Avaliação do potencial eólico considerando o efeito da esteira aerodinâmica de turbinas através do modelo do disco atuador

Abstract

Ao extrair energia cinética do vento, uma turbina eólica deixa à jusante uma região caracterizada por déficits de velocidade e elevados níveis de turbulência. Esta região é denominada região de esteira ou região de sombra. Em parques eólicos de grande escala, parte dos aerogeradores operam na região de esteira de máquinas vizinhas, de modo que se verifica uma considerável redução na energia gerada por estas máquinas. Diante disso, compreender a influência da esteira aerodinâmica no campo de velocidades e, consequentemente, no potencial eólico e energia gerada por um conjunto de turbinas, é etapa fundamental em projetos de viabilidade econômica de parques eólicos. Este estudo tem como objetivo avaliar a influência da esteira aerodinâmica no campo de velocidades e na energia anual gerada por um conjunto de turbinas localizadas em um terreno real através da utilização do modelo do disco atuador e do código comercial de CFD STAR-CCM+. O conjunto de equações utilizado para modelamento numérico do problema é formado pelas equações RANS combinadas ao modelo de turbulência k-ε de constantes modificadas para escoamentos atmosféricos. As turbinas eólicas são modeladas através de discos atuadores que atuam no escoamento como um sumidouro de quantidade de movimento. Para uma representação mais realista do escoamento atmosférico sobre a região de interesse, foram utilizadas condições de contorno baseadas no regime de ventos local, topografia e vegetação do terreno. Verifica-se que a utilização do modelo do disco atuador para representação das turbinas eólicas produz resultados que vão ao encontro dos resultados existentes na literatura no que diz respeito ao déficit de velocidade presente na região de esteira. Adicionalmente, observou-se que, de fato, a energia gerada por turbinas operando na região de esteira é significativamente menor se comparado à energia gerada caso estas turbinas operassem livre dos efeitos de esteira. Os valores encontrados para a redução na energia anual gerada por cada turbina e energia anual gerada por todas as turbinas vão ao encontro de resultados encontrados em diversos estudos numéricos e experimentais realizados por outros autores.

At the same time that a wind turbine extracts energy from the wind, it leaves a downstream wake region characterized by low wind speeds and increased turbulence levels. In large-scale wind farms, wind turbines are exposed to single or multiple upstream wakes. At this configuration, there is a considerable reduction of the energy generated by these machines. Therefore, understand the influence of wind turbine wakes in the power output of a wind farm is a fundamental step of the economic feasibility studies. The aim of this study is to evaluate the influence of wind turbine wakes over the velocity field and in the annual energy generated by a set of turbines located in a real terrain based on the disk actuator approach through the commercial code of CFD STAR-CCM+. The set of equations used for numerical modeling of the problem is formed by the RANS equations combined with the k-ε turbulence model of modified constants for atmospheric flow modeling. The wind turbines are modeled through the actuator disk approach. In order to represent the kinetic energy extracted by the turbines, the actuator disk acts as a sink of momentum. For a more realistic representation of the real atmospheric flow on the local site, it is used a set of boundary conditions based on the local wind anemometry data and the terrain topography. It is verified that the actuator disk approach produces results that are in agreement with the literature. Analyzing the results obtained with the disk actuator approach over the results obtained for the free flow on the surface of the terrain, it was shown that, as verified in experimental studies of real large-scale wind farms, in fact, the power output of turbines operating in the wake region is significantly lower.