Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The growing global demand for electricity, increasing scarcity of the conventional energy sources and the need to reduce environmental impacts contributed to the pronounced development of new technologies based on clean and renewable energy sources. In this context, the wind power is the technology that has had a greater development in recent decades. This source has played an important role in the advancement of alternative sources in the world energy matrix, because the technology is already consolidated and is economically viable. Accompanying the technological development of the alternative sources, the induction generator has stood out among the generators with the technology best suited to generating electricity for isolated energy systems. With this motivation, this thesis proposes a new configuration for an isolated wind energy conversion system using variable speed turbines, in which the induction generator is electronically excited by means of a static compensator. Also, the generator is associated to a shunt active filter for compensation of non-linear and unbalanced loads, and with a battery bank for energy storage and DC bus stabilization. It is also discussed the main problems with the induction generator related to the magnetization characteristic and its dynamic model, and the proposed solutions to mitigate these problems. The results confirm the effectiveness of the proposed wind energy conversion system, showing its operational capability with variable load and variable turbine speed. Finally it is presented the main conclusions of this work and suggestions for future works in the same line of research. / O crescente aumento da demanda mundial de energia elétrica, a escassez cada vez maior das fontes convencionais de energia e a necessidade de redução dos impactos ambientais contribuíram para o acentuado desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em fontes limpas e renováveis. Neste contexto, a energia eólica foi uma das tecnologias que mais se desenvolveu nas últimas décadas. Esta fonte tem desempenhado importante papel no avanço das fontes alternativas na matriz energética mundial, pois é uma tecnologia já consolidada e viável economicamente. Acompanhando o desenvolvimento tecnológico das fontes alternativas, o gerador de indução tem se destacado dentre as tecnologias de geradores mais adequadas para sistemas isolados de geração de energia elétrica. Com esta motivação, esta tese propõe uma nova configuração de conversão de energia eólica isolada, utilizando turbinas de velocidade variável, na qual o gerador de indução é excitado eletronicamente por meio de um compensador estático. Ainda mais, o gerador é associado a um filtro ativo shunt para a compensação de cargas não-lineares e desbalanceadas e a um banco de baterias para armazenamento de energia e estabilização do barramento cc, comum aos conversores. São discutidos os principais problemas relacionados ao gerador de indução para esta aplicação através da característica de magnetização e do seu modelo dinâmico, com as soluções propostas para mitigar estes problemas. Os resultados práticos e de simulação obtidos comprovam a efetividade da configuração de conversão de energia eólica proposta, mostrando a capacidade de operação do gerador com carga variável e velocidade variável da turbina. Por fim são apresentadas as principais conclusões e sugestões para trabalhos futuros na mesma linha de pesquisa.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work presents the analysis and implementation of a vector control applied to Doubly-Fed Induction Generators (DFIG) used in grid connected wind turbines. DFIG s are nowadays the more widely used concept for grid connected wind turbine, especially for rated power above 1 MW. The main reason is the low rotor PWM power converter rating. The present work deals with the controller analysis of the back-to-back converter in the stator flux vector reference frame. This method allows a decoupled control of the active and reactive stator power. The PI controller bandwidth analysis in the DFIG dynamic behavior is presented. Initially, the impact of the bandwidth variation of the closed loop rotor current controller and the stability including the PLL estimator are investigated. In addition, this work proposes a new synchronization method that automatically synchronizes the induced stator voltage vector with the grid voltage vector without being affected by the position of the rotor. In order to validate the carried out analysis, experimental results are presented using a 5kW DFIG. It is basically composed by: one DFIG, two power converters connected in the rotor-side and in the grid-side, a line filter and the data acquisition and control system (DSP TMS320F2812). Both converters are commercial units and are vector controlled using appropriate interfaces and they are connected back-to-back, sharing the same DC bus. One of them is supplied through a line filter from the power grid and the other one with the output of the generators rotor. The stator of the generator is directly connected to the power grid. All components are extensively described in the work and their functions are discussed. The control structures for both