Uni e sidade do Minho
Escola de Engenha ia
Guilhe me Manuel Fe ei a Mi anda Fa ia
E ei os do e eno e do en o na colocação de
u binas eólicas
Julho de 2024
Uni e sidade do Minho
Escola de Engenha ia
Guilhe me Manuel Fe ei a Mi anda Fa ia
E ei os do e eno e do en o na colocação
de u binas eólicas
Disse ação de Mes ado
Mes ado em Engenha ia Mecânica
T abalho e e uado sob a o ien ação do:
P o esso Dou o Eu ico Augus o Seab a
Julho de 2024
ii
Di ei os de Au o e Condições de U ilização do T abalho po Te cei os
Es e é um abalho académico que pode se u ilizado po e cei os desde que espei adas as eg as e boas
p á icas in e nacionalmen e acei es, no que conce ne aos di ei os de au o e di ei os conexos.
Assim, o p esen e abalho pode se u ilizado nos e mos p e is os na licença abaixo indicada.
Caso o u ilizado necessi e de pe missão pa a pode aze um uso do abalho em condições não p e is as
no licenciamen o indicado, de e á con ac a o au o , a a és do Reposi ó iUM da Uni e sidade do Minho.
Licença concedida aos u ilizado es des e abalho
A ibuição-NãoCome cial-SemDe i ações
CC BY-NC-ND
h ps://c ea i ecommons.o g/licenses/by-nc-nd/4.0/
iii
AGRADECIMENTOS
Inicio os ag adecimen os po eco da que es e abalho em uma longa his ó ia que, po ezes, me
pa eceu in e miná el. Na e dade, p ocu ei que o mes ado cons i uísse um ac o mui o ele an e no
momen o inal da licencia u a, que jus i ica em pa e o es ende de p azos.
Apesa da disse ação de mes ado cons i ui um momen o de abalho indi idual, sal agua do que o
desa io oi ul apassado com o apoio e colabo ação de di e sas pessoas que me ecem se econhecidas com
p o undo sen ido de g a idão since a.
Em p imei o luga , que o ag adece ao meu o ien ado , P o esso Dou o Eu ico Augus o Seab a, pela
o ien ação – exempla , pacien e e igo osa ao longo de odo o pe cu so. Em cada pala a edescob i o sen ido
e a di eção pa a con inua . P o esso , mui íssimo ob igado!
À Uni e sidade do Minho e à Escola de Engenha ia, ag adeço aos docen es e aos meus colegas po
ambém aze em pa e des e pe cu so.
Es e es udo nasceu no âmbi o do es ágio INOV Con ac o, pa a o qual ui selecionado em 2023. A so e
di ou que es agia ia na emp esa Quin o Ene gy, em Sal ado da Bahia, no B asil. Foi decisi o o con ex o, oi
decisi o o desa io pa a in es iga pela p imei a ez sob e ene gias eólicas. Cabe-me po isso ag adece a
odos os colabo ado es da emp esa, em especial aos engenhei os Hugo Pádua e Ma heus Bacela pelo
acolhimen o e pela sua ajuda.
Em Sal ado , não pode ia deixa de nomea a amizade incondicional da amiga de amília, a Dou o a
Tânia Ma ia He kowski, jun amen e com a sua amília. Foi a minha segunda mãe que me acolheu e que
que o aqui ag adece com um ab aço ma e nal.
Nes es ag adecimen os não pode ia esquece a minha amília que i eu ão in ensamen e es e p oje o
quan o eu. Sen i a minha i mã, a minha mãe e o meu pai sen ados ao meu lado a dize -me que p ecisamos
de nos supe a odos os dias pa a passa no es e. E assim iz: ac edi ei no que me diziam e, mesmo que a
dis ância, es i e am semp e comigo. Po isso, sin o-me hoje mui o, mui o eliz. Da amília, az ambém pa e
o Nico que, sem pe cebe po que passa ia an as ho as sen ado a olha pa a o compu ado mudo, olhou-me
semp e com a expec an e de que “logo amos ao pa que”.
i
DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE
Decla o e a uado com in eg idade na elabo ação do p esen e abalho académico e con i mo que não eco i
à p á ica de plágio nem a qualque o ma de u ilização inde ida ou alsi icação de in o mações ou esul ados
em nenhuma das e apas conducen e à sua elabo ação.
Mais decla o que conheço e que espei ei o Código de Condu a É ica da Uni e sidade do Minho.
E ei os do e eno e do en o na colocação de u binas eólicas
RESUMO
Nes a disse ação p e ende-se ealiza uma análise ab angen e dos e ei os do e eno e do en o no
posicionamen o de u binas eólicas, com o obje i o de comp eende o seu impac o. O desempenho das
u binas eólicas é g andemen e a e ado pela opog a ia e pelas condições de en o do local de ins alação. A
p odução ó ima de ene gia é signi ica i amen e p ejudicada pelas lu uações imp e isí eis da elocidade e
di eção do en o em e enos complicados.
Tendo em con a es as di iculdades, exis e uma o e necessidade de uma in es igação ap o undada
pa a comp eende a in e ação en e as ca ac e ís icas do e eno e o compo amen o do en o. A Dinâmica
de Fluidos Compu acional é um mé odo al amen e a ançado u ilizado pa a simula e a alia os luxos de
en o em paisagens complexas. Is o pe mi e p e isões do desempenho das u binas eólicas em di e en es
condições. Es e es udo u iliza simulações de dinâmica de luidos compu acional com o so wa e ANSYS Fluen
pa a simula os luxos de a e a alia os seus e ei os nas u binas eólicas.
O ímpe o pa a es e abalho é ambém aumen ado pelas an agens p ospe i as de melho a os
p ocedimen os de implan ação de u binas eólicas a a és do p ocesso de o imização da colocação das
u binas.
Além disso em-se como obje i o o nece uma análise ab angen e do impac o de á ias ca ac e ís icas
do e eno e das condições do en o no desempenho da u bina.
Pala as-Cha e:
Ene gia Eólica, CFD, Ansys Fluen , Impac o do Te eno; Condições do Ven o.
i
E ec s o e ain and wind on he placemen o wind u bines
ABSTRACT
This disse a ion aims o ca y ou a comp ehensi e analysis o he e ec s o e ain and wind on he
posi ioning o wind u bines, wi h he aim o unde s anding hei impac . The pe o mance o wind u bines is
g ea ly a ec ed by he opog aphy and wind condi ions o he ins alla ion si e. Op imum ene gy p oduc ion is
signi ican ly hampe ed by unp edic able luc ua ions in wind speed and di ec ion in complica ed e ain.
Gi en hese di icul ies, he e is a s ong need o in-dep h esea ch o unde s and he in e ac ion
be ween e ain ea u es and wind beha io . Compu a ional Fluid Dynamics is a highly ad anced me hod used
o simula e and e alua e wind lows in complex landscapes. This allows p edic ions o wind u bine
pe o mance unde di e en condi ions. This s udy uses compu a ional luid dynamics simula ions wi h ANSYS
Fluen so wa e o simula e ai lows and e alua e hei e ec s on wind u bines.
The impe us o his wo k is also inc eased by he p ospec i e ad an ages o imp o ing wind u bine
deploymen p ocedu es h ough he p ocess o op imizing u bine placemen .
I also aims o p o ide a comp ehensi e analysis o he impac o a ious e ain ea u es and wind
condi ions on u bine pe o mance. This disse a ion aims o ca y ou a comp ehensi e analysis o he e ec s
o e ain and wind on he posi ioning o wind u bines, wi h he aim o unde s anding hei impac . The
pe o mance o wind u bines is g ea ly a ec ed by he opog aphy and wind condi ions o he ins alla ion si e.
Op imum ene gy p oduc ion is signi ican ly hampe ed by unp edic able luc ua ions in wind speed and
di ec ion in complica ed e ain.
Keywo ds:
Wind Ene gy, CFD, Ansys Fluen , Te ain Impac ; Wind Condi ions.
ii
ÍNDICE
Ag adecimen os......................................................................................................................................... iii
Resumo .....................................................................................................................................................
Abs ac .................................................................................................................................................... i
Índice ....................................................................................................................................................... ii
Índice de Figu as ........................................................................................................................................ x
Índice de Tabelas .................................................................................................................................... xiii
Lis a de Ab e ia u as, Siglas e Ac ónimos ................................................................................................ xi
Lis a dos Símbolos ................................................................................................................................... x
1. In odução ....................................................................................................................................... 17
1.1 De inição do P oblema ..................................................................................................... 17
1.2 Obje i os ......................................................................................................................... 18
1.3 Enquad amen o do abalho ............................................................................................ 18
1.4 Es u u a da disse ação .................................................................................................. 19
2. Re isão da li e a u a do compo amen o do en o e u binas eólicas ................................................. 21
2.1 His ó ia e an eceden es .................................................................................................. 21
2.2 Ene gia do en o e suas ca a e ís icas .............................................................................. 22
De inição de en o ................................................................................................... 22
Po ência eólica ........................................................................................................ 23
Velocidade do Ven o ................................................................................................ 28
Tu bulência do en o ............................................................................................... 30
Rajadas de en o ..................................................................................................... 31
Di eção do en o ..................................................................................................... 32
E ei o de cisalhamen o do en o ............................................................................... 34
2.3 Tu binas eólicas mode nas .............................................................................................. 35
P incipais componen es ........................................................................................... 35
Ae odinâmica da u bina eólica ................................................................................ 36
E iciência na ex ação da po ência eólica .................................................................. 39
Limi e de Lanches e -Be z ........................................................................................ 39
Con olos da u bina eólica ...................................................................................... 42
iii
2.4 Van agens do ap o ei amen o do po encial eólico ............................................................. 43
2.5 Dinâmica de Fluidos Compu acional ................................................................................ 44
Média de Reynolds da Equação de Na ie - S okes .................................................... 45
2.6 So wa es de modelação e simulação ............................................................................... 48
3. Me odologias conside adas no abalho ............................................................................................ 50
3.1 Compo amen o do en o ................................................................................................ 50
3.2 Dinâmica de Fluidos Compu acional (CFD)....................................................................... 50
Equações go e nan es da dinâmica dos luidos ........................................................ 52
Mé odo dos Volumes Fini os .................................................................................... 54
3.3 Modelação da Tu bulência ............................................................................................... 54
Subdi isões do RANS ............................................................................................... 55
P op iedades do “Sol e ” ......................................................................................... 58
3.4 ABL (A mos e ic Bounda y Laye ) ..................................................................................... 60
3.5 Condições de on ei a ..................................................................................................... 62
3.6 Di e en es écnicas de modelação do disco a uado ......................................................... 63
4. Ap esen ação e es udo do caso p á ico ............................................................................................ 64
4.1 Con ex ualização do p oblema ......................................................................................... 64
4.2 Abo dagem do p oblema do pa que eólico ....................................................................... 66
4.3 Implemen ação e alidação do e eno ............................................................................. 67
Aquisição dos dados do e eno ............................................................................... 67
Modelação com os dados opog á icos ..................................................................... 68
C iação da malha .................................................................................................... 71
In odução do
Ansys Fluen
...................................................................................... 76
Análise de Resul ados .............................................................................................. 79
5. Es udo de alhado das u binas eólicas no e eno ............................................................................. 88
5.1 Implemen ação e alidação de uma u bina eólica no e eno ........................................... 88
Modelação da in e ação da u bina eólica com o en o ............................................. 88
C iação da malha .................................................................................................... 93
Ansys Fluen ............................................................................................................ 94
Análise de Resul ados .............................................................................................. 97
x
LISTA DOS SÍMBOLOS
Símbolo
Nome do símbolo
Unidade
α
Ângulo de a aque
g aus (°)
β
Ângulo de inclinação
g aus (°)
γ
Taxa de cisalhamen o
1/s
δ
Espessu a da camada limi e
m
ϵ
Taxa de dissipação de u bulência
m²/s³
θ
Ângulo de azimu e
g aus (°)
κ
cons an e de on Ká mán
adimensional
λ
Comp imen o de onda
m
μ
Viscosidade dinâmica
Pa-s
ν
Viscosidade cinemá ica
m²/s
ρ
Densidade
kg/m³
σ
S ess
Pa
τ
Tensão de cisalhamen o
Pa
ϕ
Função po encial
m²/s²
ψ
Função de luxo
m²/s
ω
Taxa de dissipação especí ica
1/s
p
P essão
Pa
T
Impulso
N
Velocidade do en o
m/s
x i
P
Po ência
W
A
Á ea
m²
V
Volume
m³
g
Acele ação de ido à g a idade
m/s²
z
Al u a
m
Cp
Coe icien e de po ência
adimensional
η
E iciência
adimensional
a
Fa o de indução axial
adimensional
ξ
Coo dena a di eção
adimensional
R
Raio do o o
m
C
Coe icien e de impulso
adimensional
Λ
Rácio de elocidade da pon a
adimensional
Ω
Velocidade angula
ad/s
ΔP
Di e ença de p essão
Pa
17
1. INTRODUÇÃO
Nos subcapí ulos seguin es, explo amos em p o undidade os elemen os undamen ais que cons i uem
o ce ne des a in es igação sob e a o imização do posicionamen o de u binas eólicas em e enos complexos.
