Neste trabalho, são apresentados a discussão de conceitos fundamentais, a metodologia e os resultados de simulações numéricas baseadas no Método de Volumes Finitos do escoamento de ar sobre algumas opções de configurações de turbinas eólicas do tipo Savonius, com e sem estatores, em operação e, também, em condições estáticas, como as encontradas nas partidas das mesmas. Comparam-se os resultados para diferentes domínios computacionais, bem como alternativas de discretização espacial e temporal, visando apresentar a influência desses sobre os valores obtidos e estabelecer os parâmetros computacionais adequados para a análise das turbinas em estudo. Nas simulações numéricas, desenvolvidas empregando o programa comercial Star-CCM+, a equação da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds são resolvidas, juntamente com as equações de um modelo de turbulência adequado, que é escolhido, para a obtenção dos campos de pressão e de velocidade do escoamento. Emprega-se um domínio contendo uma região com malha móvel, na qual o rotor é inserido. A cada simulação, a velocidade angular da região de malha móvel é especificada de maneira a variar a razão de velocidade de ponta do rotor. Através da integração das forças ocasionadas devido aos gradientes de pressão e das forças originadas pelo atrito viscoso sobre as pás do rotor eólico, obtém-se o coeficiente de torque em cada simulação. O torque e as forças atuantes no rotor também são obtidos de forma semelhante. Com esses dados, outros parâmetros como a potência e o coeficiente de potência são obtidos. Análises dos principais parâmetros de desempenho do rotor Savonius são realizadas e indicam uma boa concordância com resultados experimentais e de simulações numéricas realizadas por outros autores. Os resultados obtidos nas simulações apresentaram-se bastante representativos do fenômeno analisado. / This research work presents a discussion of basic concepts, the methodology and the results of numerical simulations based on Finite Volume Method for the air flow through some configuration options of the Savonius wind turbines, with and without stators, in operation, and also under static conditions, such as those found in the self starting. Results for different computational domains, as well as alternative spatial and temporal discretization are compared, in order to present the influence of these on the obtained values from the computational analysis of the turbines in study. In the numerical simulations, performed using the commercial software Star-CCM+, the equation of continuity and the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations were solved, together with the equations of a turbulence model appropriate, which is chosen, so that the fields of pressure and velocity could be found. It was used, in the calculations, a domain containing a region with a moving mesh, in which the rotor was inserted. In each simulation, the rotational rate of the moving mesh region was specified so as to vary the tip speed ratio of rotor. Through the integration of the forces arising due to the pressure gradients and the forces originated from the viscous friction on the wind rotor blades, the moment coefficient could be obtained in each simulation. The moment and forces acting on the rotor were also obtained similarly. With these data, other parameters such as the power and the power coefficient of the wind rotor could be obtained. Analysis of the principals performance parameters of the Savonius wind rotor were performed and indicated a good agreement with experimental results and numerical simulations performed by other authors. The simulations results are quite representative of the phenomenon analyzed.

O presente trabalho apresenta o estudo da esteira de turbinas eólicas de eixo horizontal, utilizando um modelo de turbina eólica testada em túnel de vento. Trata-se de uma turbina eólica de duas pás com 10 m de diâmetro, conhecida como UAE Phase VI, testada pelo NREL no túnel de vento NASA Ames. Desta turbina foi obtida a geometria e dados experimentais, como o coeficiente de empuxo, além das características do túnel de vento. Utilizando este experimento como modelo, são realizadas simulações com equações médias de Reynolds e modelo de turbulência k-ω SST, com o uso de malha móvel e abordagens permanente e transiente, com o software de volumes finitos Star-CCM+®. São empregadas malhas poliédricas em um domínio de grande extensão na esteira, para apenas uma velocidade do vento. São apresentados três modelos de esteira, dois analíticos e outro considerado numérico, para fins de comparação com os resultados simulados. Estes modelos de esteira tem o objetivo de descrever o campo de velocidade a jusante da turbina. Os dados de entrada dos modelos são os mesmos, retirados da simulação. Além dos modelos para o déficit de velocidade, são apresentados equacionamentos para se obter a intensidade de turbulência na esteira, com bons resultados. No modelo analítico de esteira PARK, a constante de decaimento é baixa, pois o caso estudado possui escoamento sem grandes perturbações. Verifica-se que esta constante deve variar ao longo da esteira para se ajustar ao campo médio de velocidades simulado. Outro modelo analítico proposto por Werle foi estudado, não apresentando boa concordância com a simulação, pois apresenta um rápido incremento da velocidade na linha central na esteira distante. Este modelo se ajustou bem com o campo não perturbado a montante da turbina. O modelo de viscosidade turbulenta é um modelo de esteira com equacionamento original de segunda ordem para obter um campo de velocidade. Contudo, é apresentado e calculado