esta se transmite de componente en componente generando vibraciones torsionales en el eje de la turbina. Una vibración torsional es un tipo de vibración existente en ejes rotores y se puede definir como el movimiento torsional de un rotor respecto a su propio eje. La existencia de vibraciones puede llegar a provocar, durante una fase indetectable, daños severos en la turbina. El objetivo del presente estudio es la construcción de un modelo en elementos finitos para las vibraciones torsionales de una turbina eólica de eje vertical y proponer criterios de diseño y operación que permitan reducirlas. Para desarrollar el modelo, se deben conocer los principios básicos de funcionamiento, identificar los componentes principales y la interacción que existe entre ellos. El modelo desarrollado se basa en una turbina eólica vertical real, la que es modelada en elementos finitos, integrando cada uno de sus componentes principales. Se obtienen condiciones de operación y se desarrolla un modelo Doble Multiple Steamtube que entrega resultados para variables de interés como fuerzas y momentos en el eje. Se realiza el análisis vibracional de modos y frecuencias naturales del modelo de elementos finitos y se resuelven las vibraciones torsionales a través de tres métodos distintos de integración directa: Diferencias centrales, Wilson Theta y Newmark. Con el resultado de las vibraciones torsionales de identifican los componentes que sufren las mayores oscilaciones y se estudian criterios de diseño y operación que logren reducirlas. Una geometría del rotor que permite una mejor distribución de inercia, una alta rigidez torsional y una baja inercia rotacional son factores que permiten reducir el valor de las vibraciones torsionales en la turbina. La inclusión de un tercer álabe al diseño original de dos en la turbina también logra efectos significativos y positivos en las oscilaciones. Finalmente la reducción en la velocidad de rotación de la turbina permite controlar las vibraciones en desmedro de una mayor potencia de generación.

Nas bacias sedimentares brasileiras produtoras de hidrocarbonetos (petróleo e gás natural), três unidades estratigráficas de origem fluvial e/ou eólica se destacam como reservatórios: a Formação Sergi, do Jurássico, fase pré-rifte da Bacia do Recôncavo; a Formação Açu, do Cretáceo Superior, fase drift da Bacia Potiguar; e a Formação Monte Alegre, base da seqüência clástico-evaporítica de idade carbonífero-permiana da Bacia do Solimões. A Formação Sergi, principal objetivo deste estudo, apresenta fácies de sistema fluvial de canais entrelaçados, associados às fácies eólicas de dunas e interdunas. A Formação Açu foi depositada em um sistema fluvial de carga mista, com características entre entrelaçado e meandrante, e pode ser caracterizada como de um sistema meandrante de granulometria grossa. A Formação Monte Alegre apresenta fácies de dunas, interdunas, lagos de pequeno porte, sabkhas, e canais de wadis, de sistema desértico. As fácies sedimentares destes sistemas são caracterizadas através da descrição de testemunhos e de afloramentos, com ênfase nos aspectos da geometria deposicional das unidades. Modelos deposicionais conceituais de uma a três dimensões são construídos para as três unidades estratigráficas, procurando-se incorporar aos mesmos as dimensões das fácies e associações. Por meio da utilização de software disponíveis na literatura, são aplicadas algumas técnicas de modelagem matemática e simulação de fácies e seqüências deposicionais. São utilizados modelos probabilísticos de processos de Markov e da geoestatística (simulação condicional de variáveis categóricas, no caso, fácies sedimentares). Modelos matemáticos determinísticos baseados em parâmetros deposicionais, tais como taxas de migração, sedimentação e subsidência do sistema, são empregados para geração de formas de leito, estruturas sedimentares primárias e seqüências aluviais. Três imagens de satélite de ambientes sedimentares recentes, equivalentes aos sistemas deposicionais antigos das unidades estratigráficas em estudo, são processadas e classificadas em categorias de fácies sedimentares. Estas imagens são então empregadas no estudo geoestatístico para a determinação da variabilidade em planta das unidades genéticas. Os resultados obtidos pela modelagem deposicional detalhada e pelas simulações matemáticas mostram a geometria e os padrões da distribuição de fácies sedimentares em uma ou mais dimensões, para cada um dos sistemas deposicionais estudados. Os modelos conceituais e matemáticos empregados apresentam resultados complementares, fornecendo dados possíveis de serem incorporados um ao outro, e ambos contribuindo para a definição de aspectos da geometria deposicional dos reservatórios. A integração entre modelos matemáticos probabilísticos (geoestatística de variáveis categóricas) e determinísticos (simulação de seqüências aluviais) permite a melhor escolha de parâmetros de entrada dos programas, como também uma melhor avaliação dos resultados das simulações. / In the Brasilian sedimentary basins that have oil and gas production, three stratigraphic units of fluvial and/or eolian origin are important reservoirs: the Jurassic Sergi formation, pre-rift sequence of Recôncavo basin, the Upper Cretaceous Açu formation, drift sequence of Potiguar basin, and the Monte Alegre formation, the lower stratigrafic unit of the clastic-evaporitic sequence of the Carboniferous-permian age of the Solimões basin. The Sergi formation is the main object of this work. It shows facies of a braided fluvial system, associated with eolian facies of dunes and interdunes. The Açu formation was deposited in a fluvial system of mixed load with characteristics between braided and meandering systems and can be described as a coarse grained meanderbelt system. The Monte Alegre formation shows facies of dunes, interdunes, small lakes, sabkhas, and channels of wadis, and constitutes a desertic system. The sedimentary facies of these systems are characterized though cores and outcrops descriptions, with emphasis on the depositional geometry of the units. Conceptual depositional models of one to three dimensions are elaborated for these three stratigrafic units where facies dimensions and associations are incorporated. With the help of available software in the literature, some technics of mathematical modeling and simulation of depositional facies and sequences are applied. Probabilistic models related to Markov processes and the geostatistic model (conditional simulation of categorical variables - in this case - sedimentary facies) are used. Deterministic models based on depositional parameters such as migration and sedimentation rates and system subsidence are used to generate bed forms, hydrodinamic sedimentary structures and alluvial sequences. Three satellite images of recent sedimentary environments that are equivalent to the ancient depositional systems of the stratigraphic units under study are processed and classified into categories of sedimentary facies. These images are then used in the geoestatistical study for the determination of the horizontal variability of the genetic units.

