Análise de estratégias de controle e otimização de turbinas eólicas considerando degradação da superfície das pás.

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Puraca, Rodolfo Curci
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Blade; CFD; Optimization; Otimização restrita; Pá; Roughness; Rugosidade; Simulação; Turbinas; Wind turbine
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-19112019-160325/

Nas últimas duas décadas, a capacidade instalada de produção de energia eólica vem crescendo de forma significativa no mundo e no Brasil. Dentre os componentes de uma turbina eólica, as pás são de suma importância por serem as responsáveis pela conversão da energia cinética dos ventos em energia mecânica no rotor. Seu projeto e construção são complexos, e por conta disso são componentes de alto custo. Devido a este componente ficar em operação por 20 anos, existe a degradação da superfície desta peça por causa de intempéries climáticas e erosão por partículas e insetos, o que faz sua eficiência diminuir. É proposto então realizar uma otimização com o objetivo de aumentar a produção de energia total para que se mantenha uma produção de energia com perda minimizada quando a pá está em operação degradada. Para tanto utilizaram-se ferramentas como Blade Element Momentum, para simulação da máquina; Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) usando método dos volumes finitos, para simulação do aerofólio com superfície lisa e rugosa para a obtenção de coeficientes aerodinâmicos, e algoritmos de otimização como o algoritmo genético para a obtenção da melhor geometria da pá, sendo modificados as cordas dos perfis aerodinâmicos e os ângulos de torsão da pá. Empregando essa metodologia, foram obtidas pás que tinham produção anual de energia até 7% maior que as pás geradas utilizando a otimização clássica de Glauert. Assim, foi pás de duas turbinas diferentes, uma com funcionamento com velocidade angular constante do rotor e outra com velocidade angular variável do rotor, de modo a otimizar a produção anual de energia (AEP). Para cada turbina foram desenvolvidas duas pás, uma otimizada considerando a condição de superfície lisa e outra otimizada considerando a condição de superfície rugosa. A conclusão segundo um indicador comparativo de AEP proposto no trabalho é que, para as pás estudadas, a otimização considerando a pá rugosa tem melhor desempenho em turbinas eólicas com velocidade de rotação fixa quando a pá trabalha em condição rugosa em 26% ou mais da sua vida útil e a otimização considerando a pá lisa tem melhor desempenho em turbinas com velocidade de rotação variável quando a pá trabalha em condição rugosa em 59% ou menos da sua vida útil. Foram realizadas também simulações em três dimensões do rotor e de uma turbina completa, utilizando a geometria da pá desenvolvida pelo instituto de pesquisa NREL. Nas simulações em três dimensões o rotor liso teve diferença percentual na potência, em relação aos testes feitos pelo NREL, de 7,4% e diferença percentual no empuxo de 9,1%. Com o rotor no estado rugoso os resultados de potência e empuxo apresentaram uma queda significativa de performance da máquina, com a potência diminuindo 2,2 MW e o empuxo diminuindo 150,5 kN. Nas simulações da turbina completa, considerando nacele, torre, solo e perfil de camada limite atmosférica, foi observada uma queda de performance da máquina já para o estado liso, apresentando potência média de 1,1 MW e empuxo médio de 478,3 kN. Entretanto, para a turbina rugosa a queda de produção não foi tão grande obtendo potência média de 0,85 MW e empuxo médio de 451,3 kN.