Na "De inição do P oblema" (1.1), delineamos os desa ios c í icos en en ados pelos p oje os de
ene gia eólica, com ên ase na imp e isibilidade do en o e do seu impac o no desempenho e longe idade
das u binas. Es a secção es abelece a base pa a comp eende a complexidade ine en e à o imização da
colocação de u binas eólicas.
Em "Obje i os" (1.2), ap esen amos o p opósi o cen al des a disse ação: in es iga minuciosamen e
os e ei os do e eno e do en o no desempenho das u binas eólicas. De alhamos a abo dagem me odológica,
incluindo o desen ol imen o de um modelo obus o de Dinâmica dos Fluidos Compu acional (CFD) u ilizando
o ANSYS Fluen , e a aplicação das equações de Reynolds A e aged Na ie -S okes (RANS) acopladas ao
modelo de u bulência SST k-ω.
O "Enquad amen o do abalho" (1.3) o e ece uma isão ge al da es u u a da in es igação, delineando
as ês simulações p incipais que o mam o núcleo do es udo: o escoamen o a mos é ico sob e e eno
aciden ado, a in e ação en e o luxo a mos é ico e uma u bina eólica, e as in e ações en e múl iplas u binas
eólicas.
Po im, a "Es u u a da disse ação" (1.4) p opo ciona um o ei o de alhado dos capí ulos
subsequen es, o e ecendo ao lei o uma comp eensão cla a da o ganização e do con eúdo da ese, desde a
e isão da li e a u a a é as conclusões e p opos as pa a abalhos u u os.
Es as secções, em conjun o, es abelecem o con ex o, os obje i os e a abo dagem me odológica que
guia ão o lei o a a és des a in es igação ab angen e sob e a o imização de pa ques eólicos em e enos
complexos.
1.1 De inição do P oblema
A ápida expansão da ene gia eólica como on e de ene gia sus en á el e eno á el ealça, cada ez
mais, a impo ância de o imiza a colocação das u binas eólicas. Os p oje os de ene gia eólica en en am
nume osos desa ios de ido a á ios a o es, pa icula men e da imp e isibilidade ine en e ao en o, que a e a
signi ica i amen e o desempenho e a longe idade das u binas. O cálculo da ene gia eólica acessí el depende
da comp eensão da equência e da du ação de á ias elocidades do en o, que podem se de e minadas
a a és de medições eais ou de modelação es a ís ica. A ca ga mecânica lu uan e esul an e das condições
a iá eis do en o le a a um maio desgas e dos componen es c í icos da u bina, o nando as u binas
18
susce í eis a alhas po adiga. Além disso, a e iciência das u binas eólicas es á in imamen e ligada à sua
capacidade de con e e consis en emen e a ene gia eólica em ene gia elé ica, o que é ainda in luenciado
pelo seu posicionamen o num pa que eólico em elação à mo ologia do e eno e às condições de en o
p edominan es.
1.2 Obje i os
Es a disse ação de mes ado em como obje i o cen al in es iga os e ei os do e eno e do en o no
desempenho das u binas eólicas, conside ados a o es ele an es no seu posicionamen o den o de um
pa que eólico. Nes e con ex o, p e ende-se desen ol e um modelo obus o de Dinâmica dos Fluidos
Compu acional (CFD) u ilizando o ANSYS Fluen pa a simula escoamen os a mos é icos sob e e enos
aciden ados e a a és de u binas eólicas. Emp egando as equações de Reynolds A e aged Na ie -S okes
(RANS), acopladas ao modelo de u bulência SST k-ω, es e es udo p ocu a p e e com p ecisão os pad ões
de luxo de en o e u bulência, o necendo in o mações ele an es sob e o imização es a égica de colocação
de u binas. Pa a aqui chega , analisa am-se p imei o os modelos de u bina a ualmen e u ilizados e
es udados na li e a u a especializada, a que se seguiu a sua in eg ação em so wa e CFD, ge ando c iação
de um modelo do e eno e de a mos e a que e a e com iabilidade a zona em es udo; ou o passo ele an e
pa a o es udo e e que e com as in e ações do campo de escoamen o ae odinâmico en e múl iplas o mas
de posicionamen o das u binas eólicas no e eno.
1.3 Enquad amen o do abalho
O âmbi o des e es udo engloba uma análise do desempenho das u binas eólicas conside ando as
a iações do luxo de en o induzidas pelo e eno. Assim, a p esen e in es igação es á es u u ada em o no
de ês simulações p incipais:
• Escoamen o a mos é ico sob e e eno aciden ado
O âmbi o des e es udo em como obje i o modela o compo amen o do luxo a mos é ico em e enos
aciden ados ou i egula es. A pa disso, p e ende iden i ica as egiões de al a e baixa p essão e a elocidade
a que co esponde às zonas de acele ação e desacele ação do en o. Es es esul ados ajudam a oma as
decisões quan o ao local pa a ins alação de u binas eólicas, endo semp e p esen e o im de o imiza a
cap ação de ene gia do en o e minimiza o dispêndio de ecu sos e ca gas es u u ais desnecessá ias.
19
• In e ação en e o luxo a mos é ico e uma u bina eólica
Es a pa e do es udo cen a-se na modelação da in e ação en e o luxo a mos é ico e uma u bina
eólica u ilizando o modelo do disco a uado . Nes e âmbi o, o obje i o se á a alia a o ma de como as
a iações da elocidade e da di eção do en o induzidas pelo e eno a e am o desempenho da u bina. Ao
mesmo empo, p ocu am-se in o mações sob e a colocação es a égica das u binas em egiões com e eno
aciden ado com o in ui o de aumen a a p odução de ene gia e a ida ú il da u bina.
• Tu binas eólicas múl iplas e in e ações de es ei a
A simulação inal examina os e ei os da colocação de múl iplas u binas eólicas, concen ando-se
pa icula men e nas in e ações da es ei a. Ao analisa os impac os de di e en es con igu ações de
espaçamen o en e u binas, es e es udo isa iden i ica as dis âncias la e ais e longi udinais, p ocu ando a
sua o imização na implemen ação no sen ido de minimiza a in e e ência da es ei a e alcança a máxima
e iciência global.
No âmbi o des es obje i os, es e es udo p ocu a con ibui pa a o nece um conjun o de
conhecimen os e soluções sob e a o imização de p ocessos na cons ução de pa ques eólicos. Os esul ados
do es udo p e endem o nece o ien ações p á icas pa a a colocação es a égica de u binas eólicas em
e enos aciden ados e com uma mo ologia complexa, melho ando, em úl ima análise, o desempenho, a
iabilidade e a iabilidade económica dos sis emas de ene gia eólica.
Es a in es igação des aca, po im, o papel undamen al da modelação CFD a ançada na comp eensão
e mi igação dos desa ios associados ao posicionamen o das u binas eólicas, apoiando assim o
desen ol imen o de pa ques eólicos mais e icien es e sus en á eis.
1.4 Es u u a da disse ação
Nes a disse ação, a es u u a oi o ganizada de o ma a abo da de manei a ab angen e e de alhada
os di e sos aspe os elacionados ao desempenho das u binas eólicas em e enos aciden ados, com ên ase
na modelagem compu acional e na o imização do posicionamen o das u binas. A segui , é ap esen ada uma
isão ge al de cada capí ulo.
O Capí ulo 2 p opo ciona uma e isão ab angen e da li e a u a, o e ecendo um con ex o his ó ico e
écnico sob e a ene gia eólica. P imei amen e, são discu idos a his ó ia e os an eceden es da ene gia eólica,
abo dando sua e olução ao longo do empo. Em seguida, explo am-se as ca ac e ís icas do en o, incluindo
de inição, po ência, elocidade, u bulência, ajadas, di eção e e ei o de cisalhamen o. Es a secção ambém
desc e e as u binas eólicas mode nas, des acando seus p incipais componen es, ae odinâmica, e iciência
20
na ex ação da po ência eólica, limi e de Lanches e -Be z e con oles. Adicionalmen e, são discu idas as
an agens do ap o ei amen o do po encial eólico e a dinâmica de luidos compu acional, incluindo a média
de Reynolds da Equação de Na ie -S okes. Po im, são ap esen ados os so wa es de modelação e simulação
u ilizados no es udo.
O Capí ulo 3 de alham-se as me odologias emp egadas na in es igação. Inicialmen e, discu e-se o
compo amen o do en o, seguido po uma desc ição da dinâmica de luidos compu acional (CFD), incluindo
as equações go e nan es e o mé odo dos olumes ini os. A modelação da u bulência é abo dada, com
ên ase nas subdi isões do RANS e nas p op iedades do “Sol e ”. Também são explo ados a camada limi e
a mos é ica (ABL) e as condições de on ei a. Es e capí ulo conclui com uma análise das di e en es écnicas
de modelação do disco a uado .
No Capí ulo 4 ap esen a-se o caso p á ico que se e como base pa a a aplicação das me odologias
discu idas. P imei amen e, con ex ualiza-se o p oblema do pa que eólico, desc e endo a abo dagem ado ada.
Em seguida, abo da-se a implemen ação e alidação do e eno, incluindo a aquisição dos dados opog á icos,
modelação, c iação da malha, in odução do Ansys Fluen e análise de esul ados.
O Capí ulo 5 oca-se no es udo de alhado das u binas eólicas no e eno. Na p imei a pa e do capí ulo,
abo da-se implemen ação e alidação de uma u bina eólica especí ica, abo dando a modelação da in e ação
da u bina com o en o, a c iação da malha, o uso do Ansys Fluen e a análise dos esul ados. Na segunda
pa e, examina-se a implemen ação e alidação de á ias u binas eólicas no pa que eólico, discu indo a
con igu ação do pa que, a c iação da malha e a análise e ex apolação dos esul ados.
O Capí ulo 6 ap esen a-se as conclusões do es udo, sin e izando os p incipais achados e implicações
da pesquisa. Além disso, são p opos as suges ões pa a abalhos u u os, p opondo á eas de in es igação
nes e domínio do conhecimen o no sen ido de o nece o ien ações ela i as à o imização de pa ques eólicos
em e enos complexos.
21
2. REVISÃO DA LITERATURA DO COMPORTAMENTO DO VENTO E TURBINAS EÓLICAS
No p esen e capí ulo desc e e-se o p ocesso de e isão de li e a u a e e uado no âmbi o da modulação
do compo amen o do en o no con ac o com uma u bina eólica.
2.1 His ó ia e an eceden es
Embo a não seja possí el da a com exa idão quando começou a se ei a a u ilização do en o
enquan o on e de ene gia, es ima-se que a his ó ia da sua u ilização e á ido início a a és do ecu so a ca a-
en os pa a i u a ce eais, bombea água ou auxilia emba cações no anspo e de me cado ias e que enha
oco ido há mais de 3 mil anos [1].