inverters are presented. / Este trabalho apresenta à análise e implementação do controle vetorial de uma Máquina Assíncrona Trifásica com Rotor em Anéis Duplamente Alimentada (MATRADA) aplicado a aerogeradores de velocidade variável. Atualmente, o conceito da MATRADA é amplamente utilizado em aerogeradores modernos, principalmente em potências maiores que 1 MW. A principal razão é o custo reduzido do conversor estático duplo do circuito rotórico. Inicialmente, este trabalho trata da analise dos controladores vetoriais do conversor estático duplo, considerando o modelo matemático em coordenadas síncronas orientado no referencial do fluxo estatórico. Nesse referencial, é possível controlar as potências estatóricas de forma independente. No entanto, a posição do fluxo estatórico não pode ser obtida de forma direta. Devido a isso, incluiu-se um estimador para a posição do fluxo estatórico. Com a inclusão desse estimador no modelo matemático, foi investigada a estabilidade do sistema operando em malha fechada. A partir do modelo matemático incluindo o estimador, desenvolveu-se uma metodologia para o projeto dos controladores vetoriais do conversor estático duplo responsável pelo acionamento da MATRADA. Além disso, também é desenvolvida uma metodologia para a partida e sincronização do sistema de geração eólico com a rede elétrica que independe da velocidade de rotação da turbina. O comportamento dinâmico desse sistema perante distúrbios próximos ao ponto de conexão com a rede elétrica é investigado. Para melhorar a resposta do sistema de geração durante esses distúrbios, é desenvolvida uma metodologia de controle para o circuito crowbar. Para validar os estudos desenvolvidos ao longo desse trabalho, resultados experimentais são apresentados utilizando uma plataforma MATRADA de 5 kW. Essa plataforma é composta basicamente por: uma MATRADA, dois conversores estáticos de potência, um filtro de rede e um sistema de aquisição e controle (DSP TMS320F2812). Os conversores utilizados são unidades comerciais e são acionados por interfaces apropriadas. Os conversores são conectados back-to-back dividindo o mesmo barramento CC. O conversor do lado da rede é conectado a rede elétrica através do filtro L e o outro conversor é conectado diretamente ao rotor da MATRADA. O estator da MATRADA é conectado diretamente na rede elétrica. Todos os componentes e suas principais funções são discutidas no decorrer desse trabalho.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-11-30Bitstream added on 2014-06-13T18:21:07Z : No. of bitstreams: 1 caneppele_fl_me_botfca.pdf: 1429117 bytes, checksum: c8c896af07e13fd2373df60b74a0e4c2 (MD5) / O uso de energias alternativas e renováveis tem sido cada vez mais discutido em todos os setores da sociedade. O interesse nessas fontes de energias, alternativas e renováveis, é de fundamental importância, tanto no que se refere à escassez, quanto ao preço do petróleo, além das questões ambientais envolvidas no uso dessas energias. Sistemas de geração eólica e fotovoltaica com armazenamento de energia em baterias tem-se apresentado como uma forma de geração alternativa de energia. A variabilidade na intensidade da energia eólica e solar pode ser contornada pela complementação entre uma fonte e outra, ou pela maior estabilidade configurada à geração do sistema. O objetivo desta dissertação é criar uma metodologia fuzzy e simular seu uso no controle inteligente de um sistema híbrido de geração de energia elétrica, utilizando as energias solar-fotovoltaica e eólica. Quando utilizamos um sistema de controle baseado na lógica fuzzy, é atingido o ponto de máxima geração de energia, desta forma transferindo toda a energia gerada à partir das fontes alternativas, solar-fotovoltaica e eólica, à carga e/ou as baterias quando seu uso não imediato. O modelo utilizado adota três variáveis de entrada, que são: velocidade do vento, radiação solar e carga do banco de baterias.Serão utilizados para as simulações alguns softwares como o MATLAB e outros, que serão citados ao longo do trabalho. Nestes ambientes serão analisadas e simuladas todas as modelagens matemáticas, regras e demais variáveis descritas no sistema fuzzy. Este modelo foi utilizado para a implementação de um sistema de controle de sistemas híbridos de geração de energia, proporcionando o melhor aproveitamento das fontes de energia, sol e vento, de modo que possamos extrair o máximo de energia possível dessas fontes alternativas sem nenhum prejuízo ao meio ambiente... / The use of alternative and renewable energy has been increasingly discussed in all sectors of society. The interest in these sources of energy, alternative and renewable, it is of fundamental importance, both in terms of shortage, as the price of oil, in addition to the environmental issues involved in the use of these energies. Systems with photovoltaic and wind generation storage of energy in batteries has been presented as a form of alternative energy generation. The variability in the intensity of solar and wind energy can be circumvented by complementation between a source and another, or the more stable set to the generation of the system. The objective of this dissertation is to create a methodology fuzzy and simulate their use in intelligent control of a hybrid