com uma simplificação para primeira ordem, obtendo-se somente a velocidade na linha de centro. Este modelo tem o melhor ajuste com a simulação. A metodologia adotada para simulação numérica do escoamento apresenta boa concordância com os resultados experimentais de CT, já os dados anemométricos medidos na esteira próxima não foram reproduzidos com a mesma qualidade, contudo aproximam-se de forma qualitativa. A comparação com os modelos de esteira da literatura confirma que o modelo de viscosidade turbulenta é o que mais se aproxima dos resultados da simulação. / This study presents wakes of horizontal axis wind turbines, using as model a wind turbine tested in wind tunnel. It is a two bladed wind turbine with 10 m diameter, known as UAE Phase VI, tested by NREL in the NASA Ames wind tunnel. From this experiment was obtained the geometry and measured data, as the thrust coefficient, and the characteristics of the wind tunnel. Using this experiment as model, simulations are performed with Reynolds Averaged Navier-Stokes equations and k-ω SST turbulence model, using moving mesh and permanent and transient approaches, with help of the finite volume software Star-CCM+®. Polyhedral meshes are employed in a domain with large extent downwind, for just one wind speed. There are presented three wake models, two analytical and other considered numerical, for purposes of comparison with simulated results. These wake models aims to describe the velocity field downstream of the turbine. The input data of the models are the outputs of the simulations. Besides the models for the velocity deficit, are given equations to derive the turbulence intensity on the wake, with good results. In the analytical PARK wake model, the decay constant is low, as the study case has low perturbed flow. It is noted that this constant should vary along the wake to fit the average speeds field simulated. Another analytical model proposed by Werle is presented, not showing good results when comparing with the simulation, since it shows a rapid increase in the centerline velocity on the far wake. This model fits well with the undisturbed field upwind of the turbine. The turbulent viscosity is a wake model with the original second order equation to obtain the velocity field. However, it is presented and calculated in a simplified way to first order, obtaining only the centerline velocity. This model has the best fit with the simulation. The methodology adopted for numerical simulation of the flow shows good agreement with the experimental results of CT, since the wind data measured on the near wake are not reproduced with the same quality, yet close to a qualitative manner. The comparison with the wake models from the literature confirms that the eddy viscosity wake model is closest to the simulation results.

Este trabalho apresenta um estudo para aerogerador de pequeno porte projetado inicialmente para uso residencial. A ênfase está na modelagem e simulação virtual da estrutura das pás em compósito de fibra de vidro. A modelagem geométrica foi feita com software para desenho assistido por computador (CAD 3D). Para o projeto, foi escolhido o perfil MH110 que apresenta boa relação entre coeficiente de sustentação e coeficiente de arrasto e facilidade de fabricação. Os parâmetros como o diâmetro do rotor, a corda e a torção da pá, as relações entre velocidades e a aplicação de cargas na estrutura do material utilizado foram definidos segundo bibliografia específica, software para análise de perfil aerodinâmico e simulações pelo método dos elementos finitos. Procurou-se buscar sempre a maior eficiência, segurança e economia. O material considerado para o projeto das pás foi projetado para resistir às tensões decorrentes de operação em condições consideradas normais e para rajadas de vento. A simulação pelo método dos elementos finitos foi conduzida com ferramenta computacional e levou em conta os limites de falha do material utilizado. A geometria foi simulada sem reforço interno e apresentou baixo deslocamento quando submetida às cargas aerodinâmicas de empuxo e rotacional. Ao realizar simulação com critério de falha, foi possível determinar a espessura mais adequada para o material compósito e verificar seu comportamento de acordo com diferentes velocidades de vento. / This work presents a study for small wind generator designed for residential usage. The emphasis is modeling and virtual simulation of the blade structure made in composite material (fiberglass). Geometric modeling was performed by computer aided design (CAD 3D) software. The MH110 profile was chosen for design because it presents good ratio of lift coefficient and drag coefficient, and manufacturing facility. Parameters such as rotor diameter, chord and blade twist, the relationship between the blade speeds, and the application of loads on the material used were defined according to specific bibliography, software for airfoil analysis and simulations by finite element method. It tried to always seek most efficiency, safety and economy. The material was designed to withstand the stresses arising from operation under conditions considered normal and wind gusts. The simulation by finite element method was conducted by computational tool and took into account the material failure criterion. The geometry was simulated without internal reinforcement and presented low displacement when subjected to aerodynamic loads of thrust and rotational forces. When performing simulation with the failure criterion, it was possible to determine the most appropriate thickness for the composite material and verify its behavior under different wind speeds.

