Análise númérica da influência das características do vento em diferentes regiões do Brasil no desempenho aerodinâmico e potência média de um aerogerador

Abstract

O objetivo deste trabalho é analisar o efeito de três diferentes características do recurso eólico, em três locais do Brasil, no desempenho aerodinâmico e na potência média de um aerogerador de grande porte. Os efeitos são causados a partir da variação do perfil vertical, da intensidade de turbulência e estabilidade atmosférica do vento e os locais estudados estão localizados no Rio Grande do Sul, Bahia e Ceará. Para tanto, foram utilizados dados reais de medição para a definição dos perfis verticais, bem como dos níveis de intensidade de turbulência. Os dados, em base horária, também foram agrupados de acordo com o tipo de regime eólico, quando possível. Para estimar o impacto dos efeitos, foi utilizado o aerogerador de referência NREL WindPACT de 1,5 MW de potência, 70 metros de diâmetro e 84 metros de altura do cubo do rotor. O estudo foi realizado por meio de simulações numéricas, implementadas com a utilização do software Ansys® Fluent®, utilizando o modelo RANS com o método dos volumes finitos para resolução das equações governantes e com modelo de turbulência k-ϵ de escoamentos atmosféricos para a resolução do problema de fechamento. A malha utilizada possui volumes tetraédricos não estruturados, com elementos prismáticos nas superfícies de maior interesse. Foram estudados cinco diferentes perfis verticais e três diferentes valores de intensidade turbulência e, a partir desses oito resultados, foi possível também estimar o impacto da estabilidade atmosférica em um dos locais do estudo. Identificou-se que, diferentes perfis verticais do vento, com iguais velocidades à altura do cubo e iguais intensidades de turbulência, apresentam grande variação de acordo com seu coeficiente de extrapolação vertical alfa, podendo apresentar até 15% de diferença na potência média do aerogerador. No caso da intensidade de turbulência, a cada incremento de 5% da mesma, uma variação de aproximadamente 3% se reflete na potência média do aerogerador. Por fim, analisou-se o impacto da estabilidade atmosférica, observando que a mesma representa até 3,7% de diferença na potência média do aerogerador.

The objective of this work is to analyse the impact of three different wind regime characteristics, in three locations of Brazil, in the aerodynamic performance and average power output of a large scale wind turbine generator. The effects are caused by the vertical wind profile variation, the wind turbulence intensity and the wind atmospheric stability. The locations studied are located in the states of Rio Grande do Sul, Bahia and Ceará. For the study, it has been used real wind measurements for the vertical wind profile definition, as well as for the turbulence intensity. The wind data, in hourly basis, have been categorized according to the wind regime, where possible. To estimate the impact of these effects, it has been used the NREL WindPACT 1,5 MW reference wind turbine, with 70 metres rotor diameter and 84 metres hub height. The analysis was made via numerical simulations, with the software Ansys® Fluent®, using RANS model and finite volumes method for the resolution of the governing equations and k-ϵ turbulence model for the closure problem. For the meshing, it has been used non-structured tetrahedral volumes with prismatic elements on surfaces of greater interest. It has been studied five different vertical wind profiles and three different values of turbulence intensity. With these eight results, it has also been possible to estimate the atmospheric stability impact in one of the locations of the study. It has been found that different vertical wind profiles, with the same hub height wind speed and the same turbulence intensity, may present up to 15% variation in terms of wind turbine average power, depending on the vertical wind profile alfa. For the turbulence intensity tests, for each 5% increment of it, a variation of approximately 3% is expected on the average wind turbine power. Finally, it has been analysed the impact of the atmospheric stability, observing that it represents up to 3,7% difference in the average wind turbine power.