Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν την αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των αιολικών συστημάτων. Η επεξεργασία των ανεμολογικών δεδομένων (SCADA) έγινε από διάφορες εταιρείες, για να βοηθήσουν στην πρόβλεψη της ενεργειακής παραγωγής. Εξετάζονται επίσης τα διάφορα είδη βλαβών που συμβαίνουν στα αιολικά πάρκα, ειδικά τα πρώτα χρόνια λειτουργίας τους, και πώς ακριβώς μπορούμε να μειώσουμε το ποσοστό τους αν επέμβουμε σωστά. Τέλος, δίνονται χρήσιμες πληροφορίες για το βαθμό χρησιμοποίησης της αιολικής ενέργειας στην Ελλάδα και παγκόσμια. Πιο αναλυτικά, η δομή της εργασίας οργανώνεται στα εξής εννέα κεφάλαια: Το πρώτο κεφάλαιο ξεκινάει με γενικές πληροφορίες για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και γιατί η χρήση τους έγινε επιτακτική. Κατόπιν, γίνεται εξειδίκευση στην αιολική ενέργεια με μια ιστορική αναδρομή για να μπορέσει να δει κανείς την εξέλιξη της στο πέρασμα του χρόνου. Αναφέρονται επίσης τα πλεονεκτήματα της αιολικής ενέργειας, τα προβλήματα που προκύπτουν από την αξιοποίησή της καθώς και διάφορες λύσεις για την αντιμετώπισή τους. Στο δεύτερο και τρίτο κεφάλαιο εξετάζεται η βασικότερη παράμετρος που οδήγησε την αιολική ενέργεια στο στάδιο που είναι σήμερα, ο άνεμος. Αναλύεται η συμπεριφορά του, τα κύρια χαρακτηριστικά του και η κατανομή του. Το τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζει τις μονάδες που συμβάλλουν στη δέσμευση και εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας. Παρουσιάζονται με λεπτομέρεια τα δομικά τους στοιχεία και αναφέρονται οι κατηγορίες στις οποίες ανήκουν ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Αναφέρονται επίσης, οι βασικοί τρόποι λειτουργίας τους καθώς και οι παράμετροι που επηρεάζουν την επιλογή της τοποθεσίας εγκατάστασής τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζονται τα ενεργειακά χαρακτηριστικά των ανεμογεννητριών και παρουσιάζονται επίσης τα στοιχεία που επιδρούν στην αναμενόμενη ενεργειακή παραγωγή και στο κόστος της αιολικής ενέργειας. Στο έκτο κεφάλαιο, δίνονται γενικές πληροφορίες για τα αιολικά πάρκα, τη λειτουργία και τη συντήρησή τους καθώς και κάποιοι οικονομικοί παράγοντες όσον αφορά τα υπεράκτια αιολικά πάρκα. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επεξεργασίας ανεμολογικών δεδομένων, ώστε να γίνουν κατανοητοί οι παράγοντες που επηρεάζουν και βελτιώνουν την αξιοπιστία των αιολικών συστημάτων. Στο όγδοο κεφάλαιο, εξετάζεται και αξιολογείται η διαθεσιμότητα των αιολικών συστημάτων, δίνονται πληροφορίες για τα διάφορα είδη της καθώς και διάφοροι τρόποι οι οποίοι συμβάλλουν στη βελτίωσή της, που είναι και το ζητούμενο για την οικονομική βιωσιμότητα του αιολικού πάρκου. Τέλος, στο ένατο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η τρέχουσα κατάσταση στην Ελλάδα, στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης αλλά και παγκόσμια. / The purpose of this diploma thesis is the study of factors that affect the reliability and availability of wind energy systems. Wind data from several companies were accumulated for a better prediction of the energy production. More specifically, the structure of the essay is organized in the following nine chapters : The first chapter starts with general information on renewable energy sources and the reasons why their use became imperative. Moreover, there is specialization in wind energy with a throwback which enables us to see the evolution of the passing of time. The second and third chapter examines the key parameters leading wind energy in its present form, the wind. The fourth chapter presents the system-units that contribute to the exploitation of wind energy. Their components are presented in detail, and the categories to which they belong are indicated according to their characteristics. The fifth chapter discusses the energy characteristics of the wind turbines and also presents the elements that affect the expected energy production and the cost of wind energy. In the sixth chapter, general information about wind farms are given, as well as information about operation, maintenance and some economic factors in offshore wind farms. The seventh chapter presents the results of wind data processing in order to understand the factors that influence and improve the reliability of wind systems. The eighth chapter examines and evaluates the availability of wind energy systems. Information about the different types of availability are given, and also details about the different ways which contribute to the improvement of availability are presented. Finally, the ninth chapter presents the current situation in Greece, the countries of the European Union and worldwide.