A Figu a 2.1 é ilus a i a da u ilização do en o em di e en es pe íodos do desen ol imen o da His ó ia
da Humanidade, ilus ando qua o ipos de ge ado es eólicos o ganizados po an iguidade da esque da pa a
a di ei a:
Figu a 2.1 - Demons ação ilus a i a dos pe íodos de empo dos espe i os pe íodos de desen ol imen o (1890-1930-1960-1973)
[2]
.
Com o desen ol imen o ci ilizacional pa en e nos a anços cien í icos, económicos e indus iais, o en o
oi u ilizado de o ma cada ez mais e icien e. Con udo, a ene gia eólica omou um papel menos ele an e à
medida que em o am descobe as o mas mais e icien es e en á eis nas mais di e sas a i idades da
a i idade humana.
No que diz espei o ao desen ol imen o his ó ico do uso do en o como on e de ene gia, os úl imos
pe íodos i e am impac os mui o signi ica i o na sociedade.
De 600 a 1890, é desc i o como o Pe íodo Clássico. Os moinhos de en o clássicos e am u ilizados
pa a acionamen os mecânicos. Es ima-se que os no oes es da Eu opa unciona am mais de cem mil moinhos
de en o. no Es e pe íodo áu eo e e um dec éscimo ab up o após a in enção da máquina a apo , endo em
con a a abundância de ecu sos de madei a e ca ão [3].
22
O inal do século XIX ma ca o su gimen o das u binas eólicas ge ado as de ele icidade. O
desen ol imen o da ele icidade, como on e de ene gia acessí el a odos, le ou à u ilização de moinhos de
en o como um meio suplemen a de p odução de ele icidade, que se encon a assocaida.ao início da
in eg ação da eo ia ae odinâmica no p oje o designado po pás de o o . O desen ol imen o de e amen as
ae odinâmicas melho ou signi ica i amen e du an e es e pe íodo, endo e minado. de ido à disponibilidade
e p eço mais ba a o do pe óleo [4].
A da a de 1930 es á o emen e ligada à necessidade de ele i icação u al. Ao mesmo empo, a
escassez de ene gia p o ocada pela Segunda Gue a Mundial, que se inicia ainda nes a década, p o ocou
no os a anços ecnológicos ela i amen e à á ea especí ica da ene gia eólica [5]
A segunda ase da ino ação en ol e a come cialização de ecnologia pa a en en a os desa ios da
c ise ene gé ica e de ques ões elacionadas com o ambien e. Es e a anço pe mi iu a p odução de ele icidade
em la ga escala e o desen ol imen o do hid ogénio como al e na i a aos combus í eis ósseis, como o gás
na u al ou o ca ão.
Se, du an e o pe íodo clássico, os moinhos de en o, conhecidos como "disposi i os eólicos", o am
u ilizados pa a con e e a ene gia ciné ica do en o em ene gia mecânica, na segunda me ade do séc. XIX,
os conhecimen os cien í icos e empí icos pe mi i am no as u ilizações. Conc e amen e, a in enção e
aplicação de ge ado es de ele icidade, incluindo ge ado es de co en e con ínua e al e nada, pe mi iu o
abas ecimen o público de ene gia: Po sua ez, as u binas eólicas o am u ilizadas pa a a p odução de
ele icidade. Es a e olução e e um impac o signi ica i o no desen ol imen o de p ospe idade económica
signi ica i a após a c ise ene gé ica de 1973 [4][6].
2.2 Ene gia do en o e suas ca a e ís icas
Nes e subcapí ulo abo dam-se as p incipais ca a e ís icas do en o com in ui o de comp eende o seu
impac o na análise ge al do compo amen o da u bina eólica.
De inição de en o
O en o é uma o ma de a a mos é ico em mo imen o, que se encon a amplamen e dis ibuído e
ep esen a um dos elemen os ísicos undamen ais do meio ambien e. Dependendo da elocidade do luxo
de a , o en o pode se delicado e in angí el, po ezes, silencioso e in isí el a olho nu, ou empes uoso. Pelo
con á io, pode se uma o ça implacá el, p o ocado a de in empé ies na u ais com o e impac o na o dem
na u al das coisas.
A o ça do en o é de inida pela elocidade do luxo de a , que es á di e amen e elacionada com a
quan idade de ene gia mecânica p esen e no mesmo, ou seja, a sua ene gia ciné ica. No en an o, a on e de
23
ene gia do en o é a adiação sola [7]. A adiação ele omagné ica do sol aquece de o ma desigual a
supe ície da Te a, com um calo mais o e nos ópicos e mais aco nas la i udes ele adas.
As di e en es egiões êm empe a u as do a a iá eis de ido à abso ção da luz sola pelo solo, ochas,
água e ege ação. A supe ície da Te a aquece a i mos di e en es, o que le a a um aquecimen o desigual.
O ac o esul a em p ocessos con ec i os que causam o mo imen o do a , que po sua ez é in luenciado
pela o ação da Te a [8].
Os p ocessos con ec i os in e ompem o equilíb io hid os á ico, azendo com que massas de a
es agnadas sejam deslocadas e impulsionadas em espos a a o ças c iadas po al e ações na densidade do
a e na lu uabilidade de ido a di e enças de empe a u a. O a é empu ado das zonas de al a pa a as de
baixa p essão, c iando um equilíb io en e o a i o e a iné cia. As o ças su gem de ido à o ação da Te a.
O aquecimen o da supe ície, a e apo ação, a p ecipi ação, as nu ens, a somb a e a abso ção de
adiação esul am em di e sos p ocessos é micos que oco em em di e en es escalas empo ais e espaciais.
Es es enómenos podem se ca ego izados com base na sua escala espacial e nos mecanismos ísicos de
ge ação. Es es p ocessos dão o igem a o ças ine ciais que, jun amen e com a edis ibuição do momen o
do escoamen o, conduzem a nume osos enómenos ge ados pelo en o.
Po ência eólica
Uma manei a de esol e a ques ão undamen al de quan a ene gia se encon a no en o é pe cebe
que a po ência é a axa a que a ene gia é ans e ida ao longo do empo. Como al, a po ência eólica é a
medida da quan idade de ene gia que uma u bina eólica pode ge a num de e minado pe íodo.
A ene gia ciné ica es á p esen e quando um obje o com uma de e minada massa se mo e a um i mo
de anslação ou de o ação. No a em mo imen o é possí el calcula a ene gia ciné ica u ilizando a ó mula
da (2.1:
(
2
.
1
)
Em que
m
(massa de a ) mul iplicada po 𝑢 ( elocidade média do en o du an e um in e alo de empo
ap op iado). Pa a ob e a po ência do en o, é necessá io di e encia a ene gia ciné ica do en o em elação
ao empo, que é a (2.12:
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 =𝑑𝐸𝑐
𝑑𝑡 =𝑚𝑢
2
2
(
2
.
2
)
No en an o, apenas uma ín ima pa e da ene gia eólica pode se ans o mada em ene gia eléc ica.
Quando o en o passa po uma u bina eólica az gi a as pás, esul ando num caudal mássico de en o
co esponden e à (2.12:
24
𝑚 = 𝜌𝐴𝑢
(
2
.
3
)
Es e caudal pode se calculado u ilizando a úl ima ó mula em que 𝜌 é a densidade do a e 𝐴 é a á ea
a ida das pás. Subs i uindo Equação 2.2 pela Equação 2.3, pode exp imi -se a po ência disponí el no en o
𝑃disp.
𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 = 𝜌𝐴𝑢
2
(
2
.
4
)
A análise da Equação (x) e ela que, pa a ob e uma maio po ência eólica, é necessá ia uma maio
elocidade do en o, um maio comp imen o das pás pa a aumen a a á ea a ida e uma maio densidade
do a . De ido à po ência cúbica da elocidade média do en o, uma pequena lu uação na elocidade do
en o pode le a a uma mudança signi ica i a na quan idade de ene gia eólica ge ada.
Á ea de Va imen o da Pá
A ó mula 2.5 demons a uma manei a de calcula a á ea de a imen o da pá da u bina eólica.
𝐴=𝜋[(𝑙+𝑟)2−𝑟2]=𝜋𝑙(𝑙+2𝑟)
(2.5)
Nes e caso, "l" ep esen a o comp imen o das pás e " " ep esen a o aio da pá a pa i do o o . Po
conseguin e, duplicando o comp imen o das pás eólicas, a á ea a ida pode aumen a a é um a o de 4.
Quando 𝑙 é supe io a 2𝑟, a á ea 𝐴 que se obse a na Figu a 2.2 é ap oximadamen e igual a 𝜋𝑙2.
Figu a 2.2 - Rep esen ação da á ea de a imen o da pá
[9]
.
Densidade do a
Ou o pa âme o ele an e que a e a di e amen e a p odução de ene gia eólica é a densidade do a ,
que pode se calculada a pa i da Equação 2.6:
31
A u bulência do en o e e e-se às lu uações da sua elocidade em cu os pe íodos de empo,
pa icula men e em elação à componen e ho izon al da elocidade. Num dado momen o, a elocidade do
en o 𝑣(𝑡) pode se di idida em duas componen es dis in as: a elocidade média u e a lu uação ins an ânea
da elocidade 𝑣′(𝑡) como pode se ep esen ado pela Equação 2.15:
𝑣(𝑡)=𝑣+𝑣′(𝑡)
(2.15)
Na seleção de locais pa a pa ques eólicos, a comp eensão da in ensidade da u bulência do en o é
undamen al pa a man e uma p odução consis en e de ene gia eólica. A in ensidade da u bulência do en o,
deno ada po 𝐼, da Equação 2.16, é de inida como o ácio en e o des io pad ão, ep esen ado po 𝜎 e a
elocidade média do en o, ep esen ada po :
𝐼=𝜎𝑣
𝑣
(2.16)
Es as medições, e e uadas no mesmo pon o e calculadas como média du an e o mesmo pe íodo de
empo, ajudam a ga an i a es abilidade da p odução eólica a longo p azo [22].
Rajadas de en o
Os en os o es e de cu a du ação, conhecidos como ajadas de en o, são medidos pela elocidade
média do en o du an e á ios segundos.
O mecanismo de o mação das ajadas de en o é complexo e en ol e a o es que ão além da
elocidade média do en o e da u bulência na camada limi e. A ugosidade da supe ície e a es abilidade
a mos é ica ambém a e am o p ocesso de o mação [23]
Uma ajada de en o é uma al e ação de cu o p azo na elocidade do en o que oco e num campo
de en o u bulen o. Os pa âme os que de inem a sua o ma ípica são ilus ados na Figu a 2.5.
Figu a 2.5 - Pa âme os ca a e ís icos de uma ajada de en o média
[1].
Tempo
Velocidade do en o
32
O campo de luxo de en ada com uma elocidade média de 𝑣 é seguido po uma sé ie de lu uações:
um me gulho nega i o, um pico posi i o e ou o nega i o an es de es abiliza no amen e. A ampli ude ela i a
da ajada, 𝑎, é calculada como a di e ença de elocidade en e 𝑣−𝑣𝑚á𝑥. O empo de subida da ajada, 𝑏,
é de inido como o pe íodo en e o início da ajada e o momen o em que é a ingida a elocidade máxima de
𝑣𝑚á𝑥. A a iação máxima da ajada, 𝑐, é a di e ença absolu a en e 𝑣𝑚á𝑥 e 𝑣𝑚í𝑛. O in e alo de empo 𝑑 é
designado como a du ação en e os ins an es de elocidades máxima e mínima. Pa a a alia a in ensidade
da ajada, pode u iliza -se o a o de ajada 𝐺=𝑣max/𝑣.
A p e isão das ajadas de en o é c ucial pa a o uncionamen o segu o dos pa ques eólicos. Fo am
p opos os á ios mé odos de p e isão de ajadas de en o. Ao con á io das écnicas ípicas implemen adas
na p e isão me eo ológica ope acional, O. B asseu [24] concebeu um no o mé odo de p e isão de ajadas
de en o mais simpli icado e de ácil uso. Ou o es udo [25] indicou que a u ilização de um a o de ajada, o
mesmo e e enciado no úl imo pa ág a o, é possí el p e e com au onomia e p ecisão as elocidades das
ajadas de en o.