system of generating power, using the energy solar-photovoltaic and wind.When you use a system of control based on fuzzy logic, is reached the point of maximum generation of energy, thus transferring all the energy generated on the basis of alternative sources, solar, photovoltaic and wind, to the load and / or batteries when its use not immediately. The model takes three variables of entry, which are: wind speed, solar radiation and loading the bank of batteries. The simulations will be used for some software such as MATLAB and others, that will be cited during the work. In these environments will be analyzed and simulated all mathematical modeling, rules and other variables in the system described fuzzy. This model could be used in the implementation of a system of control of hybrid systems to generate energy, providing the best use of energy sources, sun and wind, so we can extract the maximum energy possible these alternative sources without any prejudice to the environment. The work was developed in the Laboratory of Energização Rural, of the Department of Rural Engineering of UNESP - FCA...(Complete abstract, click electronic access below)

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:50:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2301391 bytes, checksum: f5c76a6345ef51b0f44c4bc66f2b19da (MD5) Previous issue date: 2010-07-29 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The source of renewed or clean energy, such as, the eolic energy is presented as an option for the reduction of the energy based on fossil fuel. Brazil, and in special the Brazilian northeast region, is privileged in the eolic potential due to the presence of the trade winds. In this sense, the present study consists of developing a tool to evaluate the potential of eolic power as well as to evaluate the impacts of climatic changes on the intensive kinetic energy of the winds. Climate data from the regional model MM5 (Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model) under current (1980-2000) and future global warming conditions (2080-2100) have been utilized. These data served as boundary and initial conditions for a micro-scale model in order to evaluate the role/impact of different surface conditions and topography of the eolic energy. The results show that for the future interval there exist a positive trend leading to an intensification of the kinetic energy of the winds, in particular in the second half of the year. This highlights the viability of application of eolic plants in this region of Brazil for both, the current period and the future. The models simulations also indicate the winter period, as being the time most significant of eolic potential, with values of the intensive kinetic energy varying between 15 J/kg the 55 J/kg. The results still indicate that the optimum positioning of eolic turbines as well as the height of the towers, are between 80 and 100 meters from the soil surface. Finally, our investigation suggests that the interface between models of different complexities, as well as the application of different methodologies for the calculation of the eolic potential, is extremely useful to increase the accuracy of estimates of the local capacity for the generation of eolic energy. / As fontes de energias renováveis ou limpas, tais como, a eólica, apresenta-se como uma opção para a redução do uso de energia a base de combustíveis fósseis. O Brasil, e em especial o território do nordeste brasileiro, é privilegiado no potencial eólico já que a sua localização abrange a área dos ventos Alísios.. Portanto o presente trabalho consiste em desenvolver uma metodologia para avaliar o potencial eólico do nordeste brasileiro, e avaliar os impactos das mudanças climáticas sobre a energia cinética intensiva dos ventos. Para esse estudo usou-se dados do modelo climático regional MM5 (Fifth-Generation NCAR / Penn State Mesoscale Model) sob condições de período atual (1980-2000) e futuro (2080-2100), com cenário de aquecimento global. Com os dados provenientes do MM5 foi feito a interface com o modelo de microescala, visando modelar os primeiros metros da camada limite atmosférica para a obtenção de perfis verticais de velocidade do vento sobre terrenos complexos, e mapas de potencial eólico em diferentes altitudes. Os resultados mostraram que em um cenário futuro todas as estações do ano apresentaram tendências de intensificação da energia cinética intensiva dos ventos, sendo que as anomalias mais evidentes ocorrem na segunda metade do ano. Isso mostra a viabilidade de aplicação de plantas eólicas nesta região do Brasil tanto para o período atual como para um cenário futuro. Predições dos modelos indicam o período de Junho a Agosto (Inverno), como sendo a época mais significativa de potencial eólico, com valores da energia cinética intensiva variando entre 15 J/kg a 55 J/kg. Os resultados ainda indicaram que o melhor posicionamento de turbinas eólicas bem como a altura das torres, entre 80 e 100 metros do solo. O estudo sugere que a interface entre modelos de diferentes complexidades, bem como a aplicação de diferentes metodologias para o cálculo do potencial eólico, é importante para aumentar a precisão e a confiabilidade das estimativas da capacidade de geração de energia eólica.