Desenvolvimento de uma máquina síncrona trifásica com ímãs de Nd-Fe-B e núcleo do rotor a partir de ferro sinterizado para aplicação em aerogeradores de 7,5 kW, verificando a viabilidade do protótipo. Partindo de um projeto anteriormente desenvolvido, foi realizada alteração no ângulo das chapas do estator em 10º, com o intuito de minimizar o efeito de correntes parasitas, sendo esse um dos fatores que influenciam os resultados. Para avaliação de desempenho, foi utilizada uma bancada de testes composta de analisador de energia, sensor de torque e instrumentos de medição, sendo o acionamento do protótipo realizado através de um motor de indução controlado por um inversor de frequência. Entre os resultados encontrados, foi constatada a presença de harmônicas que impactam sobre os valores obtidos do protótipo. Os testes realizados, de simulação e parâmetros elétricos, indicaram resultados apropriados ao desempenho de uma máquina elétrica trifásica, porém mostram-se necessárias alterações para um melhor desempenho do protótipo. / Development of a three-phase synchronous machine with Nd-Fe-B magnets and rotor core from sintered iron for application in 7.5 kW wind turbines, verifying the feasibility of the prototype. Starting from a previously developed design, a change in the angle of the stator plates was made in 10º, in order to minimize the effect of the parasite currents, being one of the factors that influence the results. For performance evaluation, a test bench composed of energy analyzer, torque sensor and measuring instruments was used, and the drive of the prototype was carried out through an induction motor controlled by a frequency inverter. Among the results found, it was verified the presence of harmonics that impact on the values obtained from the prototype. The tests performed, simulation and electrical parameters, indicated results appropriate to the performance of a three-phase electric machine, however changes are needed for a better performance of the prototype.

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

A geração de energia elétrica por meio de aerogeradores de microporte vem ganhando espaço em várias partes do mundo; porém, estudos que descrevem e analisam este artefato, ainda são restritos se comparados a aerogeradores de médio e grande porte. Países como China e Estados Unidos, por exemplo, buscam cada vez mais estudar a microgeração de energia eólica, servindo como motivação para que exista maior número de estudos neste campo, também aqui no país. Neste sentido, a presente pesquisa apresenta análise de perfis NACA com diferentes ângulos de passo visando a microgeração de energia eólica. Para tanto realizou-se levantamento das velocidades de vento na parte superior de um prédio localizado no centro de Porto Alegre durante 5 dias e os perfis aerodinâmicos foram testados no programa computacional Q-Blade. Selecionou-se 3 perfis NACA (0012, 6409, 1412), 3 ângulos de passo (15º, 30° e 45º) e 5 velocidades de vento (de 1m/s à 5 m/s). Os modelos analisados foram obtidos através de impressão 3D. Foram então realizados ensaios aerodinâmicos utilizando o túnel de vento nos quais foram medidos o número de rotação por minuto (RPM), a velocidade de vento da partida da hélice, a tensão, corrente e a potência elétrica, geradas para diferentes configurações de ensaio. O trabalho contribui no sentido de auxiliar projetos que envolvam design e tecnologia que visem à melhoria da funcionalidade prática de microgeradores eólicos de eixo horizontal para as diversas aplicações possíveis. Os resultados apontam que o ângulo de passo de 45º apresenta os maiores índices de rotação, tensão, corrente e potência elétrica para todos os perfis NACA analisados, sendo o perfil NACA 0012 o de maior destaque em relação a esses mesmos parâmetros. / Electric power generation by small scale wind turbines has been gaining space in several parts of the world, however, studies that describe and analyze this artefact, are still more restrict in comparison to medium and large scale wind turbines. Countries such as China and the United States, for example, are increasingly seek to study wind power microgeneration, working as a motivator in order to increase the number of studies in the field, even here in the country. In this matter, the present research presents an analysis of NACA profiles with different pitch angles seeking wind energy microgeneration. In order to do so, it was gathered the wind speed of the top portion of a building located in central Porto Alegre during 5 days and the aerodynamic profiles were tested in the computer program Q-Blade. 