The objective of this work is to characterize the patterns of wind in the state of Alagoas, assessing whether conditions are favorable for electricity generation through aerogenerators, and relate these patterns with local parameters, observing the behavior of atmospheric stability through different methods. We sought for determine the seasonal pattern of wind speed and direction, air temperature, intensity of turbulence and squall factor of three distinct regions of the state: Sertão, Agreste and Litoral, and evaluate the behavior of atmospheric stability in its annual cycle through the calculation of stability parameters. Daily, monthly and annual means cycles of meteorological variables that could possibly describe the wind pattern in the state of Alagoas were examined. The founded patterns were rather different among the three regions, and the most satisfactory wind behavior for wind power production was found in the Agreste region (Girau do Ponciano). The Sertão region (Água Branca), demonstrated an influence of an usual annual Brazilian Northeast wind system known as Aracati. The Aracati leads the wind speeds to reach its maximum values during the night period, what is found to be an unusual behavior. There were positive associations between air temperature peaks and wind speed in many seasons, and positive associations among the prevalence between NE and SE (interval where the sea breeze effect is predominant) and the maximum values of wind speed, indicating a possible wind intensification due to the sea breeze. It was found a decrease of the wind speed in land breeze occurrences, indicating that the southern trade winds tend to reduce the wind speed in the coastal region, and sometimes bringing land breezes occurrences to vanish. The wind speed patterns were higher in stations placed inland(Girau Ponciano, Palmeira dos Índios and Água Branca) than the coastal stations (Feliz Deserto, Roteiro e Maragogi), possibly because the inland stations are placed in higher altitudes. The atmospheric turbulence recorded in the six stations showed relatively lower values than those found in the literature, which is a good indicator for wind power usage . The atmospheric stability in Feliz Deserto was greater during the summer, decreasing with the winter approaching, and the stability estimation by the Richardson number and Brunt-Vaisala frequency methods were quite consistent, showing a maximum variation of 5% between them. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho teve o objetivo de caracterizar os padrões de vento no Estado de Alagoas, avaliando se existem condições propicias para a geração de energia elétrica através de aerogeradores no Estado, e relacionar os padrões de vento com parâmetros locais, observando o comportamento da estabilidade atmosférica através de diferentes métodos. Procurou-se determinar o padrão sazonal da velocidade e direção do vento, temperatura do ar, intensidade de turbulência e fator de rajadas em três regiões distintas do Estado: Litoral, Agreste e Sertão, e avaliar o comportamento da estabilidade atmosférica no seu ciclo anual através do cálculo de parâmetros de estabilidade. Foram analisados ciclos médios diários, mensais e anuais de variáveis meteorológicas que pudessem descrever o padrão de vento no Estado de Alagoas. O padrão evidenciado foi relativamente diferente entre as regiões, tendo seu comportamento para aproveitamento eólico se mostrado mais satisfatório na região do Agreste (Girau do Ponciano). A região do Sertão (Água Branca) evidenciou uma influência anual de um regime de ventos comum na região Nordeste Brasileira, conhecido como Aracati, que faz com que as velocidades do vento obtenham seus máximos no período noturno, o que é um fato fora do padrão. Houve associações positivas entre picos de temperatura do ar e de velocidade do vento em muitas estações, e associações positivas com as predominâncias entre NE e SE (intervalo onde se encontra a predominância do efeito de brisa marítima) e os máximos valores de velocidade do vento, indicando uma possível intensificação do vento através da brisa marítima. Foi observada uma frenagem da velocidade do vento em situações de brisa terrestre, indicando que os ventos alísios tendem a diminuir a velocidade do vento na região Litorânea, e por vezes desconfigurar a ocorrência da brisa terrestre. Os padrões de velocidade do vento foram maiores nas estações situadas no interior (Girau do Ponciano, Palmeira dos Índios e Água Branca) do que no Litoral (Feliz Deserto, Roteiro e Maragogi), possivelmente devido às estações localizadas no interior estarem em maiores altitudes. A turbulência atmosférica nas seis estações apresentou valores relativamente menores do que os encontrados na literatura, sendo um bom indicativo para aproveitamento eólico. A estabilidade atmosférica em Feliz Deserto se mostrou maior durante o Verão, diminuindo à medida que se aproxima o Inverno, sendo que a estimativa da estabilidade pelos métodos do número de Richardson e da freqüência de Brunt- Vaisala foram bastante coerentes, apresentando no máximo 5% de diferença entre eles.

