TECNOLOGIA DE GRANDES TURBINAS EÓLICAS: AERODINÂMICA. Professora Dra. Adriane Prisco Petry Departamento de Engenharia Mecânica

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1 TECNOLOGIA DE GRANDES TURBINAS EÓLICAS: AERODINÂMICA Professora Dra. Adriane Prisco Petry Departamento de Engenharia Mecânica

2 ELETRÔNICA DE POTENCIA AERODINÂMICA ELETRICIDADE DINÂMICA DOS ENGENHARIA CIVIL FLUIDOS CONSTRUÇÃO DINÂMICA ESTRUTURAS ESTRUTURAL LOGISTICA, TRANSPORTE & AEROELASTICIDADE MONTAGEM DIREITO AMBIENTAL AEROACUSTICA ECONOMIA CONTROLE E POLÍTICA AUTOMAÇÃO MDL CIÊNCIA DOS ARMAZENAMENTO DE MATERIAIS ENERGIA MICROSSITTING METEOROLOGIA

3 P (W) Desafios Cientificos e Tecnlógicos Potência Velocidade (m/s) Pd Pbetz P turbina A energia eólica é uma energia pouco concentrada, para viabilizar economicamente e tecnicamente a utilização desta fonte é fundamental obter grande eficiência na conversão. Otimização aerodinâmica de rotores eólicos -Cp Otimização do projeto de instalação - FC Uma das formas de otimizar a instalação de sistemas eólicas tem sido o aumento das dimensões dos aerogeradores. Esta possibilidade acontece em função do desenvolvimento tecnológico em áreas como aerodinâmica, materiais, projeto e construção estrutural e logística. Fonte:DEWI

4 Desafios Cientificos e Tecnlógicos Eficiência Aerodinâmica PROJETO AERODINÂMICO DO ROTOR EÓLICO: O ROTOR DAS TURBINAS EÓLICAS É PROJETADO PARA UTILIZAR AS FORÇAS AERODINÂMICAS NA GERAÇÃO DO TORQUE QUE PRODUZ A ROTAÇÃO DO EIXO, É O PRINCIPAL ELEMTO NA CONVERSÃO EÓLICA MÉTODOS EXPERIMENTAIS, ANALÍTICOS E NUMÉRICOS SÃO EMPREGADOS PARA PREVER AS FORÇAS E OTIMIZAR AS FORMAS AERODINÂMICAS

5 Dinâmica dos Fluidos Computacional Forças Aerodinâmicas Dinâmica dos Fluidos Computacional ANÁLISE DE ESCOAMENTOS TURBULENTOS TRIDIMENSIONAIS TRANSIENTES EM GEOMETRIAS COMPLEXAS VIABILIDADE DE SOLUÇÃO NOS COMPUTADORES ATUAL ESTÁ TRANSFORMANTO A DFC EM FERRAMENTA DE PROJETO DE TURBINAS EÓLICA

6 Forças Aerodinâmicas Arrasto e Sustentação

7 Forças Aerodinâmicas Desafio da Dinâmica dos Fluidos Computacional

8 Simulação de Escoamentos Sobre Perfis Aerodinâmicos

9 Micrositing- otimização do Fator de Capacidade esteira aerodinâmica

10 Sombreamento Análise Numérica

11 CFD x Experimental:Tunel de Vento 11

12 Potência Eólica Potência Eólica Disponível P = ½ ρ AV 3 ( 3 ρ massa específica (kg/m A área transversal à direção do vento (m 2 ( CRESEB ( m/s ) V velocidade do vento

13 Princípio de Conversão da Energia O PRINCIPAL ELEMENTO NA CONVERSÃO DA ENERGIA EÓLICA É O ROTOR EÓLICO : O ROTOR DAS TURBINAS EÓLICAS É PROJETADO PARA UTILIZAR AS FORÇAS AERODINÂMICAS NA GERAÇÃO DO TORQUE QUE PRODUZ A ROTAÇÃO DO EIXO A POTÊNCIA MECÂNICA OBTIDA É O PRODUTO DO TORQUE PELA ROTAÇÃO: P=Tw(J/s) = FwR (Nm/s) (W)

14 Princípio de Conversão da Energia AS TURBINAS EóLICAS SÃO CLASSIFICADAS SEGUNDO A ORIENTAÇÃO DO EIXO E SEGUNDO AS FORÇAS AERODINÂMICAS: EIXO HORIZONTAL X EIXO VERTICAL ARRASTO X SUSTENTAÇÃO

15 P (W) Coeficiente de Potência Máximo de Betz Potência Pd Pbetz P turbina Velocidade (m/s)

16 Forças Aerodinâmicas Arrasto e Sustentação F D = ½ C D ρav 2 F L = ½ C L ρav 2

17 Turbinas de arrasto

18 Turbina Eólica de Eixo Horizontal (TEEH) Turbinas de Sustentação Ângulo de ataque

19 Turbina Eólica de Eixo Horizontal (TEEH) Estol

20 Vibrações Induzidas pelo Escoamento Exemplo: vórtices de von Karman sobre a torre

21 Vibrações Induzidas pelo Escoamento Exemplo: vórtices de von Karman sobre perfil Santiago, 2008

22 Forças Aerodinâmicas Arrasto e Sustentação

23

24 Rotor dewi» 3 Pás Melhor Tecnologia atual

25 Turbina Eólica de Eixo Horizontal (TEEH) Evolução do conceito de turbinas eólicas de eixo horizontal para geração de eletricidade

26 Turbina Eólica de Eixo Horizontal (TEEH) Evolução das TEEH modernas.

27 Componentes das Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal

28 Componentes das Turbinas Eólicas Nacele

29 Componentes das Turbinas Eólicas Nacele

30 Performance da TEEH Modelagem do rotor Teoria do disco atuador Teoria do momento do elemento de pá Modelagem completa do rotor

31 Performance da TEEH Modelagem do Rotor Método do disco atuador: Criado por Rankine (1865) e W. Froude (1889). Baseado na teoria do momento linear desenvolvida para predição da performance de propulsores de navios. Modelo em 1-D.