3 NACA profiles (0012, 6409, 1412), 3 pitch angles (15º, 30° e 45º) and 5 wind velocities (1m/s to 5 m/s) were selected. The analyzed models were obtained through 3D printing. Aerodynamical tests were performed using the Wind tunnel and were observed the number of rotation per minute (RPM), the wind speed start of the propeller, electric tension, current and power generated for different test configurations. The work contributes to assisting projects that involves design and technology aimed at improving the practical functionality of horizontal axis wind generators for the various possible applications. The results indicate that the 45º pitch angle presents the highest rates of rotation, electric tension, current and power for all the NACA profiles analyzed, with the NACA 0012 profile being the most prominent in relation to these same parameters.

O potencial eólico do Brasil, de vento firme e com viabilidade econômica de aproveitamento, é de 143 GW. Isso equivale ao dobro de toda a capacidade da geração já instalada no país. No Brasil, a energia eólica tem uma sazonalidade complementar à energia hidrelétrica, porque os períodos de melhor condição de vento coincidem com os de menor capacidade dos reservatórios. O projeto desenvolvido neste trabalho nasceu de uma chamada pública do FINEP, e sob os auspícios do recém criado CEPER. Ao projeto foi incorporado um caráter investigativo, de contribuição científica original, resultando em um produto de tecnologia inovadora para aerogeradores de baixa potência. Dentre os objetivos do projeto, destacamos a avaliação experimental de turbinas eólicas de 5000 W de potência. Mais especificamente, dentro do objetivo geral deste projeto estão incluídas análise estrutural, análise aerodinâmica e análise de viabilidade de novos materiais a serem empregados. Para cada uma das diferentes áreas de conhecimento que compõem o projeto, será adotada a metodologia mais adequada. Para a Análise aerodinâmica foi realizada uma simulação numérica preliminar seguida de ensaios experimentais em túnel de vento. A descrição dos procedimentos adotados é apresentada no Capítulo 3. O Capítulo 4 é dedicado aos testes elétricos. Nesta etapa, foi desenvolvido um banco de testes para obtenção das características específicas das máquinas-base, como curvas de potência, rendimento elétrico, análise e perdas mecânicas e elétricas, e aquecimento. Este capítulo termina com a análise crítica dos valores obtidos. Foram realizados testes de campo de todo o conjunto montado. Atualmente, o aerogerador de 5kW encontra-se em operação, instrumentado e equipado com sistema de aquisição de dados para consolidação dos testes de confiabilidade. Os testes de campo estão ocorrendo na cidade de Campos, RJ, e abrangeram as seguintes dimensões de análise; testes de eficiência para determinação da curva de potência, níveis de ruído e atuação de dispositivos de segurança. Os resultados esperados pelo projeto foram atingidos, consolidando o projeto de um aerogerador de 5000W. / Initial estimates of the potential contribution of wind power in Brazil for selected areas are approximately of 143GW. This figure represents two times the total power already installed. In Brazil, wind power relates to hydroelectrical power in such way that when wind speeds are high and stable, reservoirs experiences low capacity in water volume. The project herein presented has its origins on the approval of sponsorship from FINEP, a governmental agency that provided grant to develop a 5kW windmill over a period of 30 months. Among the objectives of this project are the development of a new technology to be applied to windmills, by means of technological innovation. More