This work is based on bibliographical research with approach in alternative sources and renewable of energy in the State of Pernambuco, Brazil, especially solar and wind. The state is pioneering in the use and development of research involving energy proceeding from the sun and the winds. In the construction of this work, we verify that the majority of the projects of electric generation involving the use of photovoltaics solar panels, over all the installed ones in the region of the hinterland, function precariously or simply they are disactivated. The projects referring to the use of the wind energy, are only available in the city of Olinda and the Island of Fernando de Noronha, with power generated considered irrelevant in the state energy balance. With the mapping of these renewable sources in the state, has been possible to show that the question of the energetic sustainability and environmental is something still utopian, in the actual structure of electric generation available. The environmental degradation relative to the energy question, is more directly related to the use of the biomass, mainly of the firewood, that participates with considerable numbers in the state energy matrix. In this study, we also treat of the implications related with the use of the energy, before only concern of environmentalists and scientists. Without an internal energy policy, especially directed to the research, development and use of renewable energies, Pernambuco gives to signals of that walks for a not sustainable way of development, with serious implications to the environment, over all in some economically active polar regions of the state. Finally, we conclude by the importance of the opening from debate about existing renewable energy potential, exactly with emphasis only in the deriving electric generation of biomass, solar and wind. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho está baseado em pesquisa bibliográfica focada no estudo de fontes alternativas e renováveis de energia no estado de Pernambuco, especialmente solar e eólica. Esta unidade da federação é pioneira no uso e desenvolvimento de pesquisas envolvendo energia proveniente do sol e dos ventos. Na construção deste trabalho, verifica-se que a maioria dos projetos de geração elétrica envolvendo o uso de painéis solares fotovoltaicos, sobretudo os instalados na região do sertão, funcionam precariamente ou simplesmente estão desativados. Os projetos referentes ao uso da energia eólica estão apenas disponíveis na cidade de Olinda e na Ilha de Fernando de Noronha, com potência gerada considerada irrelevante no balanço energético do estado. Com o mapeamento destas fontes renováveis no estado, tem sido possível mostrar que a questão da sustentabilidade energética e ambiental é algo ainda utópica, considerando a estrutura de geração elétrica disponível. A degradação ambiental relativa à questão energética, está mais diretamente relacionada ao uso da biomassa, principalmente lenha, que participa com números consideráveis na matriz energética estadual. Neste estudo, também tratamos das implicações ambientais relacionadas com o uso da energia, antes preocupação apenas de ambientalistas e cientistas. Sem uma política energética interna, especialmente voltada à pesquisa, desenvolvimento e uso de energias renováveis, Pernambuco dá sinais de que caminha por uma via não sustentável de desenvolvimento, com graves implicações ao meio ambiente, sobretudo em alguns pólos economicamente ativos do estado. Por fim, conclui-se com a importância da abertura do debate sobre o potencial energético renovável existente, mesmo com ênfase apenas na geração elétrica oriunda de energia de biomassa, solar e eólica.

