Caracterização e otimização do desempenho de pequenos rotores eólicos

Abstract

Atualmente há uma grande necessidade de recorrer a fontes de energia renováveis devido não só à crescente possibilidade de escassez dos recursos fósseis, mas sobretudo face à crescente consciencialização ambiental, com as energias renováveis a serem consideradas “limpas” e menos nocivas para a natureza. Isto acarreta a que o ramo da energia eólica tenha de estar na vanguarda dos recursos disponíveis, sendo esta a principal motivação do desenvolvimento deste trabalho. O objetivo deste trabalho passou por estudar os pequenos aerogeradores de eixo horizontal e a sua respetiva aerodinâmica. Posteriormente procedeu-se a conceção de um rotor com base na teoria do elemento e momento de pá (BEMT), de forma analítica (folha de cálculo Excel) e recorrendo ao software de cálculo de código aberto, o Qblade. Para cumprir estes objetivos, iniciou-se o projeto com uma revisão bibliográfica relativa ao fenómeno do vento, evolução dos aerogeradores e mais concretamente na aerodinâmica que esta associada a estes. Posteriormente, mediante algumas condições de projeto, selecionou-se um perfil alar para o rotor, analisou-se o seu comportamento e recorrendo à teoria do elemento e momento de pá (BEMT) e a uma folha de cálculo Excel, foi possível obter a distribuição da corda e do ângulo de torção para as pás do rotor. Depois através da utilização do software de cálculo de código aberto, o Qblade, que utiliza o modelo invíscido (escoamento potencial) aliado a correções inerentes à viscosidade do fluido (leis de parede), foi possível obter uma nova distribuição da corda e do ângulo de torção, o desempenho do rotor para várias velocidades do vento e de rotação (curva de potência da turbina eólica) e por fim obteve-se também uma estimativa da produção anual de energia (produção esta que foi posteriormente comparada com dados eólicos obtidos pelo Departamento do DEM – com base em distribuições de Weibull normalizadas). A aplicação da teoria BEMT permitiu obter uma pá ideal para as condições de projeto selecionadas. Sendo que no software em comparação com a folha de cálculo existe principalmente uma grande diferença relativamente aos ângulos de torção, relativamente a corda os valores são bastante parecidos. Em relação a produção anual de energia os valores são semelhantes.

Currently, there is a great need to use renewable energy sources due to the growing possibility of scarcity of fossil resources, such as coal and oil, and also due to the environmental awareness, since renewable energies are considered clean and less harmful to the atmosphere. This means that the wind energy industry has to be at the forefront of available resources, which is the main motivation for the development of this work. The objective of this work was to study small horizontal axis wind turbines and their respective aerodynamics. Subsequently, a rotor was designed based on the blade element and moment theory (BEMT), analytically (Excel spreadsheet) and using the open source calculation software, Qblade. In order to fulfill these objectives, the project began with a literature review on the phenomenon of wind, evolution of wind turbines and more specifically on the aerodynamics associated with them. Subsequently, under some design conditions, a wing profile for the rotor was selected, its behavior was analyzed and using the blade element and moment theory (BEMT) and an Excel spreadsheet, it was possible to obtain the distribution of the rope and the angle of twist for the rotor blades. Then, through the use of open source calculation software, the Qblade, which uses the inviscid model (potential flow) combined with corrections inherent to the fluid viscosity (wall laws), it was possible to obtain a new distribution of the chord and the angle of torsion, the performance of the rotor for various wind speeds and rotation (wind turbine power curve) and finally an estimate of the annual energy production was also obtained (this production was later compared with wind data obtained by the Department of DEM – based on normalized Weibull distributions). The application of BEMT theory allowed to obtain an ideal blade for the selected design conditions. Since in the software compared to the spreadsheet there is mainly a big difference regarding torsion angles, relative to the rope the values are quite similar. Regarding the annual energy production, the values are also similar.