Andréa Oliveira de Araujo
Título
EFEITO DE ESTEIRA AERODINÂMICA NO DESEMPENHO DE TURBINAS EÓLICAS VIA MODELO DINÂMICO ANALÍTICO NUMÉRICO
Resumo
A esteira aerodinâmica de uma turbina eólica é caracterizada pela redução no valor de velocidade média do vento e pelo aumento da intensidade de turbulência em relação ao vento não perturbado. A presença da esteira conduz a diminuição na geração de potência e redução da resistência a fadiga dos elementos estruturais de uma turbina localizada à jusante de outra. Por isso o estudo do efeito de esteira apresenta significativa importância para o desenvolvimento de projetos de grandes parques eólicos no que se refere a locação das torres. Sendo assim, o objetivo geral do trabalho é implementar um modelo dinâmico analítico numérico, focalizando o desempenho estrutural de um aerogerador sob ação do efeito de esteira. O procedimento envolveu a elaboração da ferramenta computacional TurbEst, a qual é capaz de simular o campo de velocidade de vento de esteira a partir da geração aleatória das componentes flutuantes de velocidade em 3 direções, cujo resultado é fornecido como dado de entrada a um programa de análise aeroelástica. Foi realizado um estudo dos modelos de esteira distante disponíveis na literatura, comparando os resultados com exemplos experimentais e numéricos, permitindo escolher o modelo que atende melhor o comportamento da esteira distante.
Por fim, a turbina de 5MW do laboratório NREL foi utilizada como exemplo para estimativa da redução da capacidade resistente à fadiga das pás e da torre em relação à turbina projetada para o escoamento livre.
Abstract
The aerodynamic wake of a wind turbine is characterized by a reduction in the average wind speed value and an increase in the intensity of turbulence in relation to the undisturbed wind. The presence of the wake leads to a decrease in power generation and a reduction in the fatigue resistance of the structural elements of a turbine located downstream of another. Therefore, the study of the wake effect is important to the development of large wind farm projects in terms of tower location. Thus, the main objective of this study was to implement a analytical-numerical dynamic model, focusing on the structural performance of a wind turbine under wake action. The procedure involved the development of the TurbEst computational tool, which can simulate the wake wind velocity field based on the random generation of the fluctuating velocity components in 3 directions, whose result is provided as input to a program of aeroelastic analysis. A review of the distant wake models available in the literature was carried out, comparing the results with experimental and numerical examples, allowing to choose the model that best meets the behavior of the distant wake. Finally, the 5MW turbine from the NREL laboratory was used as an example to estimate the reduction in the fatigue capacity of the blades and tower in relation to the turbine designed for free flow.
