Análise do potencial eólico de um terreno complexo empregando modelagem numérica da camada limite atmosférica via OpenFOAM

Abstract

O trabalho consiste no uso de um pacote de fluidodinâmica computacional de código aberto, o OpenFOAM, para desenvolver um modelo capaz de simular escoamentos de camada limite atmosférica em regiões de topografia complexa, a fim de realizar avaliações de potencial eólico. A consistência do modelo é verificada em uma simulação bidimensional em um terreno uniforme, onde o perfil da camada superficial atmosférica deve se manter constante, por meio de modificações nas funções de parede e constantes do modelo de turbulência k-ε padrão. Após a verificação, o modelo é validado através de simulações em domínios computacionais que representam Askervein, uma colina real onde foram efetuadas campanhas de medição na Escócia. No estudo de caso, o modelo é aplicado a uma região de interesse no município de Herval, RS, para realizar um mapeamento da velocidade do vento, permitindo a análise do posicionamento dos aerogeradores na região, visando maximizar a energia anual gerada. Os resultados das simulações indicam que a presença do relevo complexo causa uma mudança de mais de 20% na velocidade média prevista em certos locais, assim como variações de até 30% na energia anual gerada para um mesmo modelo de aerogerador situado em diferentes regiões do terreno.

This work is based on developing a model to simulate atmospheric boundary layer flows over complex terrains, using the CFD toolbox OpenFOAM, and applying said model to conduct the wind resource assessment of a real terrain. The model’s consistency is assured through a simulation in a bidimensional plain terrain with uniform rugosity, where the atmospheric surface layer profile should remain unchanged; this is achieved by modifying the standard wall functions and altering the constants of the standard k-ε turbulence model. After verification, the model is validated by being applied to computational domains that represent Askervein Hill, a real location in Scotland where several wind measurement campaigns were undertaken. For the case study, a geometry that represents a region of interest in the Herval, RS municipality is procured and the model is used to obtain a wind velocity map, which is used to maximize the annual generated energy by selecting the optimal positioning for the wind turbines. The results indicate that the presence of complex topography causes changes of over 20% in the mean wind speed of certain areas, as well as variations of up to 30% in the annual generated energy for the same wind turbine model when placed in different areas of the region.