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No. of bitstreams: 1 Danilo Misticone MPA.pdf: 1722559 bytes, checksum: 832984c82da672c1f2d2376ea5247152 (MD5) Previous issue date: 2014-12-15 / This paper approaches the strategy in business management and aimed at identifying and outlining the interests and commitment of stakeholders in strategic resources management concerning production and implementation of wind turbine equipment of a Brazilian wind power company and also verifying if internal and external results deriving from such activities were sustainable, taking as main reference seminal publications and periodicals relevant to the research point that discuss the Resource Theory, Stakeholders and Sustainability. An analysis was carried out to assess how stakeholders, beyond the temporal context, intermediated the composition, development and management of the organization´s resources, as well as the social, environmental and economic results obtained from resources management in the production and supply of wind turbines to a Wind Power Plant located in the State of Ceara, in order to portray that Brazil sustainability can be an important competitive advantage source that creates value for shareholders and the community (Hart & Milstein, 2003). The strategy herein applied was the qualitative investigation using a single study case, which allowed for the thorough examination of an active organization operating in the Brazilian industry of wind power and also the resources used in the production and implementation of wind turbines supplied to the a Wind Power Plant in Ceara. Considering the content analysis and the triangulation principle, three qualitative data collection methods were applied to identify and characterize stakeholders’ interest and commitment in resource management of the organization operating in the Brazilian wind power industry, as follows, semistructured deep interview with managers of tactic-strategic level and analysts of organization´s value chain nine activities, analysis of public internal and external documents; and analysis of audio-visual material. Nonetheless, to identify the internal and external economic, social and environmental results of implementation and supply of wind turbines to the Wind Power Plant in Ceara, semistructured interviews were also carried out with the residents of the region. Results showed the BNDES (Brazilian Development Bank) and the organization head office were the stakeholders who exerted the strongest influence on resources related to production and implementation of the aerogenerator product at Trairi Wind Plant in Ceara. Concerning the organization resources, at the current stage of the Brazilian Wind Industry ,although the brand, reliability and reputation of the organization under study were valuable esources, rare, hard to imitate and exploited by the organization, it was noticed that opposed to RBV, they did not actually represent a source of competitive advantage . For the local community the social, economic and environmental results related to the wind turbines implementation were more positive than negative, despite the fact that the productive process caused negative environmental impacts such as the high emission of CO2 to transport wind turbines components to Trairi Wind Power Plant. / Este trabalho, localizado no campo de estratégia empresarial, teve como principal objetivo identificar e caracterizar os interesses e envolvimento dos stakeholders na gestão de recursos estratégicos relacionados à produção e implementação do produto aerogerador de uma organização atuante na indústria brasileira de energia eólica, e verificar se os resultados internos e externos decorrentes da realização destas atividades foram sustentáveis, considerando-se, principalmente, como referencial teórico, publicações seminais referentes às abordagens da Teoria dos Recursos, Stakeholders e Sustentabilidade. Foram analisados como os stakeholders, além do contexto temporal, intermediaram a composição, o desenvolvimento e o gerenciamento de recursos de uma organização, bem como os resultados econômicos, sociais e ambientais obtidos da gestão de recursos na produção e no fornecimento de aerogeradores a um Parque de Energia Eólica localizado no estado do Ceará, de forma a retratar que a sustentabilidade pode ser importante fonte de vantagem competitiva e de geração de valor para acionistas e comunidade em geral (Hart e Milstein, 2003). Para atingir o objetivo deste trabalho, utilizou-se a estratégia de investigação qualitativa, por meio de estudo único de caso, o que permitiu a exploração detalhada da organização atuante na indústria brasileira de energia eólica e os recursos utilizados no processo de produção e implementação de aerogeradores fornecidos ao Parque de Energia Eólica, localizado no estado do Ceará. Considerando-se a análise de conteúdo e o princípio da triangulação, foram utilizados 03 (três) métodos de coletas de dados qualitativos para identificar e caracterizar os interesses e envolvimento dos stakeholders na gestão de recursos da organização atuante na indústria brasileira de energia eólica: entrevistas semiestruturadas em profundidade com gestores do nível tático-estratégico e analisas das nove atividades da cadeia de valor da organização, análise de documentos internos e externos públicos e análise de materiais audiovisuais. Por sua vez, para identificação dos resultados econômicos, sociais e ambientais interno e externos relacionados ao fornecimento e implementação dos aerogeradores no Parque de Energia Eólica localizado no Estado do Ceará, foram realizadas entrevistas semiestruturadas com moradores residentes em torno dessa região. Os resultados encontrados demonstraram que o BNDES e a matriz da organização em estudo foram os stakeholders que mais exerceram influências sobre os recursos relacionados à produção e implementação do produto aerogerador no Parque Trairí. Por sua vez, com relação aos recursos da organização, constatou-se, principalmente, que, no atual estágio da indústria eólica brasileira, embora a marca, confiabilidade e reputação da organização em estudo sejam recursos valiosos, raros de difícil imitação e explorados pela organização, os mesmos, no atual estágio de maturidade da indústria eólica brasileira, e, contrariamente a Teoria dos Recursos, não representaram uma fonte de vantagem competitiva à organização. Por fim, para a comunidade local, os resultados econômicos, sociais e ambientais relacionados à implementação do aerogerador foram mais positivos do que negativos, embora o processo produtivo do aerogerador tenha gerado alguns impactos ambientais negativos, como, por exemplo, o alto nível de emissão de CO2 para o transporte dos componentes dos aerogeradores até Trairí.