specially, the main proposal was to evaluate wind turbines behavior numerically and experimentally, including its implementation in wind towers to generate 5kW.This is accomplished in detail x out performance of analysis of structural characteristics, aerodynamic, performance e viability on the use of new materials were performed. To this end, we shall defie a specific methodology to each area of knowledge. Aerodynamic analysis was performed by means of initial numerical simulation followed by experimental tests in wind tunnel. A detailed description of the experimental set up and procedures is provided in chapter 3. Chapter 4 deals with electrical parts of the project. At this point an apparatus was specifically designed and built in order to acquire relevant parameters, which describe the electrical generator, provided we can predict on some measure the electrical energy performance under three diferent operating conditions, namely, without load, loaded and charging batteries. A detailed description of 5kW prototype manufactured is presented along with an analysis of the results are presented at the end of this chapter. Finally, the whole set was completed and were performed. The complete Truck-test set of the windmill is composed by tower, generator, turbines, controlling system and safety system. Results obtained are in agreement with the expected. At this moment, the 5kW windmill finds itself in operation. The windmill is instrumented and equipped with an data acquisition system to consolidate reliability tests, which provide eficiency tests, noise determination and safety devices test performance. This set of data will confirm the global performance and consolidate the 5kW windmill.

Doctor of Philosophy / Department of Electrical and Computer Engineering / Don Gruenbacher / Warren White / This dissertation presents nonlinear control schemes to improve the productivity and lifespan of doubly fed induction generator (DFIG)-based and permanent magnet generator (PMG)-based variable speed wind turbines. To improve the productivity, a nonlinear adaptive control scheme is developed to maximize power capture. This controller consists of three feedback loops. The first loop controls electrical torque of the generator in order to cancel the nonlinear term of the turbine equation of motion using the feedback linearization concept. The nonlinearity cancelation requires a real-time estimation of aerodynamic torque. This is achieved through a second loop which estimates the ratio of the wind turbine power capture versus the available wind power. A third loop utilizes this estimate to identify the shaft speed at which the wind turbine operates at a greater power output. Contrary to existing techniques in literature, this innovative technique does not require any prior knowledge of the optimum tip speed ratio. The presented technique does not need a dither or perturbation signal to track the optimum shaft speed at the maximum power capture. These features make this technique superior to existing methods. Furthermore, the lifespan of variable speed wind turbines is improved by reducing stress on the wind turbine drivetrain. This is achieved via developing a novel vibration mitigation technique using sliding-mode control theory. The technique measures only generator speed as the input signal and then passes it through a high-pass filter in order to extract the speed variations. The filtered signal and its integral are then passed through identical band-pass filters centered at the dominant natural frequency of the drivetrain. These two signals formulate a sliding surface and consequently a control law to damp the drivetrain torsional stress oscillations caused by electrical and mechanical disturbances. This technique provides a robust mitigation approach compared with existing techniques. These control schemes are verified through holistic models of DFIG- and PMG-based wind turbines. Except for wind turbine aerodynamics, for which an existing simulator is used, the developed models of all components including DFIG, PMG, converters, multi-mass drivetrain, and power line are presented in this dissertation.