Di eção do en o
No malmen e, na análise de dados eólicos, a p e isão da di eção do en o é essencial pa a o
planeamen o da ins alação de u binas eólicas ou de pa ques eólicos e pa a o posicionamen o de alhado.
Pa a ep esen a a dis ibuição das elocidades do en o e a equência das di eções do en o, pode desenha -
se uma osa dos en os com base em obse ações me eo ológicas.
A bússola es á di idida em 16 se o es, cada um ab angendo 22,5 g aus do ho izon e. Uma osa dos
en os ambém pode se desenhada com 8 ou 12 se o es, mas os 16 se o es são habi ualmen e a no ma.
No caso da Figu a 2.7, o diag ama anual da osa dos en os indica que os en os p edominan es são
maio i a iamen e das di eções no e-no des e, no des e e oes e-sudoes e. Assim, é de salien a que a á ea
es udada demons ou uma consis ência ela i amen e à equência do en o sop ando nes as di eções
especí icas. A Figu a 2.7 ilus a pad ões compa á eis sob a o ma de uma osa dos en os anual baseada na
ene gia.
33
A Figu a 2.6 di e e da Figu a 2.7, na medida em que moni o iza a exposição empo al de uma
localização em ez de moni o iza a ene gia. Is o aduz-se em esul ados di e en es endo em con a que uma
di eção que ecebe en o em mui a abundância e com pouca elocidade pode se menos e icaz na p odução
de ene gia do que uma zona com menos exposição ao en o, mas com alo es mais al os de elocidade. O
pon o ca deal no e-No des e, na Figu a 2.7, é dos que ecebe mais empo de exposição, mas pela Figu a
2.6 conclui-se que não é mui o e icaz no âmbi o ene gé ico.
É impo an e no a que os pad ões de en o e o con eúdo ene gé ico podem a ia , no malmen e em
ce ca de 10% de ano pa a ano [26]. Po conseguin e, são necessá ias obse ações de á ios anos pa a ob e
uma média c edí el. Os planeado es de g andes pa ques eólicos baseiam-se no malmen e num ano de
medições locais. Depois, ajus am essas medições u ilizando obse ações me eo ológicas de longo p azo
ob idas em es ações me eo ológicas p óximas pa a ob e uma média iá el de longo p azo [26].
De assinala que a consul a de uma osa dos en os e ela-se especialmen e ú il pa a a localização de
u binas eólicas, is o que, se uma pa e signi ica i a da ene gia po encial do en o p o ém de uma di eção
especí ica, é aconselhá el minimiza as obs uções e man e um e eno ni elado nessa di eção ao ins ala
as u binas.
No caso des es exemplos, a on e de ene gia p imá ia p o ém do no e-no des e, no des e e oes e-
sudoes e. Não há necessidade de se p eocupa com obs áculos a no oes e ou sudes e das u binas eólicas,
uma ez que a ene gia do en o disponí el nessas di eções é mínima.
Figu a 2.6 - Rosa dos en os baseada no empo.
Figu a 2.7 - Rosa dos en os baseada na ene gia.
34
E ei o de cisalhamen o do en o
O cisalhamen o do en o é uma ca a e ís ica ine en e à a mos e a. Al e ações g a es na elocidade do
en o ao longo da al i ude ou da dis ância ep esen am uma ameaça signi ica i a pa a os co pos que se
encon am no a . Po conseguin e, a necessidade de dados de cisalhamen o nos 150 me os mais baixos da
a mos e a e es e é c ucial [27].
O cisalhamen o pode se di idido nas seguin es o mas: cisalhamen o do en o, cisalhamen o
ans e sal do en o, cisalhamen o pa cial do en o e cisalhamen o on al do en o. A escala e a o ça do
cisalhamen o do en o de baixo ní el es ão in imamen e elacionadas com as condições ambien ais onde se
encon am as u binas eólicas. Dado que o enómeno do cisalhamen o do en o é um acon ecimen o de
pequena p obabilidade, o empo de exis ência des e enómeno a mos é ico único é de apenas alguns minu os
[28]
.
O cisalhamen o do en o pode-se de ini como diminuição da elocidade do en o à medida que nos
ap oximamos do solo [29]. O cisalhamen o de baixo ní el do en o desempenha um papel impo an e na
conceção das u binas eólicas. Po exemplo, uma u bina eólica com uma al u a de o o de 115 me os e
um diâme o de o o de 170 me os egis a uma elocidade de cisalhamen o de 10 m/s quando a pon a da
pá es á na posição supe io e de 6 m/s quando a pon a es á na posição in e io . As o ças que a uam sob e
a pá do o o são signi ica i amen e maio es quando posicionada na pa e supe io do que na pa e in e io .
A ó mula pa a o cálculo da elocidade de cisalhamen o dispõe-se no o ma o da Equação 2.17:
= e ln(𝑧
z0)
𝑙𝑛(𝑧𝑟𝑒𝑓
𝑧0)
(2.17)
Em que
é a elocidade do en o à al u a
z
acima do ní el do solo:
• e é elocidade de e e ência, ou seja, uma elocidade do en o que já conhecemos a al u a;
• 𝑧 a al u a acima do ní el do solo pa a a elocidade desejada
"
𝑣” ;
• 𝑧0 o comp imen o da ugosidade na di eção a ual do en o;
• 𝑧𝑟𝑒𝑓= al u a de e e ência, ou seja, a al u a em que se conhece a elocidade exac a do en o
e [30].
35
2.3 Tu binas eólicas mode nas
Nas úl imas décadas, as mode nas u binas eólicas o am desen ol idas como máquinas de con e são
de ene gia que ans o mam a ene gia ciné ica do en o em ene gia mecânica, a qual, po sua ez, p oduz
ene gia eléc ica.
De ido aos desen ol imen os ecnológicos mais ecen es, egis a am-se p og essos no á eis na
conceção das u binas eólicas. Es ima-se que os a anços na ae odinâmica, na dinâmica es u u al e na
me eo ologia, pode iam le a a um aumen o anual de 5% no endimen o ene gé ico das u binas eólicas [31].
Fo am desen ol idos e cons uídos á ios concei os de u binas eólicas pa a maximiza a p odução
de ene gia eólica, minimiza o cus o da u bina e aumen a a e iciência e a iabilidade da u bina.
P incipais componen es
Uma u bina eólica é compos a po cinco pa es p incipais e mui as pa es secundá ias. Os
componen es p incipais são a o e, o o e pás, a ca caça, caixa de elocidades e o ge ado como se ê na
Figu a 2.8.
Figu a 2.8 - Componen es p incipais da u bina eólica em es udo (Adap ada de
[32]
).
To e
Es e componen e é a maio secção da u bina eólica e o nece supo e pa a as es an es pa es. A sua
unção inclui o posicionamen o da Nacelle, que se si ua no opo da es u u a.
No malmen e, es es componen es são cons uídos em o ma cónica (u ilizando aço ou be ão) ou sob
a o ma de eliças ( ei as de aço gal anizado).
Ro o e pás
36
O o o é o componen e o a i o de uma u bina e é compos o po um cubo cen al que liga ês pás.
Embo a ês pás ep esen em o design pad ão, as u binas podem a ia no núme o de pás.
O o o de ês pás ap esen a an agens, incluindo uma e iciência óp ima. As pás são cons uídas com
um ma e ial compósi o le e, mas du á el, o que as o na ocas e não pa icula men e obus as. Exis e uma
endência pa a c ia pás cada ez maio es (pa a ge a mais po ência), mais le es e mais du adou as. Pa a
ins ae odinâmicos, as pás de uma u bina são concebidas com a o ma de um ae o ólio, semelhan e ao das
asas de um a ião. Além disso, não são planas e possuem uma o ção ao longo do seu eixo. As pás êm a
capacidade de oda a é 90° em o no do seu eixo [33].
O eixo do o o se e pa a segu a i memen e as pás no luga , ao mesmo empo que lhes pe mi e
oda em elação ao es o do co po da u bina.
Ca caça
A ca caça é o componen e que se encon a no opo da o e de uma u bina eólica. A sua o ma é
ipicamen e cilínd ica, com um diâme o que a ia en e 8 e 15 me os e um comp imen o de
ap oximadamen e 10 me os. No in e io da Nacelle encon am-se o ge ado , a caixa de elocidades e ou os
elemen os c uciais necessá ios pa a con e e a ene gia eólica em ele icidade.
Caixa de elocidades
A unidade de ação é compos a pelo o o , olamen o p incipal, eio p incipal, caixa de elocidades e
ge ado . O sis ema de ansmissão con e e a o ação de baixa elocidade e ele ado biná io do o o da
u bina (conjun o de pás e cubo) em ene gia elé ica.
Ge ado
O ge ado é acionado pelo eio de al a elocidade. Os en olamen os de cob e gi am a a és de um
campo magné ico no ge ado pa a p oduzi ele icidade. Alguns ge ado es são acionados po caixas de
elocidades como é o caso da Figu a 2.8, e ou os são de acionamen o di e o, em que o o o é ligado
di e amen e ao ge ado .
Con olado
Em ge al, o sis ema de con olo da u bina eólica inclui senso es, a uado es e um sis ema ecnológico
que inclui um di e si icado sis ema de
ha dwa e
e
so wa e.
Es e sis ema p ocessa os sinais de en ada dos
senso es e ge a sinais de saída pa a os a uado es. Exemplo de senso es u ilizados se iam: anemóme o,
senso es de ca ga, senso de elocidade de o ação do o o , en e ou os.
Ae odinâmica da u bina eólica
37
Como an e io men e e e ido, o obje i o de uma u bina eólica é con e e a ene gia ciné ica do en o
em ene gia elé ica. A po ência disponí el do en o (𝑃𝑣 ), que é a ene gia ciné ica, passa pela á ea (𝐴)
pe pendicula à elocidade do en o, aqui ep esen ada po 𝑉𝑜, em que 𝜌 ep esen a a densidade do a
de ine-se pela Equação 2.18:
𝑃
=1
2𝜌𝑣𝑜
3𝐴
(2.18)
Es a Equação é undamen al na análise da ene gia eólica e ap esen a uma o e dependência cúbica
não linea da elocidade do en o. Po exemplo, quando a elocidade do en o duplica, a po ência disponí el
aumen a oi o ezes. Assim, des aca-se a elocidade do en o ambien e como o p incipal a o no cálculo da
ene gia eólica.
Ao es uda a ae odinâmica de uma u bina eólica, é comum u iliza a
eo ia do disco a uado
– uma
eo ia unidimensional do momen o linea es abelecida po Albe Be z – pa a desc e e o p ocesso de
ex ação de ene gia. Es a eo ia simpli ica o luxo de en o e da u bina num único olume de con olo,
modelando a u bina como um disco a uado pe meá el com um diâme o equi alen e [34]. Nessa eo ia
assume-se o seguin e [21]:
•
Escoamen o de luído homogéneo, incomp essí el e em es ado es acioná io;
•
Sem a as amen o po icção;
•
Um núme o in ini o de pás;
•
Impulso uni o me sob e a á ea do disco ou do o o ;
•
Uma es ei a não o a i a;
•
A p essão es á ica a mon an e e a jusan e do o o é igual à p essão es á ica ambien e sem
pe u bações.
Ap esen a-se na Figu a 2.9 um esboço do compo amen o do pa u bina- en o:
38
Figu a 2.9 – Esboço das o ças p esen es no escoamen o do en o pela u bina.
A elocidade do en o a a és do o o diminui de 𝑣𝑜, a mon an e, pa a 𝑣, no plano do o o e,
e en ualmen e, pa a 𝑣1, a jusan e do o o .
A e iciência ae odinâmica disponí el (2.19), é de inida como a ação en e a po ência eal p oduzida
pela u bina (𝑃𝑡) e a po ência disponí el. A es a ação dá-se o nome de coe icien e de po ência (𝐶𝑝).
𝐶𝑝=𝑃𝑡
1
2𝜌𝑣𝑜
3𝐴=𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜
(2.19)
De ido à p esença de múl iplas pe das ae odinâmicas nos sis emas de u binas eólicas, incluindo
pe das em oda a ex ensão da pá, no pe il da u bina e na sua o ação, o coe icien e de po ência eal 𝐶𝑝 é
signi ica i amen e in e io ao seu limi e eó ico, a iando ge almen e en e 30 e 45%.