Esta dissertação propõe um novo sistema de controle baseado na Teoria da Potência Instantânea para um aerogerador acoplado a um gerador síncrono de imãs permanentes. Por se tratar de um gerador com força eletromotriz trapezoidal, o controle proposto traz vantagens em relação aos usuais baseados na transformação de Park. Uma bancada de ensaios foi montada para a verificação experimental. Utilizou-se, para converter a energia rotacional mecânica em elétrica, uma máquina síncrona de ímã permanente (MSIP) de 3kW. O sistema proposto é composto por dois conversores do tipo fonte de tensão (Voltage Source Converter), conectados em topologia back-to-back, são utilizados para conectar este gerador à rede elétrica, nos quais o disparo das chaves é por modulação PWM vetorial. A sincronização e o controle dos fluxos de potências são baseados na teoria pq, com compensadores ressonantes no lado da rede e proporcionalintegral (PI) no lado do gerador. Neste caso, para garantir a estabilidade do controle da corrente do gerador em toda a sua faixa de potência, determinou-se matematicamente, em função da posição do rotor, a força eletromotriz do MSIP. O controle da tensão no barramento CC é feito no lado do gerador, garantindo a permanência da conexão com a rede mesmo quando o sistema está sujeito ao afundamento simétrico da tensão. O sistema de geração ajusta o valor da potência transferida à rede e a velocidade de rotação da turbina eólica, de modo que ele opere sempre no ponto de maior potência. São apresentados resultados de simulação em ambiente Matlab/Simulink, e experimentais coletados na bancada. Para impulsionar o gerador, foi construído um simulador de turbina eólica, que reproduz as características de uma turbina de 3 pás com raio de 2m. / This paper proposes a new control system based on Instantaneous Power Theory for a wind turbine coupled to a synchronous generator permanent magnets. Because it is a generator with trapezoidal EMF, the proposed control brings advantages over the usual based on the transformation of Park. A test bench was set up for the experimental verification. Was used to convert mechanical energy into rotational power, a synchronous permanent magnet machine (PMSM) 3kW. The proposed system consists of two converters of the type of source voltage (Voltage Source Converter) connected on back-to-back topology, are used to connect this generator to the grid, where the shooting of the keys is a vector PWM modulation. Synchronization and control of power flows are based on the pq theory, with resonant compensators on the network side and proportional-integral (PI) on the generator side. In this case, to ensure the stability of the control of the generator current in all its power range, it was determined mathematically as a function of rotor position, the electromotive force of the MSIP. The control of the DC bus voltage is done on the generator side, ensuring the permanence of the connection to the network even when the system is subject to symmetrical voltage sag. The generation system adjusts the amount of power transferred to the network and the rotational speed of the wind turbine, so that it always operates at the point of highest power. Simulation results in Matlab / Simulink environment, and collected in the experimental bench are presented. To drive the generator, built a wind turbine simulator, which reproduces the characteristics of a turbine 3 blades with a radius of 2m.