O potencial eólico do Brasil, de vento firme e com viabilidade econômica de aproveitamento, é de 143 GW. Isso equivale ao dobro de toda a capacidade da geração já instalada no país. No Brasil, a energia eólica tem uma sazonalidade complementar à energia hidrelétrica, porque os períodos de melhor condição de vento coincidem com os de menor capacidade dos reservatórios. O projeto desenvolvido neste trabalho nasceu de uma chamada pública do FINEP, e sob os auspícios do recém criado CEPER. Ao projeto foi incorporado um caráter investigativo, de contribuição científica original, resultando em um produto de tecnologia inovadora para aerogeradores de baixa potência. Dentre os objetivos do projeto, destacamos a avaliação experimental de turbinas eólicas de 5000 W de potência. Mais especificamente, dentro do objetivo geral deste projeto estão incluídas análise estrutural, análise aerodinâmica e análise de viabilidade de novos materiais a serem empregados. Para cada uma das diferentes áreas de conhecimento que compõem o projeto, será adotada a metodologia mais adequada. Para a Análise aerodinâmica foi realizada uma simulação numérica preliminar seguida de ensaios experimentais em túnel de vento. A descrição dos procedimentos adotados é apresentada no Capítulo 3. O Capítulo 4 é dedicado aos testes elétricos. Nesta etapa, foi desenvolvido um banco de testes para obtenção das características específicas das máquinas-base, como curvas de potência, rendimento elétrico, análise e perdas mecânicas e elétricas, e aquecimento. Este capítulo termina com a análise crítica dos valores obtidos. Foram realizados testes de campo de todo o conjunto montado. Atualmente, o aerogerador de 5kW encontra-se em operação, instrumentado e equipado com sistema de aquisição de dados para consolidação dos testes de confiabilidade. Os testes de campo estão ocorrendo na cidade de Campos, RJ, e abrangeram as seguintes dimensões de análise; testes de eficiência para determinação da curva de potência, níveis de ruído e atuação de dispositivos de segurança. Os resultados esperados pelo projeto foram atingidos, consolidando o projeto de um aerogerador de 5000W. / Initial estimates of the potential contribution of wind power in Brazil for selected areas are approximately of 143GW. This figure represents two times the total power already installed. In Brazil, wind power relates to hydroelectrical power in such way that when wind speeds are high and stable, reservoirs experiences low capacity in water volume. The project herein presented has its origins on the approval of sponsorship from FINEP, a governmental agency that provided grant to develop a 5kW windmill over a period of 30 months. Among the objectives of this project are the development of a new technology to be applied to windmills, by means of technological innovation. More specially, the main proposal was to evaluate wind turbines behavior numerically and experimentally, including its implementation in wind towers to generate 5kW.This is accomplished in detail x out performance of analysis of structural characteristics, aerodynamic, performance e viability on the use of new materials were performed. To this end, we shall defie a specific methodology to each area of knowledge. Aerodynamic analysis was performed by means of initial numerical simulation followed by experimental tests in wind tunnel. A detailed description of the experimental set up and procedures is provided in chapter 3. Chapter 4 deals with electrical parts of the project. At this point an apparatus was specifically designed and built in order to acquire relevant parameters, which describe the electrical generator, provided we can predict on some measure the electrical energy performance under three diferent operating conditions, namely, without load, loaded and charging batteries. A detailed description of 5kW prototype manufactured is presented along with an analysis of the results are presented at the end of this chapter. Finally, the whole set was completed and were performed. The complete Truck-test set of the windmill is composed by tower, generator, turbines, controlling system and safety system. Results obtained are in agreement with the expected. At this moment, the 5kW windmill finds itself in operation. The windmill is instrumented and equipped with an data acquisition system to consolidate reliability tests, which provide eficiency tests, noise determination and safety devices test performance. This set of data will confirm the global performance and consolidate the 5kW windmill.

