Design de difusor aerodinâmico compacto para uma turbina eólica de pequena escala

Abstract

Este trabalho tem como proposta desenvolver um difusor aerodinâmico compacto para uma turbina eólica de pequena escala, objetivando alcançar um melhor start rotacional (menor torque de partida para rotacionar) em baixas velocidades de vento. Um difusor é uma estrutura em forma de aro envolta ao rotor da turbina eólica, sua função é amplificar a captação e aceleração do vento, explorando os efeitos aerodinâmicos das zonas de vórtices de baixa pressão na saída do difusor. O estudo concentrar-se-á na manipulação da geometria dos difusores, analisando como seu design impacta no seu comportamento aerodinâmico impacta na capacidade do difusor equacionar as zonas de alta e baixa pressão ao longo de sua estrutura, essa relação é determinante para o efeito aerodinâmico que acelera o escoamento de ar, resultando em um start rotacional em baixas velocidade de vento. O ponto de partida para este trabalho são os estudos desenvolvidos por Ohya et al. (2010) sobre difusores compactos-flangeados (compact-type brimmed diffuser) para turbinas eólicas, denominado Wind-lens Technology. Para alcançar os objetivos, esta pesquisa vai utilizar simulações por CFD com software de túnel de vento virtual e ensaios experimentais em túnel de vento físico para avaliar o comportamento dinâmico (turbina + difusor). Foram desenvolvidas dezenove geometrias a partir de uma área construtiva padronizada para o design de difusores. Desenvolveu-se também, a partir dos resultados encontrados, um MFI (microseparador de fluxo interno), que consiste em uma estrutura adicional com função de potencializar as zonas de vórtices (baixa pressão) no plano de saída do escoamento de ar dos difusores. Os resultados mostraram que a manipulação da geometria do difusor produziu resultados promissores em comparação com o modelo de referência, alcançando em algumas geometrias de difusores um melhor start rotacional. O MFI mostrou-se eficaz para potencializar as zonas de baixa pressão e melhorou o start rotacional. Ao final, definiu-se dois modelos de difusores e suas respectivas versões com MFI como as melhores opções para o start rotacional.

This work aims to develop a compact wind turbine for a turbine and a small scale, aiming at a better rotational start at low wind speeds (lower starting torque to rotate). A diffuser is a rim-shaped structure wrapped around the wind turbine rotor, its function is to amplify the wind uptake and acceleration, exploiting the aerodynamic effects of the low-pressure vortex zones at the diffuser outlet. The study will focus on the manipulation of the diffuser geometry, analyzing how its design impacts on its aerodynamic behavior, especially on the diffuser's ability to equate the high and low pressure zones along its structure, this relation is decisive for the aerodynamic effect that accelerates the air flow, resulting in a rotational start at low wind speeds. The basis for this work are studies developed by Ohya et al. (2010) on compact-flanged diffusers for wind turbines, called Wind-lens Technology. To achieve the objectives, this research will use CFD simulations with virtual wind tunnel software and experimental tests in physical wind tunnel to evaluate the dynamic behavior (turbine + diffuser). Nineteen geometries were developed from a standardized design area for the design of diffusers. An MFI (internal flow microseparator) has also been developed, which is an additional structure whose function is to potentiate the low pressure zones of the diffusers. The results showed that the manipulation of the diffuser geometry produced promising results in comparison to the reference model, reaching in some conditions superior results in RPM and initial start. The MFI proved to be effective in boosting the low pressure zones and improved the initial start. At the end, two models of diffusers and their respective versions with MFI were defined as the best options for the initial start.