Tal como a po ência, o impulso de uma u bina eólica pode se ca ac e izado po um coe icien e de
impulso da Equação 2.20:
𝑇=1
2𝜌𝐴𝑣𝑜
2[4𝑎(1−𝑎)]
(2.20)
Pa a ex ai a ene gia ciné ica do en o é impe a i o concebe um o o que ge e uma o ça a mon an e,
conhecida como o impulso 𝑇, que diminui a elocidade do en o a ás do o o , como ilus ado na Figu a 10.
As linhas de luxo de a que sepa am o en o que passa pelo o o daquele que passa po ele es ão a expandi -
se de ido à conse ação da massa, con o me ilus ado na mesma igu a [35].
39
Assim o impulso axial T pode se de inido po :
𝑇=1
2𝜌𝐴𝑣𝑜
2[4𝑎(1−𝑎)]
(2.21)
Onde o a o de indução axial, 𝑎, é de inido como a diminuição da elocidade do en o en e a co en e
de a li e e o plano do o o , em que o plano do o o es á delimi ado pela sua á ea 𝐴 [36].
E iciência na ex ação da po ência eólica
Na segunda ase, a ene gia mecânica ap o ei ada pelas u binas eólicas é ans o mada em ene gia
elé ica a a és das u binas eólicas. Vá ios a o es de e minam a e iciência da con e são nes a ase, incluindo
a e iciência da caixa de elocidades.
As pe das de po ência numa caixa de elocidades (𝜂𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎) podem se di ididas em pe das
dependen es da ca ga e pe das em azio. O a i o en e os den es da eng enagem e as pe das nos olamen os
con ibuem pa a as p imei as, enquan o as pe das em azio são causadas pela agi ação do óleo, pelo en o
e pelas pe das nos edan es do eio. As caixas de eng enagens plane á ias são equen emen e u ilizadas em
u binas eólicas de ido à sua maio e iciência na ansmissão de po ência em compa ação com as caixas de
eng enagens adicionais [37].
A e iciência do ge ado (𝜂𝑔𝑒𝑟𝑎 ) e e e-se a odas as pe das mecânicas e elé icas num ge ado de
u bina eólica, incluindo pe das de i adas de ma e iais como cob e e e o, pe das de ca ga, pe das de en o
e icção e ou as pe das di e sas [38].
A e iciência elé ica(𝜂ele) inclui odas as pe das combinadas de ene gia elé ica no con e so , nos
comu ado es, nos con olos e nos cabos [37].
Assim, a e iciência o al da con e são de ene gia eólica em ele icidade (𝜂 ) pode se exp essa como:
𝜂𝑡=𝐶𝑝𝜂caixa 𝜂ge a 𝜂ele
A a és da combinação des es pa âme os consegue-se calcula a po ência e e i a de saída de uma
u bina eólica, ou seja, o alo es imado pa a alimen ação de uma ede.
𝑃e e =𝐶𝑝𝜂caixa 𝜂ge a 𝜂ele 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 =𝜂𝑡𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 =1
2𝜂𝑡𝜌𝑉𝑜3𝐴
Limi e de Lanches e -Be z
De aco do com Be z, o coe icien e de po ência máximo a ingí el pa a uma u bina eólica con encional
é 𝐶𝑝=16/27, equi alen e a 59% de e iciência na ex ação de ene gia do en o [39].
Uma e iciência de 100% ou supe io é ina ingí el endo em con a que é um luido que não em a
p op iedade de se semp e cons an e. Se oda a ene gia ciné ica osse ex aída, o luxo de a se ia
40
comple amen e in e ompido e não ha e ia elocidade es an e pa a man e o luxo em cons an e ex ação
pa a jusan e da u bina eólica em ques ão, independen emen e da ecnologia especí ica da u bina eólica. O
ní el mais ele ado de e iciência de ex ação é a ingido quando se consegue um equilíb io ó imo en e o maio
ab andamen o do en o que pe mi a um luxo su icien emen e ápido a a és da u bina [40].
No cená io mais simples, uma u bina eólica ge a ene gia apenas diminuindo a elocidade do en o.
Assumindo a p esença de apenas componen es de elocidade axial ao longo da di eção do en o, podemos
de i a ó mulas simples.
As equações (
2.22
, (
2.23
e (
2.24
mos am a a ans o mação da Equação base ene gia em
Po ência o necida e Po ência emo ida:
𝐸=1
2𝑚𝑣2
(2.22)
𝑃=𝐸=1
2𝑚𝜈2
(2.23)
𝑃𝑇 = 𝐸 = 1
2𝑚 (𝜈1
2 − 𝜈3
2)
(2.24)
A a és da Equação (2.25 que co esponde à 𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐹𝑟𝑜𝑢𝑑𝑒 e da Equação (2.26
que co esponde ao 𝐹𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎, podemos subs i ui e mos na Equação (2.24:
𝜈2=1
2(𝜈1+𝜈3)
(2.25)
𝑚 =𝜌𝐴𝜈2
(2.26)
Chegando ao esul ado inal, como podemos e pela Equação (
2.27
):
𝑃𝑇=1
2𝜌𝐴𝜈1
3(1
2(1+𝜈3
𝜈1)⋅(1−(𝜈3
𝜈1)2))
(2.27)
Pela Figu a 2.10 que a segui se ap esen a, consegue isualiza -se os ês momen os dis in os que
são conside ados no cálculo das equações seguin es: elocidade a mon an e (𝜈1) , o momen o em que
a a essa a u bina (𝜈2) e a jusan e (𝜈3):
47
escoamen os de ansição, em compa ação com o modelo k-ε. O modelo k-ω é susce í el a a iações nas
condições de luxo li e, o que pode a e a a p ecisão das p e isões em escoamen os de cisalhamen o li e.
A susce ibilidade do modelo k-ω de base às ci cuns âncias iniciais e de on ei a pode se uma des an agem
em ce as aplicações p á icas, mas o seu a amen o melho ado das egiões p óximas da pa ede o na-o
an ajoso pa a aplicações que necessi em de um exame me iculoso das camadas limi e.
Modelo k-ω SST
O modelo k-ω pa a a simulação do enómeno de Shea S ess T anspo (SST) é um modelo de
u bulência que inco po a as ca ac e ís icas a o á eis dos modelos k-ε e k-ω. O modelo SST k-ω,
desen ol ido po Men e , emp ega a o mulação k-ω na egião p óxima da pa ede e ansi a sua emen e
pa a a o mulação k-ε na egião de luxo li e. Es e modelo assegu a p e isões p ecisas pa a um amplo
espe o de condições de escoamen o. A es a égia de combinação emp egue no modelo SST k-ω pe mi e-lhe
ge i e icazmen e os escoamen os de camada limi e e de co e li e, aumen ando assim a p ecisão das
simulações que en ol em sepa ação de escoamen os, g adien es de p essão ad e sos e geome ias
complexas. O modelo SST k-ω é equen emen e u ilizado em aplicações indus iais de CFD de ido à sua
o e esiliência e p ecisão, apesa de exigi mais ecu sos compu acionais do que o modelo k-ε no mal.
O modelo k-w SST ap esen a p oblemas de exa idão compa á eis aos dos modelos k-w e k-e em que
se baseia. O p oblema com es es modelos eside na sua dependência do mé odo Boussinesq. A hipó ese de
Boussinesq é conside ada insu icien e e in álida pa a escoamen os que exibem a iações ab up as na axa
de de o mação média, o ação e e ei os idimensionais, odos eles p esen es na es ei a das u binas eólicas.
Simulações de G andes Escalas (LES)
A Simulação LES é mais hábil no a amen o de escoamen os u bulen os ins á eis e aniso ópicos do
que a RANS. No en an o, necessi a de uma maio quan idade de ecu sos de p ocessamen o. A u ilização do
LES em c escido a pa do aumen o das capacidades compu acionais. LES, ab e ia u a de “Big Eddy
Simula ion”, é um mé odo compu acional em que emoinhos mais pequenos, que são mais pequenos do
que o amanho da g elha, são ep esen ados u ilizando um modelo à escala da sub- ede (SGS). Es a écnica
baseia-se na p emissa de que os emoinhos mais pequenos possuem um a ibu o mais ou menos
omnip esen e que não depende da o ma do mo imen o do luido [49]. A di e enciação en e o esol ido e o
modelado é conseguida a a és da aplicação de uma unção de il agem às equações de Na ie -S okes. Is o
in oduz um no o concei o conhecido como a ensão SGS, que se assemelha ao enso de ensão de Reynolds
u ilizado na abo dagem RANS. O cálculo des a ensão é necessá io, e exis e uma as a gama de modelos à
sua disposição.
48
Embo a exis am modelos especí icos disponí eis, ambém é possí el u iliza modelos de u bulência
concebidos pa a a aplicação de Reynolds-a e aged Na ie -S okes (RANS), ais como os modelos k-ε e k-ω.
No en an o, é de no a que es a abo dagem pode ainda encon a di iculdades elacionadas com a Hipó ese
de Boussinesq. No en an o, a u ilização des as écnicas es á limi ada a u bilhões de pequena escala, o que
a enua a ex ensão dos cons angimen os epo ados. Re ho é [50]demons ou que, ao eduzi o amanho da
célula pa a um alo su icien emen e pequeno, as imp ecisões in oduzidas pelo modelo k-ε e pela noção de
iscosidade o na am-se insigni ican es.
De ido à c escen e po ência compu acional e acessibilidade, o mé odo La ge Eddy Simula ion (LES),
é cada ez mais u ilizado em aplicações de u binas eólicas. O mé odo LES é mais e icaz na ges ão de
escoamen os u bulen os aniso ópicos ins á eis do que o mé odo RANS, embo a isso implique um aumen o
dos cus os de compu ação.
De ached Eddy Simula ion (DES)
A DES é uma écnica de modelagem de u bulência que combina aspe os de RANS e e LES. In oduzida
pela p imei a ez po Spala [51], a DES p ocu a capi aliza as an agens da RANS e da LES, emp egando a
modelação RANS nas on ei as sólidas, onde é necessá ia uma esolução de alhada, e a LES na egião
cen al do escoamen o, onde p edominam os u bilhões maciços. Es a me odologia pe mi e que se ep oduza
e icazmen e luxos u bulen os em geome ias complexas e se ep esen e com p ecisão es u u as ins á eis
signi ica i as que são equen emen e igno adas pelos modelos RANS.
A u ilização do DES demons ou bene ícios no á eis em aplicações como simulações ae odinâmicas
de eículos, onde a p ecisão das p e isões jun o às pa edes e a capacidade de an ecipa a es ei a de alhada
são de g ande impo ância. Tem sido u ilizado com sucesso na análise da ae odinâmica de ae ona es, na
conceção de au omó eis e na engenha ia eólica, o e ecendo uma comp eensão mais ab angen e das
es u u as do escoamen o em compa ação com o mé odo RANS.
No en an o, o DES não es á isen o dos seus desa ios. A mudança da egião de RANS pa a a egião de
LES pode le a a inconsis ências e e os, especialmen e em escoamen os em que há uma sepa ação
signi ica i a da camada limi e. Além disso, a implemen ação da DES eque ecu sos compu acionais
signi ica i os, es ingindo assim a sua aplicação a ambien es de compu ação de ele ado desempenho.
Embo a en en ando es as di iculdades, o DES con inua a se um ins umen o alioso na modelação da
u bulência, p opo cionando um equilíb io p á ico en e a p ecisão do LES e a e icácia do RANS pa a á ias
aplicações de engenha ia.
2.6 So wa es de modelação e simulação
49
A escolha do so wa e ce o pa a a Dinâmica de Fluidos Compu acional (CFD) é c ucial pa a esol e
com p ecisão as equações de Na ie -S okes e simula as in e ações dos luidos. De seguida, ap esen am-se
alguns so wa es de CFD habi ualmen e u ilizados, cada um com pon os o es e acos dis in os.