FINEP; Capes; CNPq; Fundação Araucária; SETI; UTFPR / A inserção de unidades de geração distribuída no sistema elétrico de potência tem contribuído para a popularização do conceito de microrrede. Vários benefícios potenciais podem ser alcançados no que tange a qualidade de energia e confiabilidade de fornecimento. No entanto, vários desafios técnicos referentes ao controle e operação de microrredes deverão ser superados, considerando a alta inserção de sistemas de geração baseados em conversores estáticos. Dentre as oportunidades no contexto das microrredes, está a operação ilhada da microrrede no caso de microrredes interconectadas ao sistema elétrico de potência, e também a operação autônoma de microrredes isoladas geograficamente do sistema elétrico de potência. A frequência em sistemas de potência de grande porte é tradicionalmente controlada por unidades de geração síncronas. A inserção de unidades de geração distribuída com conversores estáticos de potência pode trazer dificuldades ao controle de frequência da microrrede devido à redução da inércia equivalente dos geradores síncronos convencionais presentes em microrredes ilhadas autônomas ou isoladas geograficamente. Nesse contexto, se torna necessário que novas estratégias operacionais e de controle sejam propostas para o controle de microrredes, levando em consideração a presença de unidades de geração distribuída baseadas em conversores estáticos de potência plenos. Este trabalho propõe uma estratégia operacional e de controle para a operação ilhada autônoma de uma microrrede com geração híbrida eólica-diesel com elevado nível de inserção da geração eólica. A microrrede adotada no estudo é composta por um sistema de conversão de energia eólica com gerador síncrono baseada em conversor pleno e um gerador síncrono movido a diesel (GDI) e um banco de carga (DL, do inglês, dump load). Devido ao alto nível de inserção da geração eólica, a unidade eólica de geração opera no modo Vf e o gerador diesel no modo PQ. O gerador a diesel e a dump load são empregados para regular a tensão do barramento CC do conversor da unidade eólica. O controle proposto permite a operação ilhada da microrrede somente com a geração eólica, modo somente eólica (SE), e a operação híbrida eólica-diesel, modo eólica-diesel. Para o modo somente-eólica, modo com 100% de inserção da geração eólica, propõe-se uma malha de controle da tensão do barramento CC baseada na utilização de uma dump load CC. Para o modo de operação eólica-diesel propõese uma malha de controle de tensão do barramento CC adicionada ao gerador diesel conectado à microrrede CA com atuação coordenada com a dump load. A estratégia operacional e de controle proposta não requer o uso de baterias e visa maximizar a produção de energia a partir da geração eólica, garantindo a operação ininterrupta da microrrede. Os resultados obtidos demonstraram que a estratégia operacional e de controle permitiu a operação da microrrede ilhada de modo estável e que as malhas de controle da tensão do barramento CC adicionadas ao gerador diesel e à dump load se mostraram eficazes durante as variações típicas de velocidade de vento e de carga. / The insertion of distributed generation units in the electric power systems have contributed to the popularization of microgrid concepts. With the microgrids, several potential benefits can be achieved in regard to power quality and supply reliability. However, several technical challenges related to the control and operation of microgrids, which are associated with high insertion of generation systems based on static converters, must be overcame. Among the opportunities in the context of microgrids, there is the islanded operation of microgrids temporarily disconnected from the electric power systems and also the autonomous operation of geographically isolated microgrids. The frequency in large power systems is traditionally controlled by the generation units based on traditional synchronous generator. The insertion of distributed generation units based on static power converters may bring difficulties to the frequency control in microgrids, due to the reduction of the equivalent inertia of conventional synchronous generators present in islanded and isolated microgrids. In this context, it becomes necessary the proposition of new operational and control strategies for microgrids control, taking into account the presence of distributed generation units based on full-rated converter. This paper proposes an operational and control strategy for the islanded operation of a winddiesel microgrid with high insertion level of wind generation. The microgrid adopted in this study comprises of a wind energy conversion system with synchronous generator based on full rated converter, a diesel generator (DIG) and a dump load. Due to the high insertion level of wind generation, the wind unit operates in Vf mode and the diesel generator operates in PQ mode. The diesel generator and the dump load are used to regulate the DC-link voltage of the wind generation unit. The proposed control allows the islanded operation of the microgrid only with wind generation, wind-only mode (WO), and with wind-diesel generation, wind-diesel mode (WD). For the wind-only mode, with 100% of penetration level of wind generation, it is proposed a DC-link voltage control loop based on the use of a DC dump load. For the winddiesel mode, it is proposed a DC-link voltage control loop added to the diesel generator, which is connected to the AC side of the microgrid, in coordinated action with the dump load. The proposed operational and control strategy does not require the use of batteries and aims to maximize the energy production from wind generation, ensuring the uninterrupted operation of the microgrid. The results have showed that the operational and control strategy allowed the stable operation of the islanded microgrid and that the DC-link voltage control loop added to the diesel generator and the dump load proved to be effective during the typical variations of wind speed and load.