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 2019-03-30T00:21:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2017-06-06 / The Brazilian energy matrix has undergone a process of diversification of its energy sources in recent years, considering the concern with the rationing of energy resources and the environment. Therefore, the Government has been directing policies to encourage alternative sources, above all wind energy, a renewable source, clean and abundant. Since then, wind power projects have contributed significantly to this new phase, increasing in a few years more than 10 GW in the energy matrix and conquering 7% of the country's total installed capacity. However, the oversight processes of this sector¿s regulatory agency have pointed out several problems in the implementation of most projects, casting doubt on the economic and financial feasibility of this business. Thus, the present study, descriptive and mixed approach with emphasis on the quantitative method, sought to identify the main risk parameters involved in the process of implementation of wind power plants in Brazil. To explain the impact of the uncertainties of these multiple variables on the NPV and IRR financial indicators, by adopting the Monte Carlo Method. The topic was discussed on the concept of value maximization for the shareholder and the main methods of corporate valuation were explored, going beyond the methods of analysis of financial feasibility, such as sensitivity analysis and scenario analysis, the method Monte Carlo Method was adopted and a brief survey of the main works in the area on the subject. Finally, the data obtained was analyzed through a financial model and concluded that 87% of the wind farms in the country do not add value for the shareholders, considering the parameters: construction expenses; Energy marketed in auctions; Cost overruns and fee values are the main variables that impact on the economic and financial indicators of these projects. / A matriz energética brasileira tem passado por um processo de diversificação das suas fontes de energia nos últimos anos, tendo em vista a preocupação com o racionamento dos recursos energéticos e o meio ambiente. Com isso, o Governo vem direcionando políticas de incentivo às fontes alternativas, sobretudo a energia eólica, uma fonte proveniente de recurso renovável, limpo e abundante. Desde então, os projetos eólicos têm contribuído notoriamente para esta nova fase incrementando em poucos anos mais de 10 GW na matriz energética e conquistando 7% do total da capacidade instalada do país. No entanto, os processos de fiscalização da agência reguladora do setor têm apontado diversos problemas na implantação da maioria dos empreendimentos colocando em dúvida a viabilidade econômico-financeira deste negócio. Destarte, o presente estudo, de cunho descritivo e abordagem mista com ênfase no método quantitativo, procurou identificar os principais parâmetros de risco envolvidos no processo de implantação de usinas eólicas no Brasil, para explicar, adotando o Método de Monte Carlo, o impacto das incertezas dessas múltiplas variáveis nos indicadores financeiros VPL e TIR. Referenciou-se o tema discorrendo sobre o conceito de maximização de valor ao acionista e se explorou os principais métodos de avaliação de empresas, transpassando aos métodos de análise de viabilidade financeira, tais como análise de sensibilidade e análise de cenários, abordou-se o método estatístico do Método de Monte Carlo e se fez um breve levantamento dos principais trabalhos na área acerca do tema. Por fim, analisou-se os dados apurados através de um modelo financeiro e conclui que 87% dos empreendimentos eólicos no país não agregam valor para os acionistas, sendo os parâmetros: gastos com obra; energia comercializada nos leilões; sobrecustos com obras e valor da tarifa as principais variáveis que impactam nos indicadores econômico-financeiro destes projetos.