O OpenFOAM é um so wa e de código abe o c iado pela OpenCFD L d. O so wa e o e ece uma as a
gama de e amen as pa a simula a dinâmica de luidos, a ans e ência de calo e ou os enómenos
associados. O OpenFOAM é mui o adap á el, pe mi indo aos u ilizado es pe sonaliza e expandi as suas
uncionalidades pa a sa is aze equisi os de in es igação especí icos. O p incipal bene ício é a na u eza de
código abe o pa a pe sonaliza o so wa e pa a ins de in es igação especí icos e inco po a no os modelos.
E a des an agem é que o OpenFOAM eque uma comp eensão p o unda dos p incípios, o que cons i ui um
desa io pa a os u ilizado es inexpe ien es de ido à sua cu a de ap endizagem acen uada [52]
O Ansys Fluen é um so wa e ambém de CFD, en e ou as e en es, disponí el no me cado que é
al amen e conside ado pelas suas capacidades o es e adap á eis na abo dagem de ques ões complexas de
dinâmica de luidos. É capaz de acomoda di e sos modelos de u bulência, luxos mul i ásicos e simulações
de ans e ência de calo , o nando-o adequado pa a um as o espe o de aplicações indus iais. O Ansys
Fluen o nece uma in e ace de ácil u ilização e um supo e ab angen e com uma in e ace g á ica do
u ilizado in ui i a e documen ação subs ancial. Is o simpli ica o p ocesso de con igu ação, execução e pós-
p ocessamen o de simulações de dinâmica de luidos compu acional. Além disso, o e ece uma assis ência
écnica obus a e ma e iais de o mação ab angen es. A p incipal des an agem é que o Ansys Fluen é um
so wa e que eque uma licença come cial, o que o o na uma opção dispendiosa pa a in es igado es
indi iduais ou pequenas uni e sidades. No en an o exis e a hipó ese de uma licença limi ada de es udan e.
O Ansys CFX é um so wa e p op ie á io que é conhecido pela sua p ecisão e e icácia na esolução de
p oblemas complexos de dinâmica de luidos, especi icamen e os elacionados com eng enagens o a i as
como as u binas [53]. O Ansys CFX oi concebido pa a lida e icazmen e com a e as compu acionalmen e
in ensi as, pe mi indo-lhe ge i e icazmen e simulações g andes e complexas, man endo ele ados ní eis de
p ecisão e elocidade. A p incipal des an agem é o e ece uma pe sonalização es i a, po exemplo, em
con as e com o OpenFOAM.
50
3. METODOLOGIAS CONSIDERADAS NO TRABALHO
Es e capí ulo desc e e os pa âme os necessá ios pa a a cons ução de um modelo CFD com
capacidade de simula o escoamen o a mos é ico na sua in e ação com as quedas súbi as de p essão c iadas
pelo ele o mon anhoso e pela in e ação com o o o da u bina eólica. A p esen e opção me odológica inclui
conside ações sob e a modelação da u bulência, a de inição da camada a mos é ica, a ep esen ação do
o o , a con igu ação do so wa e e as condições de on ei a.
3.1 Compo amen o do en o
Os dados de en o p o êm de uma o e de medição que egis ou a elocidade do en o an es da
ins alação das u binas pela emp esa. A li e a u a suge e a medição dos ecu sos eólicos du an e pelo menos
um ano pa a a ealização das a aliações. Des e modo, es a in es igação u iliza um ano de medições de um
mas o me eo ológico. Os dados de medição do mas o incluem a di eção e elocidade média do en o de
10 minu os du an e um pe íodo de um ano, co espondendo a uma al u a de 1000 me os [54].
Pa a e ei os de modelação, a di eção do en o no código CFD é de inida pa a a ace de en ada do
domínio (“inle speed”). Den o do domínio, nas posições dos mas os, é onde os são ecolhidos os dados
expe imen ais. Exis em á ias azões pelas quais a di eção do en o di e e en e es es locais. Assim, podemos
p ocede de o ma a igno a es a al e ação e compa a as mesmas di ecções pa a e e ua compa ações de
pe is de elocidade e de in ensidade de u bulência, aumen os de elocidade e mudanças de di eção en e
os dados calculados e os dados expe imen ais.
3.2 Dinâmica de Fluidos Compu acional (CFD)
Pa a p e e o escoamen o ísico de luidos, o so wa e de análise CFD calcula a elocidade, a p essão,
a iscosidade, a densidade e a empe a u a, en e ou os. Es es cálculos são ei os em pa alelo e em
condições ope acionais p ede inidas pa a ob e soluções com o máximo de exa idão.
Todos os códigos con êm ês elemen os p incipais: um p é-p ocessado , um solucionado , e um pós-
p ocessado . De seguida, a unção de cada um des es elemen os, no con ex o de um código CFD, se á
obse ada.
P é-p ocessado
O p é-p ocessamen o consis e na in odução de um p oblema de escoamen o num p og ama CFD
a a és de uma in e ace e na subsequen e ans o mação dessa in odução numa o ma adequada pa a
u ilização pelo solucionado . As a i idades do u ilizado na ase de p é-p ocessamen o incluem:
51
• De inição da geome ia da egião de in e esse: o domínio compu acional;
• Ge ação de malha;
• Seleção dos enómenos ísicos a modela ;
• De inição das p op iedades dos luidos.
A esolução de um p oblema de dinâmica de luidos, incluindo a elocidade, a p essão e a empe a u a,
é de e minada em nós indi iduais den o de cada célula. A p ecisão da esolução de uma dinâmica de luidos
compu acional (CFD) é a e ada pela quan idade de células na malha. De um modo ge al, uma quan idade
maio de células aumen a a p ecisão da solução. A p ecisão e o cus o aumen am e mos de ha dwa e e
empo de compu ação. As malhas com melho o imização são equen emen e não uni o mes, ou seja, com
á eas mais inas em egiões de g andes a iações e egiões mais g ossas com ela i amen e poucas
al e ações.
Solucionado
Nas écnicas de solução numé ica, exis em ês co en es dis in as. A mais ele an e diz espei o ao
mé odo dos olumes ini os, uma o mulação especial de di e enças ini as que é undamen al pa a códigos
CFD bem es abelecidos. O algo i mo numé ico é compos o po ês passos. P imei o, as equações que egem
o escoamen o do luido são in eg adas em odos os olumes de con olo ini os do domínio. Em seguida, as
equações in eg ais esul an es são desen ol idas num sis ema de equações algéb icas. Finalmen e, as
equações algéb icas são esol idas a a és de um mé odo i e a i o.
Pós-P ocessamen o
No domínio do pós-p ocessamen o, o u ilizado de e bene icia de amplas capacidades g á icas, al
como e amen as e sá eis de isualização de dados. Exemplos de ais e amen as:
• G á icos ec o iais
• G á icos de linhas e con o nos
• G á icos de supe ícies 2D e 3D
• Ras eamen o de pa ículas
• Manipulação de is as
52
Equações go e nan es da dinâmica dos luidos
As equações de con inuidade, momen o e ene gia - as equações básicas que egem a dinâmica de
luidos - são a base da dinâmica de luidos compu acional.
Exis em ês azões pelas quais é impo an e dedica empo e espaço pa a desen ol e as equações
que egem a dinâmica dos luidos nes a disciplina.
Uma ez que es as equações cons i uem a base de oda a CFD, é c ucial e uma boa comp eensão
do que ep esen am, especialmen e an es de u iliza CFD pa a esol e um p oblema especí ico.
Exis em á ias o mas de ob e as equações de con olo. Quando se a a de CFD, a u ilização das
equações podem causa ins abilidade ou mesmo oscilações nos esul ados numé icos, pois dependem da
o ma como se usam. Consequen emen e, as di e en es o mas das equações são de impo ância c ucial no
domínio da CFD. Os p incípios básicos u ilizados pa a c ia equações de e minan es num es udo de Dinâmica
dos Fluidos Compu acional são: a conse ação da massa num ce o olume, conse ação do momen o linea
(segunda lei de New on) e a conse ação da ene gia (p imei a lei da e modinâmica)[55].
Analisando o escoamen o de luidos líquidos ou gasosos, a ando-os como um meio con ínuo, as ês
coisas p incipais que podemos encon a ao esol e es as equações são o e o elocidade, a p essão e a
empe a u a. Se con a mos os ês componen es da elocidade sepa adamen e, emos cinco incógni as
escala es no o al.
No en an o, nas equações que go e nam o sis ema e que esol emos nume icamen e, ambém nos
depa amos com mais qua o a iá eis: densidade, en alpia, iscosidade e a condu i idade é mica.
A p essão e a empe a u a são duas a iá eis e modinâmicas que de e minam o es ado de equilíb io
do luido. Podem se u ilizadas abelas, g á icos ou equações pa a de ini mais qua o a iá eis com base na
p essão e na empe a u a. No en an o, pa a mui as ques ões, é possí el conside á-las como cons an es e
p opo cionais ao calo especí ico.
De ido às ca ac e ís icas ma emá icas díspa es das equações que egem os escoamen os
comp essí eis e incomp essí eis, os códigos de Dinâmica dos Fluidos Compu acional (CFD) são ge almen e
adap ados a um dos dois egimes. É a o encon a códigos que possam unciona de o ma adequada e
p ecisa em ambos os egimes de escoamen o.
Nas duas secções que se seguem, se ão delineadas as o mas di e enciais das equações que egem
os escoamen os, u ilizadas na análise de escoamen os comp essí eis e incomp essí eis pa a um sis ema
iso é mico.
53
Conse ação de massa (Equação de con inuidade)
Aplicando a conse ação da massa a um olume de con olo pa a um luido ge al, ob ém-se a Equação
ins an ânea da conse ação da massa - ambém conhecida como Equação da con inuidade. É exp essa na
sua o ma di e encial (3.1) como:
𝜕𝜌
𝜕𝑡 +𝛻⋅(𝜌𝑉
)=0
(3.1)
Onde 𝜌 é a densidade do luido, o 𝑡 empo e 𝑉
o e o de elocidade do luxo.
O p imei o e mo 𝜕𝜌
𝜕𝑡 desc e e a axa de a iação da densidade em elação ao empo e o segundo
e mo 𝛻⋅(𝜌𝑉
) desc e e a di e gência do campo e o ial 𝜌𝑉
num de e minado pon o ixo no espaço.
A Equação mencionada ep esen a a o ma al e na i a de exp essa a conse ação de massa. Pa a
ob e as equações de conse ação, aplica-se o p incípio da conse ação da massa a um elemen o de luido
es acioná io. Po ou o lado, as o mas não conse a i as esul am do es udo de elemen os em mo imen o
num campo de escoamen o. Uma Equação ge al que liga as ep esen ações ma e iais do escoamen o de
luidos e se e de pon e en e es as duas o mas de Equação é a seguin e exp essão (
3.2
):
𝐷𝐴
𝐷𝑡 =𝜕𝐴
𝜕𝑡 +(𝑉
⋅𝛻)𝐴
(3.2)
O e mo do lado esque do des a Equação é conhecido como a de i ada ma e ial da p op iedade A. O
p imei o e mo do lado di ei o é a de i ada pa cial do empo ou de i ada local. O úl imo e mo é chamado a
de i ada con ec i a de A.
Conse ação do Momen o Linea
A conse ação do momen o linea é desc i a pela Equação de Na ie -S okes. No con ex o da dinâmica
de luidos compu acional (CFD), o e mo Na ie -S okes é u ilizado pa a engloba as equações do momen o,
da con inuidade e da ene gia [3]. É possí el exp essa a Equação de Na ie -S okes de á ias o mas. Uma
dessas o mas é a Equação (
3.3
):
𝜌𝜕𝑢
𝜕𝑡 +(𝜌𝑢
⋅𝛻)𝑢
=−𝛻𝑝+𝜌𝑏+𝛻⋅𝜏
(3.3)
Onde 𝑝 é a p essão 𝑏 é o e mo on e (ge almen e a g a idade) e 𝜏 é a ensão iscosa. Se o luido o
de na u eza new oniana, as ensões iscosas são p opo cionais à axa de empo em que oco e a de o mação
[55]. A hipó ese de S okes pa a um luido new oniano (3.4) simpli ica a ensão pa a a Equação (3.4):
54
𝜏𝑖𝑗 =𝜇(𝜕𝑢𝑖
𝜕𝑥𝑗+𝜕𝑢𝑗
𝜕𝑥𝑖)−2
3𝜇𝛿𝑖𝑗𝜕𝑢𝑘
𝜕𝑥𝑘
(3.4)
Onde 𝜇 é a iscosidade dinâmica do luido.