Este trabalho apresenta a avaliação experimental em túnel aerodinâmico de características de dois aerogeradores de pequeno porte com cinco pás. Para isso, utilizando-se prototipagem 3D, construíram-se dois modelos em escala reduzida, os quais foram avaliados primeiramente utilizando-se Pás Ótimas de Betz e depois Pás Ótimas de Betz Modificadas. Antes de se avaliar o equipamento determinou-se a distribuição de velocidades na seção transversal do túnel com o auxílio de um tubo de Pitot. Com o perfil de velocidades do túnel conhecido, determina-se o torque estático do protótipo com o uso de um torquímetro digital acoplado ao eixo do equipamento, que registrou todas as leituras para as faixas de velocidade de 1 m/s até 9,88 m/s. Também com o torquímetro avalia-se a influência da posição angular das pás no torque medido. Para tanto, elas são projetadas móveis no hub, o que possibilitou variar sua angulação em relação ao escoamento, mudando assim o ângulo de ataque e, por conseguinte o torque produzido. Empregou-se um foto tacômetro para medir a rotação do modelo em giro livre. Com os dados obtidos, determina-se a curva de torque estático e a curva de RPM em função da velocidade incidente. Através da determinação experimental do perfil de velocidade incidente e do perfil de velocidade na esteira aerodinâmica de cada turbina é avaliada a variação da quantidade de movimento do escoamento e determinada a potência extraída pelos rotores em rotação livre. Este estudo visa contribuir com o projeto de um aerogerador real, prevendo as características aerodinâmicas que o equipamento apresentará se construído com o presente layout. Com os dados analisados se faz uma previsão para as curvas de potência dos protótipos. Os resultados experimentais de torque e potência demonstram boa aproximação com os resultados obtidos por avaliação analítica pelo método do elemento de pá. A prototipagem 3D administrada se mostrou eficaz traduzindo realismo e excelente custo-benefício. A turbina construída com Pás Ótimas de Betz apresentou torque estático 17,8% superior à construída com as Pás Modificadas e extraiu 22% a mais de potência do escoamento de ar. / This paper presents the experimental evaluation in wind tunnel of two small wind turbines features five blades. Therefore, using 3D prototyping, two models were built on a reduced scale, which were first evaluated using Optimal Blade Betz and Optimal Blade Betz Modified. Prior to evaluating the distribution machine at speeds determined in the tunnel cross-section with the aid of a Pitot tube. With the known tunnel velocity profile, determines the static torque of the prototype with the use of a digital torquimeter coupled to the machine axis, which recorded all the readings for the speed range of 1 m/s to 9,88 m/s. Also with the torquimeter evaluates the influence of the angular position of the blades in the measured torque. Therefore, it is mobile designed in the hub, allowing vary their angle in the outflow, thereby changing the angle of attack and therefore the torque produced. Employed a photo tachometer for measuring the rotation of the model in free spin. With the data, determines the static torque curve and RPM curve as a function of incident speed. Through experimental determination of the incident velocity profile and the velocity profile in the aerodynamic wake of each turbine is evaluated the variation of the amount of movement of the flow and determined the power extracted by the rotor in free rotation. This study aims to contribute to the design of a real wind turbine informing the aerodynamic characteristics of the equipment shall be constructed with this layout. With the data analyzed to make a prediction for the prototype power curves. The experimental results demonstrate torque and power good approximation to the results obtained by evaluation by analytical element of the paddle method. The turbine constructed with Optimal Betz Blades presented static torque 17,8% higher than constructed with the Modified Blades and extracted 22% more power air outflow.