Nas bacias sedimentares brasileiras produtoras de hidrocarbonetos (petróleo e gás natural), três unidades estratigráficas de origem fluvial e/ou eólica se destacam como reservatórios: a Formação Sergi, do Jurássico, fase pré-rifte da Bacia do Recôncavo; a Formação Açu, do Cretáceo Superior, fase drift da Bacia Potiguar; e a Formação Monte Alegre, base da seqüência clástico-evaporítica de idade carbonífero-permiana da Bacia do Solimões. A Formação Sergi, principal objetivo deste estudo, apresenta fácies de sistema fluvial de canais entrelaçados, associados às fácies eólicas de dunas e interdunas. A Formação Açu foi depositada em um sistema fluvial de carga mista, com características entre entrelaçado e meandrante, e pode ser caracterizada como de um sistema meandrante de granulometria grossa. A Formação Monte Alegre apresenta fácies de dunas, interdunas, lagos de pequeno porte, sabkhas, e canais de wadis, de sistema desértico. As fácies sedimentares destes sistemas são caracterizadas através da descrição de testemunhos e de afloramentos, com ênfase nos aspectos da geometria deposicional das unidades. Modelos deposicionais conceituais de uma a três dimensões são construídos para as três unidades estratigráficas, procurando-se incorporar aos mesmos as dimensões das fácies e associações. Por meio da utilização de software disponíveis na literatura, são aplicadas algumas técnicas de modelagem matemática e simulação de fácies e seqüências deposicionais. São utilizados modelos probabilísticos de processos de Markov e da geoestatística (simulação condicional de variáveis categóricas, no caso, fácies sedimentares). Modelos matemáticos determinísticos baseados em parâmetros deposicionais, tais como taxas de migração, sedimentação e subsidência do sistema, são empregados para geração de formas de leito, estruturas sedimentares primárias e seqüências aluviais. Três imagens de satélite de ambientes sedimentares recentes, equivalentes aos sistemas deposicionais antigos das unidades estratigráficas em estudo, são processadas e classificadas em categorias de fácies sedimentares. Estas imagens são então empregadas no estudo geoestatístico para a determinação da variabilidade em planta das unidades genéticas. Os resultados obtidos pela modelagem deposicional detalhada e pelas simulações matemáticas mostram a geometria e os padrões da distribuição de fácies sedimentares em uma ou mais dimensões, para cada um dos sistemas deposicionais estudados. Os modelos conceituais e matemáticos empregados apresentam resultados complementares, fornecendo dados possíveis de serem incorporados um ao outro, e ambos contribuindo para a definição de aspectos da geometria deposicional dos reservatórios. A integração entre modelos matemáticos probabilísticos (geoestatística de variáveis categóricas) e determinísticos (simulação de seqüências aluviais) permite a melhor escolha de parâmetros de entrada dos programas, como também uma melhor avaliação dos resultados das simulações. / In the Brasilian sedimentary basins that have oil and gas production, three stratigraphic units of fluvial and/or eolian origin are important reservoirs: the Jurassic Sergi formation, pre-rift sequence of Recôncavo basin, the Upper Cretaceous Açu formation, drift sequence of Potiguar basin, and the Monte Alegre formation, the lower stratigrafic unit of the clastic-evaporitic sequence of the Carboniferous-permian age of the Solimões basin. The Sergi formation is the main object of this work. It shows facies of a braided fluvial system, associated with eolian facies of dunes and interdunes. The Açu formation was deposited in a fluvial system of mixed load with characteristics between braided and meandering systems and can be described as a coarse grained meanderbelt system. The Monte Alegre formation shows facies of dunes, interdunes, small lakes, sabkhas, and channels of wadis, and constitutes a desertic system. The sedimentary facies of these systems are characterized though cores and outcrops descriptions, with emphasis on the depositional geometry of the units. Conceptual depositional models of one to three dimensions are elaborated for these three stratigrafic units where facies dimensions and associations are incorporated. With the help of available software in the literature, some technics of mathematical modeling and simulation of depositional facies and sequences are applied. Probabilistic models related to Markov processes and the geostatistic model (conditional simulation of categorical variables - in this case - sedimentary facies) are used. Deterministic models based on depositional parameters such as migration and sedimentation rates and system subsidence are used to generate bed forms, hydrodinamic sedimentary structures and alluvial sequences. Three satellite images of recent sedimentary environments that are equivalent to the ancient depositional systems of the stratigraphic units under study are processed and classified into categories of sedimentary facies. These images are then used in the geoestatistical study for the determination of the horizontal variability of the genetic units.

Tese de mestrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de Especialização em Energia Renováveis). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2007

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Estágio realizado na EDA, S. A. e orientado pelo Eng.º Francisco Botelho / Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Major de Energia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008