32 Performance da TEEH Modelagem do Rotor Método do disco atuador:

33 Performance da TEEH Modelagem do Rotor Limitações do método do disco atuador: Assume que o rotor é ideal, ou seja, sem atrito com o ar e sem componente rotacional de velocidade à jusante; Considera um número infinito de pás no rotor; Supõe que o empuxo é uniforme sobre o rotor.

34 Performance da TEEH Modelagem do Rotor Método do momento do elemento de pá: Criado por Glauert (1889). Surge da combinação das equações de torque e de empuxo da teoria do momento. Método mais usado na indústria por ser rápido e barato

35 Performance da TEEH Modelagem do Rotor Método do momento do elemento de pá:

36 Performance da TEEH Modelagem do Rotor Limitações do método do momento do elemento de pá: Não capta os efeitos tridimensionais da turbulência com precisão

37 Performance da TEEH Modelagem do Rotor Modelagem completa do rotor: Modelos que utilizam o método BEM não conseguem determinar o desempenho de uma turbina com uma precisão aceitável, principalmente porque os efeitos 3D estão cada vez mais importantes [Ivanell, 2009]; Resultados obtidos por Réthoré, Sorensen e Zahle, (2010) mostram que os métodos atuadores são satisfatórios na predição dos campos de pressão e velocidade, à montante e à jusante, mas que não conseguem ter boa concordância em termos de turbulência, quando comparados à modelagem completa do rotor [Ludwig, 2011].

38 Performance da TEEH Modelagem do Rotor Modelagem completa do rotor: É a modelagem com maior custo computacional, mas a que apresenta menos simplificações e aproximações.

39 Modelagem Matemática e Numérica CFD em TEEH Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD Computational Fluid Dynamics): Resolve numercicamente as equações governantes do movimento dos fluidos (equações de Navier-Stokes) através de computadores; É uma boa alternativa na análise de sistemas complexos e de grande escala como as turbinas eólicas modernas; Os modelos numéricos dos problemas físicos têm boa precisão devido às melhorias nos esquemas de solução e nos modelos de turbulência.

40 Modelagem Matemática e Numérica Equações de Navier-Stokes (N-S) Conservação de massa: u x i i 0 Conservação da quantidade de movimento: ui 1 p u i uu i j t x j xi x j x j

41 Exemplo: Comparação com Experimento da Turbina NREL O NREL (National Renewble Energy Laboratory) é localizado no Colorado, Estados Unidos; Projeto UAE Phase VI:

42 Motivação Dados de empuxo e torque variando a velocidade de entrada para alguns códigos de CFD. (Adaptado de Potsdam, 2009)

43 Criação da Geometria A partir de dados disponíveis em Hand et al.,2001.

44 Criação da Geometria Turbina inserida no domínio de mesma dimensão da seção de teste do NREL.

45 Condições Iniciais e de Contorno Condição de interface entre domínio estático e rotacional; Malha móvel.

46 Resultados Qualidade de malha experimental calculado 100 experimental Passo Nome Nº volumes Diferença C T 0 malha , ,1% 0 malha ,4005-5,33% 0 malha ,4173-1,35%

47 Qualidade de malha Resultados

48 Resultados Variação do empuxo com a velocidade de entrada (para ângulo de passo de 0 ):

49 Resultados Variação do empuxo com a velocidade de entrada (para ângulo de passo de 3 ):

50 Resultados Variação do torque com a velocidade de entrada (para ângulo de passo de 0 ):

51 Resultados Variação do torque com a velocidade de entrada (para ângulo de passo de 3 ):

52 Resultados Variação da potência com a velocidade de entrada (para ângulo de passo de 0 e 3 ):

53 Resultados Magnitude de velocidade em r/r = 30%, 47%, 63%, 85% e 90%:

54 Resultados Pressão em r/r = 30%, 47%, 63%, 85% e 90%:

55 Resultados Linhas de corrente para velocidades de entrada no domínio = 5, 7 e 9 m/s:

56 Jussara Mattuella SADHU DEWI CRESESB Herman Scheer Gasch e Twele Button Custodio NREL AGRADECIMENTOS REFERENCIAS CREDITOS João Akwa Guilherme Piccolli Paulo Beck Daniel Ludwig Dalmedson Gustavo Flech José Rosales Luz Marina Cavalli Guilherme Wenzel

57 Obrigada pela atenção Our universe is a sea of energy - free, clean energy. It is all out there waiting for us to set sail upon it. Robert Adams adrianep@mecanica.ufrgs.br PROMEC UFRGS Mestrado e Doutorado em Engenharia Mecânica