Turbinas eólicas usualmente são agrupadas em grandes parques, reduzindo o custo de instalação, transmissão da energia e manutenção periódica. A superposição das esteiras sobre turbinas adjacentes normalmente reduz consideravelmente a capacidade total, objeto de estudo de Micrositing. Porém, por vezes o “efeito Venturi” ocasionado pelas turbinas à montante induz maior velocidade às turbinas adjacentes aumentando o potencial eólico disponível nas linhas consecutivas. De forma inovadora empregar o Design Constructal de Bejan, o modelo do disco atuador genérico e a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para obter a melhor disposição geométrica das turbinas em uma área plana e não rugosa, com foco à maior potência extraída por área de turbinas instaladas. Para tal, modelar e predizer o comportamento da esteira é fundamental, assim como conhecer os modelos de esteira e a aplicabilidade dos métodos empregados. O Design Constructal é a fonte dos parâmetros geométricos base das simulações: o espaçamento entre as turbinas e as razões de diâmetros. Após 64 simulações semi-iterativas e mais de 60 iterativas verifica-se que o maior ganho em potência disponível por área é de 7,37% para a configuração V = 7m/s, S = 3D, d/D = 0.5, L = 3D e 8,48% para a configuração V = 11m/s, S = 3D; d/D = 0.25 & 0.5, L= 0.75D, valor relativo à execução de somente um diâmetro de 100 metros. / Usually wind turbines are grouped in large parks, reducing the cost of installation, energy transmission and periodic maintenance. But the overlapping of the aerodynamical wakes on adjacent turbines reduces the total capacity, Micrositing study. However, the "Venturi effect" caused by the turbines upstream sometimes increases the speed to the adjacent turbines increasing the wind potential available in straight lines. Innovatively employing the Design Constructal Bejan, the model of the actuator disc and Computational Fluid Dynamics (CFD) to search the best geometrical layout of the turbines on a roughless and flat area, focus on higher power extracted by area. To do this, model and predict the wake of behavior is fundamental, as well as know the aerodynamical wakes models and the applicability of the methods employed. The Design Constructal is the source of the simulation’s parameters: spacing between the turbines and the diameter’s ratio. After concluded 64 semi-iterative and iterative simulations, and more than 60 verifies, the best gain in available power per area is 7.37% for the configuration V = 7 m/s; S = 3d; d/D = 0.5; L = 3D. And the gain of 8.48% for the configuration V = 11m/s, s = 3D; d/D = 0.25 & 0.50; L = 0.75D, comparing to the implementation of just 100 meters diameter.

Esta dissertação propõe um projeto de aerogerador que é composto de uma turbina eólica de cinco pás, acoplada a um difusor e um gerador elétrico, com a finalidade de gerar energia elétrica com ventos de velocidade a partir de 4 m/s. São apresentados os pressupostos teóricos referentes ao estudo e dimensionamento aerodinâmico de uma pá, baseados principalmente na teoria do disco atuador e na teoria aerodinâmica, através do método de Betz. É feito o estudo de um difusor para ser acoplado à turbina com o objetivo de aumentar o aproveitamento energético. No final foram estudadas as principais topologias utilizadas para a geração eólica e é selecionado o gerador síncrono de ímãs permanentes. A seguir foram estudadas e dimensionadas as partes ativas do gerador (diretamente envolvidas na conversão eletromagnética). É projetado um aerogerador trifásico com enrolamentos distribuídos. O rotor, que é acoplado às pás, localiza-se internamente. Os ímãs permanentes de Neodímio-Boro-Ferro são montados na superfície do rotor. Conclui-se com a avaliação do aerogerador proposto com base nas simulações computacionais de seu desempenho. / This thesis proposes a wind generator design which combines a five blade wind turbine that is attached to a diffuser and an electrical generator. The design aims to produce electric power from 4 m/s starting wind speeds. It presents the theoretical study concerning the design and aerodynamics of a blade, commonly based on the theory of actuator disc and aerodynamic theory, through the method of Betz. A study was conducted on a diffuser to be coupled to the turbine in order to increase the energy utilization. In the end, the main topologies used for wind generation were presented, and the permanent magnet synchronous generator was selected. Next, all the active parts of the generator (directly involved in electromagnetic conversion) were studied and determined. An outer stator with three-phase distributed windings was designed. The rotor, which is coupled to the blades, is located internally. The Neodymium-Iron-Boron permanent magnets are mounted on the rotor surface. It is concluded with an evaluation of the proposed wind generator in accordance with its behavior computational simulations.