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.

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.

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.

Neste trabalho, são inicialmente discutidas as dificuldades referentes à obtenção de resultados numéricos para a operação de uma turbina Savonius independentes do grau de discretização, tamanho de domínio de cálculo e de máximo tempo físico simulado. Também são relatadas as divergências entre as metodologias numéricas e experimentais adotadas por diversos autores, que dificultam análises e comparações dos resultados obtidos por meio dessas metodologias com os resultados próprios obtidos. Devido a esses fatos, no presente trabalho, uma série de procedimentos experimentais e numéricos são realizados para efetuar análises do escoamento sobre uma turbina eólica Savonius. Nos experimentos em canal aerodinâmico, perfis de velocidade e parâmetros da turbulência são obtidos pela técnica de anemometria de fio quente. Medições com o uso de tubos de Pitot e manômetros eletrônicos são efetuadas para avaliar a variação da pressão e os perfis de velocidade média em posições selecionadas. Além de dados para análise, informações úteis para uso como condições de contorno nas simulações numéricas também são obtidas. Os fenômenos são reproduzidos através de simulações numéricas pelo Método de Volumes Finitos, que solucionam as equações da continuidade, de Navier-Stokes com médias de Reynolds e do modelo de turbulência k-ω SST. Análises experimentais e numéricas considerando o escoamento sobre um cilindro, que mantém semelhanças com o escoamento sobre o rotor, também são realizadas. Simulações numéricas do escoamento sobre o cilindro são efetuadas, fornecendo resultados representativos do escoamento real, quando geometrias tridimensionais são aplicadas na modelagem numérica. Nas simulações do escoamento sobre o rotor Savonius em condição estática, resultados representativos do escoamento real são obtidos com o uso de uma modelagem que leva em consideração a rugosidade das pás do rotor, estacionado na posição angular de 90°. Para posições angulares menores, não se obteve uma boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos. A realização deste trabalho fornece informações úteis para a análise do fenômeno e tem potencial para contribuir com futuros trabalhos desse tema. / This research work initially presents a discussion about the difficulties related to obtaining numerical results for the operation of a turbine Savonius independent of the degree of discretization, calculation domain size and maximum physical time of the simulation. The differences between the numerical and experimental methodologies adopted by various authors difficult the analysis and comparisons of the results obtained through these methods with the results obtained by the methodology. Due to these facts, in this research work, a series of experimental and numerical procedures are performed to conduct analyzes of flow over a Savonius wind turbine. In the experiments on aerodynamic channel, velocity and turbulence profiles parameters are obtained by the technique of hot wire anemometry. Measurements using Pitot tubes and electronic manometers are made to evaluate the variation of pressure and mean velocity profiles at selected positions. In addition to data analysis, useful information for use as boundary conditions in the numerical simulations are also obtained. The phenomena are reproduced through numerical simulations by Finite Volume Method, that solve the equations of continuity, Reynolds-averaged Navier–Stokes equations and the equation of the turbulence model k-ω SST. Experimental and numerical analyzes considering the flow over a cylinder, which holds similarities with the flow over the rotor, are also performed. Numerical simulations of the flow over the cylinder are made, providing results representative of the actual flow when three-dimensional geometries are applied in numerical modeling. In flow simulations over the Savonius rotor in static condition, at 90°, representative results of the actual flow are obtained using a model that takes into account the roughness of the rotor blades. For smaller angular positions a good agreement between experimental and numerical results was not obtained. This work provides useful information for the analysis of the phenomenon and has the potential to contribute to future work on this theme.