No sis ema o ogonal, as ês equações sepa adas podem se usadas pa a esc e e a Equação de
conse ação do momen o pa a o e o elocidade do escoamen o u. Es as equações mos am a conse ação
do momen o nas di eções x, y e z, jun amen e com os componen es de elocidade do escoamen o u, e w
[55].
Mé odo dos Volumes Fini os
Vá ias azões o nam o Mé odo de Volumes Fini os (FVM) numa e amen a e icaz pa a a esolução de
p oblemas de CFD. A sua es a égia baseada na conse ação, ga an e obus ez e p ecisão ísica; em
capacidade de lida com geome ias complexas; o e ece e sa ilidade pa a usos p á icos; ajuda na
in e p e ação ísica com in uição; ajuda na comp eensão e análise dos esul ados; ge e e icazmen e
enómenos de luxo complexos; lexibilidade em egimes de escoamen o a iá eis, ou seja, adequado pa a
uma ampla gama de p oblemas de CFD ela i amen e simples de se implemen a .
De ido a es as ca ac e ís icas, especialmen e no domínio da ene gia eólica, onde a opog a ia
complicada e as in e ações das u binas são undamen ais pa a a comp eensão do p oblema, o FVM é um
mé odo amplamen e u ilizado em di e sos con ex os.
3.3 Modelação da Tu bulência
O p incipal obje i o de um es udo CFD em mui os p oje os de engenha ia é de o nece dados que
ajudem o u ilizado a comp eende um componen e especí ico de escoamen o ou da ans e ência de calo
ou ainda de ou os ópicos. A u bulência num escoamen o pode se modelada de á ias o mas, mas a
seleção do melho modelo depende de uma sé ie de pa âme os, incluindo a ísica do escoamen o, o ní el
de p ecisão necessá io, a quan idade de empo e ecu sos compu acionais disponí eis. Uma compa ação
dos cus os compu acionais dos á ios modelos de u bulência disponí eis no ANSYS Fluen é ap esen ada na
Figu a 3.1. Como pode se is o, exis em ês ca ego ias p incipais de modelos de u bulência: Modelos LES,
SRS e RANS.
55
Figu a 3.1 - Di e en es possibilidades de modelos de u bulência de aco do com o cus o de compu ação.
O p ocedimen o de cálculo da média mais ans e salmen e mais u ilizado é o cálculo u ilizando a
média com o núme o de Reynolds, esul ando nas equações de Na ie -S okes com média de Reynolds
(RANS). Uma al e na i a aos RANS são os modelos de Simulação com Resolução à Escala (SRS). O mé odo
mais conhecido é o La ge Eddy Simula ion (LES), mas é impo an e comp eende que es es mé odos são
signi ica i amen e mais dispendiosos do pon o de is a compu acional do que as simulações RANS[56].
Dadas as condições des e abalho de in es igação, é escolhida a abo dagem RANS , is o que é o modelo
menos dispendioso dos dois pa a compu a escoamen os complexos.
Subdi isões do RANS
O modelo Spala -Allma as é um modelo de uma Equação ela i amen e simples que esol e uma
Equação pa a a iscosidade cinemá ica. O modelo Spala -Allma as demons a da bons esul ados pa a
camadas limi e sujei as a g adien es de p essão des a o á eis [57]. Também em popula idade em aplicações
de u bomáquinas. Não é ecomendá el, no en an o, se u ilizado como modelo pa a ins ge ais, e i ando-o
como hipó ese.
56
Exemplos ípicos de ais modelos RANS são os modelos k-ε ou k-ω nas suas á ias o mas. Es es
modelos simpli icam o p oblema pa a a esolução de duas equações de anspo e adicionais e in oduzem
uma iscosidade u bulen a pa a calcula as ensões de Reynolds [58].
O modelo k-ε êm sido his o icamen e um dos modelos de u bulência mais amplamen e u ilizados em
CFD indus ial. A obus ez, economia e p ecisão azoá el pa a uma ampla gama de escoamen os u bulen os
explicam a sua popula idade em simulações indus iais de escoamen o e ans e ência de calo , con ex o em
que é adap á el pa a a u bulência do en o.
O modelo k-ω é no malmen e u ilizado pa a simula escoamen os u bulen os em aplicações de
ene gia eólica de ido à sua obus ez e e iciência na cap u a das ca ac e ís icas da u bulência [9]. Es e modelo
em sido amplamen e aplicado em es udos de ene gia eólica pa a p e e pad ões de escoamen o, in ensidade
de u bulência e ou os pa âme os ele an es em pa ques eólicos. Além disso, os modelos k- ω em con as e
com os k-ε são ipicamen e melho es na p e isão de luxos de camada limi e de g adien e de p essão
ad e sos.
Adicionalmen e, o modelo de u bulência k-ω subdi ide-se em s anda d e SST. O modelo SST oi
concebido pa a e i a a sensibilidade do luxo li e do modelo pad ão, combinando elemen os da Equação ε
e da Equação ω. Além disso, o modelo SST oi calib ado pa a calcula com p ecisão a sepa ação do luxo a
pa i de supe ícies lisas. Po conseguin e, na amília de modelos k, ecomenda-se a u ilização do modelo
SST. O modelo SST é um dos modelos mais u ilizados nos modelos de escoamen o ae odinâmico. Assim
sendo, a e en e SST o e ece uma maio p ecisão na p e isão de escoamen os u bulen os complexos em
compa ação com o modelo pad ão, o nando-o adequado pa a simulações de alhadas de in e ações do en o
no ambien e de um pa que eólico.
O modelo k-ω em uma o e p ecisão na egião da camada limi e ao longo da pa ede, enquan o o
modelo k- ε no malmen e em um bom desempenho na zona de luxo li e. U ilizando uma unção de mis u a,
podemos combina os bene ícios desses dois modelos de u bulência. A ulne abilidade do modelo k- ω aos
alo es de luxo li e de e é uma de suas de iciências. Po ou o lado, o modelo de u bulência k-ε é mais
esis en e e menos susce í el em ce as á eas. k-ω SST u iliza a unção de “blending” pa a mis u a o k- ω
e o k- ε em que cada um é usado nas zonas em que es ão os seus pon os o es.
A Função de Mis u a
É apelidada de unção de mis u a (“blending”) po que mis u a e e i amen e os dois modelos de
u bulência. Ma ema icamen e alando, é uma unção hipe bólica que é u ilizada pa a uma ansição sua e
en e o modelo o k- ω e o k- ε. Es a unção, jun amen e com um limi ado de iscosidade adicional, cons i ui
63
Figu a 3.4 - Legenda do domínio de compu ação.
3.6 Di e en es écnicas de modelação do disco a uado
Exis em á ias écnicas de modelagem de o o es de u binas eólicas disponí eis no Ansys Fluen , cada
uma com um ní el di e en e de cus o compu acional e complexidade. O modelo mais simples é o modelo do
disco a uado , que mos a o o o como um disco pe meá el que dá impulso ao escoamen o. Não é modelado
com pás, mas é compu acionalmen e e icien e. Es e modelo é melho ado pelo Modelo de Linha do A uado ,
que modela o o o como um conjun o de linhas com o ças aplicadas a cada uma delas.
A eo ia do elemen o da pá e a eo ia do momen o são combinados na eo ia do momen o BEM pa a
p e e o desempenho do o o . Embo a es eja bem es abelecida e seja e icaz, o escoamen o 3D con inua po
esol e . Embo a o mé odo de Malha Deslizan e seja compu acionalmen e dispendioso, cap a odo o
escoamen o 3D com excelen e p ecisão, odando isicamen e a malha em o no do cubo. As pás são
modeladas usando e mos de on e no Mé odo de F on ei a Ime sa, que as inco po a numa malha de undo.
Pa a alguns enómenos de escoamen o, é menos p eciso do que o SM, mas ainda ela i amen e e icien e.
As écnicas híb idas combinam mui as es a égias, u ilizando as suas an agens. Po exemplo: u iliza
o SM pa a uma análise ap o undada e o ALM pa a simulações p elimina es. A écnica de escolha é
de e minada pelos obje i os da simulação, pela capacidade de p ocessamen o e pelos equisi os de p ecisão.
Enquan o que o ADM, ou o BEM, podem se su icien es pa a es ima o desempenho ge al, o SM ou o IBM
são ecomendados pa a escoamen os complexos com esolução de lâminas [62].
Es es são os modelos mais u ilizados nas simulações RANS pa a ep esen a o o o da u bina.
Embo a a egião p óxima da es ei a seja di ícil de ep oduzi pelo BEM e ADM, podem p e e co e amen e o
compo amen o da elocidade na es ei a (“wake”) dis an e.
Chão (bo om)
Topo ( op)
Saída (ou le )
En ada (inle )
64
O impac o da es ei a dis an e e o luxo de en o em o no das u binas eólicas são os p incipais ocos
des e es udo, pelo que o ADM é a melho opção em e mos de esul ados p ecisos e equisi os
compu acionais. Tem um bom desempenho na es ei a dis an e, onde a p esença única de cada pá se o na
insigni ican e e pode se igno ada. A edução do cus o compu acional é a p incipal an agem, pa icula men e
pa a simulações de múl iplos o o es. É ambém ele an e lemb a que, num es o ço pa a o na as
simulações mais simples, a geome ia não em em con a a o e da u bina eólica [63].
4. APRESENTAÇÃO E ESTUDO DO CASO PRÁTICO
Es e capí ulo o nece uma explicação de ês simulações que pe mi em a aplicação e alidação da
abo dagem CFD, jun amen e com uma análise de alhada do início ao im do p ocessamen o. As simulações
incluem os seguin es passos:
1. Modelações do compo amen o do escoamen o a mos é ico num e eno mon anhoso;
2. Modelação escoamen o a mos é ico num e eno mon anhoso quando inse idas u binas eólicas;
3. Modelação escoamen o a mos é ico num e eno mon anhoso onde se enco a a posição o imizada
pa a as u binas eólicas.
São e e uados pa a cada simulação os dados de con igu ação, o domínio compu acional, o
p ocedimen o de c iação de malhas, os esul ados e uma análise inal.
4.1 Con ex ualização do p oblema
In odução à his ó ia do emp eendimen o do es udo
O Complexo Eólico Al azema, a que nos epo amos no p esen e es udo, co esponde a um p oje o de
434 ae oge ado es com capacidade nominal de 6,6 MW cada um.
Como se pode e pela Figu a 4.1, es a mic o egião si ua-se no cen o-sul do es ado de Sal ado da
Bahia, no B asil. O Complexo Eólico Al azema es á inse ido na egião da Chapada Diaman ina. É uma egião
de se as que co esponde a ce ca de 15% do Es ado da Bahia. Nes a egião do no des e do B asil, podemos
e um conjun o de se as e planal os o mados no P é-Camb iano, eme gindo as maio es al i udes do
no des e b asilei o, como o Pico do Ba bado, com 2 033 me os. A Chapada Diaman ina, no bioma
Caa inga
,
ca a e iza-se po possui uma ege ação exube an e, compos a de espécies da caa inga semiá ida da lo a
se ana.
65
Da zona selecionada, des aca-se na paisagem ní eis de ele ação p óximos dos 1.600 m, con as ado
à sua ol a com ex ensas dep essões ei as a a és de camadas de a eni o, conglome ados e calcá ios de
deposição de ulcões sedimen ados ao longo de milha es de anos.