Simulações numéricas do escoamento atmosférico em microescala constituem o foco principal deste estudo. Estas simulações são abordadas tendo em vista aplicações para o setor eólico, em especial para avaliações de produção de energia em parques eólicos. Existem diversas categorias de incertezas associadas às estimativas de produção de energia para um projeto eólico, mas na maioria dos casos, a incerteza associada ao modelo de escoamento é a maior e mais relevante de todas. Dentro do setor eólico, o termo “modelo de escoamento” refere-se à ferramenta numérica utilizada para extrapolar o recurso eólico medido na posição das torres anemométricas (e sensores remotos) até as posições projetadas para os aerogeradores. Diversos autores sugerem através de estudos comparativos que os modelos tipo “CFD RANS k-ε” atualmente representam o “estado da arte” para aplicações em parques eólicos e são os mais utilizados comercialmente no setor. Contudo, o escoamento atmosférico livre é intrinsicamente turbulento, e a dinâmica dos escoamentos turbulentos é um campo científico que ainda não foi totalmente dominado pelo conhecimento humano. O presente estudo demonstra que a maioria dos “modelos de escoamento” atualmente disponíveis possuem pontos fracos, em especial quando aplicados em simulações do escoamento atmosférico livre sobre áreas com topografia e rugosidade complexas Uma das fraquezas presentes na maioria dos modelos de microescala para escoamento atmosférico é a “incapacidade” de simular com precisão o escoamento que ocorre durante períodos de “estabilidade atmosférica”. Diversos locais com elevado potencial eólico apresentam ciclos durante os quais as características do escoamento são afetadas pela ocorrência de estratificação térmica dentro da Camada Limite Atmosférica. Tendo como objetivo principal melhorar as simulações do escoamento nestas condições, propõe-se através deste estudo algumas modificações na modelagem “CFD RANS k-ε” tradicionalmente empregada. Dentre estas, destacam-se a inclusão de um perfil estratificado de temperatura potencial como condição de contorno, a inclusão dos efeitos das forças de empuxo no equacionamento “k-ε” e a solução simultânea das equações para balanço de energia e para o fluxo de temperatura potencial. Este modelo foi chamado de “RANS estável”. Para validação deste modelo foram utilizadas cinco torres anemométricas instaladas em um local com topografia complexa. Estas torres foram montadas e instrumentadas conforme as melhores práticas internacionais Os dados anemométricos registrados por essas torres demonstram a presença de ciclos diários de estabilidade atmosférica. Os erros de previsão cruzada foram calculados comparando-se as previsões de cada modelo com as medições reais registradas na posição das torres. O erro global médio de previsão cruzada entre torres anemométricas obtido com a composição dos modelos RANS “estável + neutro” foi de 3,8% enquanto o erro obtido apenas com o modelo RANS k-ε tradicional foi de 5,2%. Para o modelo linear WAsP, amplamente utilizado no setor eólico, o erro foi de 7,1%. Além dos erros de previsão cruzada entre torres, os perfis verticais de velocidade e os fatores de aceleração direcionais obtidos com a composição dos modelos RANS “estável + neutro” também sugerem que esta é uma alternativa versátil e promissora para capturar os ciclos de estabilidade atmosférica utilizando simulações numéricas em regime permanente. / Microscale numerical simulations of the atmospheric wind flow are the central focus of this study. These simulations are analysed from the wind energy perspective. Special attention is given to the usage and application of these simulations in energy production assessments for proposed wind farms. There are multiple uncertainty categories associated with energy production forecasts for future wind farms. However, in most cases the uncertainty factors related with wind flow modelling are the largest and most relevant of them all. The wording “flow model” refers to the numerical simulations (or “models”) that are used to extrapolate the anemometric data recorded at meteorological masts positions to the proposed wind turbine positions. Several authors have demonstrated through comparative studies that the “CFD RANS k-ε” models currently represent the “state of the art” when it comes to microscale wind flow simulations targeted at wind farms. Nonetheless, the atmospheric wind flow is turbulent by nature, and the dynamics of turbulent flows represent one of the scientific fields that have not yet been fully dominated by the human knowledge. The present study demonstrates that the majority of flow models currently available to mankind still lack in precision, even more so when it comes to modelling free atmospheric wind flow over complex terrain. One of the major weak spots of most microscale wind flow models is their inability to precisely simulate the wind flow that occurs during periods of atmospheric stability Numerous locations with large potential for wind energy production present cyclic periods of thermal stratification inside the atmospheric boundary layer. These cycles alter the dynamics and characteristics of the wind stream. With the purpose of improving wind flow simulations under stable atmospheric conditions, some modifications to the standard “RANS k-ε” model implementation are proposed. The most significant of these modifications are the usage of a potential temperature profile among the boundary conditions, the inclusion of the buoyancy forces in the “k-ε” equations and the simultaneous solution of the equations for energy balance and for potential temperature transport. This “modified” model was named “stable RANS”. It was validated using five well mounted meteorological masts installed in a location with complex topography. The anemometric data measured by these site masts suggest the existence of strong daily cycles of atmospheric stability. Cross prediction errors were calculated by comparing the forecasts (outputs) from each flow model against real wind data measured at each mast position The global average cross prediction error yielded by the RANS “stable +neutral” model was around 3,8%, whereas the error yielded by the traditional “RANS k-ε” implementation was near 5,2%. For the linear model WAsP the error was calculated to be 7,1%. In addition to cross prediction errors, the vertical wind speed profiles and speed-up factors calculated with the RANS “stable +neutral” model composition also suggest that it is a promising and versatile alternative for capturing the effects from atmospheric stability on wind flow using steady state numerical simulations.