Análise de sensibilidade do desempenho aerodinâmico de uma turbina eólica vertical Darrieus de pequena escala

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Data

2021-01-22

Autores

Barros, Pedro Henrique Martinez de

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

A demanda por fontes de energias alternativas e renováveis vem substancialmente crescendo nos últimos anos em decorrência, entre outros, de aspectos econômicos e ambientais das fontes convencionais, como o petróleo e seus derivados. Nesse contexto, fontes de energia como a solar e a eólica tem emergido como fontes renováveis atrativas. O crescimento da energia eólica no Brasil e no mundo vislumbram a possibilidade de desenvolvimento de novas tecnologias e equipamentos mais eficientes que atendam às necessidades energéticas. Desta forma, o objetivo deste trabalho é contribuir para o desenvolvimento de equipamento eólico, que possa ser empregado na geração elétrica descentralizada, por meio da análise de sensibilidade, usando o método Smoothing Spline-ANOVA (SS-ANOVA), de uma turbina eólica vertical de pequena escala do tipo Darrieus através da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), operando com baixo TSR (tip-speed ratio). A modelagem numérica considera um escoamento incompressível, transitório, bidimensional e turbulento. Os parâmetros geométricos da turbina eólica que são analisados são: arqueamento do perfil (m), posição do arqueamento (p), espessura do perfil aerodinâmico (t), corda do perfil (c) e o ângulo de incidência das pás (α), sendo os três primeiros baseados na parametrização NACA-4 dígitos. Estes cinco parâmetros operacionais são submetidos a análise de sensibilidade SS-ANOVA, permitindo identificar que o índice de contribuição do ângulo de incidência (α) sobre o coeficiente de potência é o maior entre os demais, com contribuição de 69%. A outra contribuição significativa sobre o coeficiente de potência é a combinação do parâmetro ângulo de incidência (α) e corda do perfil (c), apresentando um índice de 15%. A contribuição referente à interação dos parâmetros ângulo de incidência (α) e espessura do perfil (t) apresenta um índice de contribuição de 4%. Através do estudo fenomenológico do escoamento, concluiu-se que o aumento do coeficiente de sustentação médio ((C_l ) ̅), associado a um coeficiente de arrasto médio ((C_d ) ̅) que seja o menor quanto possível, de modo que a eficiência aerodinâmica média ((C_l ) ̅/(C_d ) ̅) seja o maior possível, provoca o aumento do coeficiente de potência médio ((C_p ) ̅).
Demand for alternative and renewable energy sources has been substantially increasing in recent years due, among others, to economic and environmental aspects of conventional sources, such as oil and its derivatives. In this context, energy sources such as solar and wind have emerged as attractive renewable sources. The growth of wind energy in Brazil and in the world envision the possibility of developing new technologies and more efficient equipment that meet energy needs. Thus, the objective of this work is to contribute to the development of wind equipment, which can be used in decentralized electrical generation, through sensitivity analysis, using the Smoothing Spline-ANOVA (SS-ANOVA) method, of a small-scale vertical wind turbine of Darrieus type through Computational Fluid Dynamics (CFD), operating at low TSR. Numerical modeling considers an incompressible, transient, two-dimensional and turbulent flow. The geometric parameters of the wind turbine that are analyzed are: profile camber (m), camber position (p), aerodynamic profile thickness (t), profile chord (c) and the blade incidence angle (α), the first three being based on NACA-4 digit parameterization. These five operational parameters are submitted to SS-ANOVA sensitivity analysis, allowing to identify that the contribution rate of the angle of incidence (α) on the power coefficient is the highest among the others, with a contribution of 69%. The other significant contribution on the power coefficient is the combination of the angle of incidence (α) and profile chord (c) parameters, with an index of 15%. The contribution regarding the interaction of the angle of incidence (α) and profile thickness (t) parameters has a contribution rate of 4%. Through the phenomenological study of the flow, it was concluded that the increase in the average lift coefficient ((C_l ) ̅), associated with an average drag coefficient ((C_d ) ̅) that is as small as possible, so that the mean aerodynamics efficiency ((C_l ) ̅/ (C_d ) ̅) is as large as possible, causes an increase in the average power coefficient ((C_p ) ̅).

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Palavras-chave

Energia eólica, Turbina vertical Darrieus, CFD, Análise de sensibilidade, Wind energy, Darrieus vertical turbine, Sensitivity analysis

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