A geração de energia elétrica por meio de aerogeradores de microporte vem ganhando espaço em várias partes do mundo; porém, estudos que descrevem e analisam este artefato, ainda são restritos se comparados a aerogeradores de médio e grande porte. Países como China e Estados Unidos, por exemplo, buscam cada vez mais estudar a microgeração de energia eólica, servindo como motivação para que exista maior número de estudos neste campo, também aqui no país. Neste sentido, a presente pesquisa apresenta análise de perfis NACA com diferentes ângulos de passo visando a microgeração de energia eólica. Para tanto realizou-se levantamento das velocidades de vento na parte superior de um prédio localizado no centro de Porto Alegre durante 5 dias e os perfis aerodinâmicos foram testados no programa computacional Q-Blade. Selecionou-se 3 perfis NACA (0012, 6409, 1412), 3 ângulos de passo (15º, 30° e 45º) e 5 velocidades de vento (de 1m/s à 5 m/s). Os modelos analisados foram obtidos através de impressão 3D. Foram então realizados ensaios aerodinâmicos utilizando o túnel de vento nos quais foram medidos o número de rotação por minuto (RPM), a velocidade de vento da partida da hélice, a tensão, corrente e a potência elétrica, geradas para diferentes configurações de ensaio. O trabalho contribui no sentido de auxiliar projetos que envolvam design e tecnologia que visem à melhoria da funcionalidade prática de microgeradores eólicos de eixo horizontal para as diversas aplicações possíveis. Os resultados apontam que o ângulo de passo de 45º apresenta os maiores índices de rotação, tensão, corrente e potência elétrica para todos os perfis NACA analisados, sendo o perfil NACA 0012 o de maior destaque em relação a esses mesmos parâmetros. / Electric power generation by small scale wind turbines has been gaining space in several parts of the world, however, studies that describe and analyze this artefact, are still more restrict in comparison to medium and large scale wind turbines. Countries such as China and the United States, for example, are increasingly seek to study wind power microgeneration, working as a motivator in order to increase the number of studies in the field, even here in the country. In this matter, the present research presents an analysis of NACA profiles with different pitch angles seeking wind energy microgeneration. In order to do so, it was gathered the wind speed of the top portion of a building located in central Porto Alegre during 5 days and the aerodynamic profiles were tested in the computer program Q-Blade. 3 NACA profiles (0012, 6409, 1412), 3 pitch angles (15º, 30° e 45º) and 5 wind velocities (1m/s to 5 m/s) were selected. The analyzed models were obtained through 3D printing. Aerodynamical tests were performed using the Wind tunnel and were observed the number of rotation per minute (RPM), the wind speed start of the propeller, electric tension, current and power generated for different test configurations. The work contributes to assisting projects that involves design and technology aimed at improving the practical functionality of horizontal axis wind generators for the various possible applications. The results indicate that the 45º pitch angle presents the highest rates of rotation, electric tension, current and power for all the NACA profiles analyzed, with the NACA 0012 profile being the most prominent in relation to these same parameters.

Desenvolvimento de uma máquina síncrona trifásica com ímãs de Nd-Fe-B e núcleo do rotor a partir de ferro sinterizado para aplicação em aerogeradores de 7,5 kW, verificando a viabilidade do protótipo. Partindo de um projeto anteriormente desenvolvido, foi realizada alteração no ângulo das chapas do estator em 10º, com o intuito de minimizar o efeito de correntes parasitas, sendo esse um dos fatores que influenciam os resultados. Para avaliação de desempenho, foi utilizada uma bancada de testes composta de analisador de energia, sensor de torque e instrumentos de medição, sendo o acionamento do protótipo realizado através de um motor de indução controlado por um inversor de frequência. Entre os resultados encontrados, foi constatada a presença de harmônicas que impactam sobre os valores obtidos do protótipo. Os testes realizados, de simulação e parâmetros elétricos, indicaram resultados apropriados ao desempenho de uma máquina elétrica trifásica, porém mostram-se necessárias alterações para um melhor desempenho do protótipo. / Development of a three-phase synchronous machine with Nd-Fe-B magnets and rotor core from sintered iron for application in 7.5 kW wind turbines, verifying the feasibility of the prototype. Starting from a previously developed design, a change in the angle of the stator plates was made in 10º, in order to minimize the effect of the parasite currents, being one of the factors that influence the results. For performance evaluation, a test bench composed of energy analyzer, torque sensor and measuring instruments was used, and the drive of the prototype was carried out through an induction motor controlled by a frequency inverter. Among the results found, it was verified the presence of harmonics that impact on the values obtained from the prototype. The tests performed, simulation and electrical parameters, indicated results appropriate to the performance of a three-phase electric machine, however changes are needed for a better performance of the prototype.

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