De i ado ao al o po encial eólico da egião, com en os de 8,9 m/s de elocidade média nas egiões
mais al as [54] é possí el a u ilização de máquinas com o o es maio es. No emp eendimen o, os diâme os
das pás do ae oge ado medem 170 m, medida conside ada mui o conside á el nes a á ea. No en an o, pa a
emp ega um o o com es e diâme o de o ma e icien e, é necessá io um es udo ap o undado sob e o
compo amen o do en o median e a sua in e ação com a u bina e com o decli e e ugosidade mon anhosa.
Figu a 4.1 - Mapa 2D do pa que eólico. (Fon e: So wa e QGis).
66
4.2 Abo dagem do p oblema do pa que eólico
Seguidamen e, ap esen a -se-á a opção es a égica pa a a análise do pa que eólico. A di iculdade da
a aliação de pa ques eólicos em g ande escala (434 u binas) o na a modelação um g ande desa io. É
necessá io ado a mé odos ealis as e exequí eis pa a equilib a a e iciência e a p ecisão da compu ação.
Encon a as zonas c í icas
Den o do pa que eólico, uma zona c í ica é aquela onde:
• Regiões de u bulência aumen ada podem se causadas po e enos complicados, in e ações
de es ei a ou condições a mos é icas.
• As di e enças de p essão são impo an es, po que lu uações signi ica i as de p essão podem
esul a de modi icações na opog a ia ou no p oje o das u binas.
• A colocação das u binas é impo an e - es as á eas podem ap esen a opo unidades de
o imização - uma ez que pequenas al e ações na localização das u binas podem e um
g ande impac o no desempenho global do pa que.
A análise do pa que eólico aduziu-se na nomeação de uma á ea bas an e c í ica, como demons ado
na Figu a 4.2. Es a á ea é p opensa a luxos u bulen os e al e ações de p essão de ido ao súbi o desní el
do e eno e à disposição das u binas densamen e compac adas. Assim, a im de maximiza a p odução de
ene gia e diminui as ca gas es u u ais, é impe a i o e i ica o posicionamen o das u binas nes a zona.
Figu a 4.2 - Pe il de al u a da egião escolhida pa a análise (Fon e: Google Ea h P o)
67
De ido ao luxo u bulen o, as u binas des a zona so em mais desgas e e as in e ações de es ei a
nes a zona são mais impac an es, pelo que podemos comp eende mais cla amen e como as ondas de en o
des as u binas a e am as u binas a jusan e, analisando-as.
4.3 Implemen ação e alidação do e eno
O obje i o inal da modelação do e eno é, nes e caso, ob e uma modelação da opog a ia e ele ação
do obje o que não c ie p oblemas à análise CFD. A a és de uma me odologia assen e na en a i a-e o,
u ilizam-se com á ias o mas e ex u as do obje o. Com base na li e a u a, de e minou-se que as p incipais
ca ac e ís icas que o obje o 3D de e e pa a se u ilizado como modelo pa a análise CFD com o so wa e
Ansys Fluen , são as seguin es:
• Exa idão geomé ica em que o modelo de e ep esen a com p ecisão a o ma, as dimensões
e as ca ac e ís icas do obje o do mundo eal.
• Volume echado, o que signi ica que não em espaços ou bu acos na sua supe ície ex e io .
Is o é essencial pa a de ini o domínio do luido no qual a análise e á luga .
• A supe ície do obje o de e se es anque, sem aces que se sob eponham ou in e se em. Is o
assegu a uma supe ície sua e e con ínua pa a os cálculos de escoamen o de luidos.
• O ní el de de alhe do modelo de e se su icien e pa a cap a as ca ac e ís icas ele an es do
escoamen o, mas não demasiado complexo, o que pode ia aumen a o cus o compu acional.
Conside a-se a escala de análise e a p ecisão desejada.
• Compa ibilidade de o ma o de a qui o em que o so wa e a u iliza necessi a de e a opção
de expo ação de um ichei o compa í el com o Ansys Fluen .
Pa a a con i mação de odos es es 5 pa âme os eco emos ao so wa e Blende . O Blende é um
so wa e de c iação 3D com e amen as obus as pa a modelação e ep esen ação de e enos. No con ex o
da simulação da u bulência do en o, a ep esen ação exa a do e eno é c ucial pa a cap a as in e ações
complexas en e o luxo de en o e as o mas de ele o.
Aquisição dos dados do e eno
O
add-on
de in eg ação de sa éli es do Blende simpli ica o p ocesso de aquisição de dados de e eno
do mundo eal. Es e
add-on
é uma in eg ação de ou o so wa e designado po QGis que é um p o edo de
in o mações geog á icas em código abe o.
Uma ez iden i icada a localização desejada, o
add-on
ex ai os dados de ele ação e as ex u as
co esponden es, impo ando-os sem p oblemas pa a o Blende , como se ê na Figu a 4.3.
68
Impo an e des aca uma uncionalidade impo an e pa a inaliza o p ocesso que são os modi icado es
como “Subdi ision Su ace”, pa a sua iza e, “Decima e”, pa a eduzi o amanho dos polígonos. Também
se á impo an e e e i que, no Blende , é desejá el p ocede a ope ações de subdi isão do e eno, como se
cons a a na Figu a 4.3, de o ma a que exis a uma maio c iação de polígonos e, consequen emen e, uma
melho de inição do e eno.
Figu a 4.3 - Imagem equisi ada do se ido OpenTopog aphy SRTM 30m.
A p ecisão do e eno ex aído na imagem é undamen al pa a ob e esul ados de simulação iá eis e
c edí eis. Po isso, é impo an e aze uma compa ação inal en e o e eno do Blende e os dados de
e e ência o necidos pelo QGis.
Modelação com os dados opog á icos
A é ao momen o, o am ex aídos dados em po meno do e eno a pa i do Blende . Numa segunda
ase, passamos a e e ua ans o mação do ele o 2D o necido pelos dados opog á icos a a és de sólido
3D com obje os que ep esen em o co po ísico de u binas eólicas.
A p imei a e apa en ol e a impo ação do a qui o STL, que encapsula a ep esen ação do e eno 2D
do Blende , pa a o Ansys SpaceClaim. Após a impo ação, é essencial ga an i que a escala e a o ien ação
es ejam co e as. O SpaceClaim
o nece opções pa a dimensiona e alinha au oma icamen e a geome ia
impo ada, mas de ido a es e a qué ipo de geome ia com ele o complexo, são necessá ios alguns ajus es
manuais. Na Figu a 4.4., podemos isualiza a impo ação do a qui o STL.
69
Figu a 4.4 - Te eno no o ma o. s l impo ado di e amen e do Blende pa a o SpaceClaim.
De seguida, o e eno em imagem 2D, oi concebido e icalmen e pa a c ia uma base sólida, al
como na Figu a 4.5. A pa e in e io e os lados do olume de em en ão se apados pa a c ia um sólido
es anque. Po im, sua iza-se a sólido pa a que não subsis am quaisque a es as ou can os a iados que
possam a e a as simulações de luxo.
Figu a 4.5 - Dimensionamen o (à esque da) e c iação (à di ei a) do polígono
Escolha da al u a do polígono 3D a se ex udido
Um ópico que ca ece de alguma a enção é a al u a que se da á ao polígono ex udido. Exis em ês
conside ações que p ecisam de se ei as.
70
A al u a da u bina eólica é um a o a e em con a. A u bina modelo pa a as simulações des a
disse ação é a designada po SG 6.6-170. Como a designação apon a, a u bina em 170 me os de diâme o
do o o . Adicionando o aio do o o à al u a da base da u bina emos um alo de al u a máxima de 185m.
É undamen al que o e eno sólido 3D seja su icien emen e al o pa a ab ange oda a á ea ab angida pelo
o o da u bina. Is o assegu a que a simulação cap a com p ecisão a in e ação do en o com o e eno ao
longo de oda a gama ope acional da u bina.
A segunda conside ação a e p esen e é que as complexidades do e eno ambém in luenciam o
esul ado. No caso de o e eno ap esen a a iações p onunciadas de ele ação, como as obse adas sob a
o mas de mon anhas e ales íng emes sendo po isso necessá io aumen a a al u a do sólido 3D pa a e le i
com p ecisão es as ca ac e ís icas opog á icas.
E, po úl imo, e já e e ido com maio de alhe no capí ulo ABL (A mos e ic Bounda y Laye )3.4, da
Me odologia, a Camada Limi e A mos é ica (ABL), que é a pa e mais baixa da a mos e a, onde o en o é
in luenciado pela supe ície da Te a, é um a o a e em con a pela sua ele ância. A al u a da ABL pode
a ia dependendo de a o es como a ugosidade do e eno, a elocidade do en o e a es abilidade
a mos é ica. Recomenda-se que o sólido 3D se es enda pelo menos a é o opo da ABL pa a ep esen a com
p ecisão o pe il de en o que a u bina expe imen a. Is o, po que o opo da ABL pode se basicamen e
especi icado como o local onde a u bulência desapa ece, uma ez que acima da camada limi e o mo imen o
do a é sua e e pode se a ado como um escoamen o lamina .
Tendo em con a es es a o es, a dimensão global do domínio de simulação é uma decisão que
ep esen a um meio e mo en e a qualidade da análise e a apidez de compu ação. Se o u ilizado uma
al u a que co esponda à camada supe io do ABL o cus o de compu ação se á demasiado ele ada. Sendo
assim, uma abo dagem inicial adequada oi de ini a al u a do sólido 3D pa a se pelo menos duas ezes a
al u a da u bina eólica. Is o de e á p opo ciona espaço su icien e pa a cap a a á ea a ida pelo o o e
uma pa e signi ica i a da ABL. Pos e io men e, a al u a pode se ajus ada com base na espos a da
simulação, is o é, caso a pa ede supe io do sólido aça in e e ência no domínio da u bulência ao ní el da
u bina.
Pa a inaliza , o modelo idimensional necessi a que a sua in eg ação seja ei a a pa i de um modelo
eó ico de ep esen ação da u bina. Es e modelo, no que comp eende o mas geomé icas, é bas an e
simples. É apenas um cí culo com a mesma á ea de a edu a do o o eal e, pos e io men e, é-lhe dado
uma p o undidade semelhan e ao alo ce i icado pelo manual de ab ico da p óp ia
Siemens
.
Alguns p oblemas que necessi a am de esolução oi o ac o de o e eno impo ado se demasiado
g ande e, po isso, é necessá io ajus a o a o de escala no
SpaceClaim
pa a co esponde às unidades
desejadas. Ou a medida que se omou oi ans o ma o olume pa alelepípedo em um olume cilínd ico. O
esul ado ap esen a-se na Figu a 4.6 abaixo:
71
Figu a 4.6 - Domínio de es udo esculpido pa a uma o ma ci cula .
Ou os dos p incipais p oblemas nes e ipo de p ojeção é que os modelos de e eno complexos con êm
equen emen e alhas geomé icas in oduzidas du an e o p ocesso de ex ação ou ine en es ao o ma o STL.
Os p oblemas de e ados que esul a am des a ansposição de dados o am abe u as ou descon inuidades
na supe ície do e eno, aces que se sob epõem ou in e sec am umas com as ou as e a es as ou é ices
ligados a mais de duas aces, iolando as eg as opológicas pa a modelos sólidos.
Sis ema de coo denadas
Todas as simulações usam o sis ema de coo denadas que é isí el no can o in e io di ei o de cada
igu a p esen e no
Ansys
. Assim, emos a al u a do domínio, a la gu a do domínio e o comp imen o do
domínio, ep esen ados pelos eixos 𝑧, 𝑦 e 𝑥, espe i amen e.
A di eção y, po es a no sen ido longi udinal, ambém oma a di eção do escoamen o do a , em que
a ex emidade nega i a do eixo y é onde se encon a a en ada do a , 𝑦=0 o cen o do e eno e a
ex emidade posi i a a saída do a .
C iação da malha
An es de começa com os de alhes c í icos da malha, se á necessá io comp eende as de inições
ge ais com as quais emos a possibilidade de abalha , como se pode cons a a pela Figu a 4.7 em baixo:
72
A opção “Physics P e e ence” (p e e ência ísica) pe mi e es abelece como o “Wo kbench” execu a á
a c iação de malha com base na ísica do ipo de análise o especi icada. As opções disponí eis são:
Mecânica, Ele omagné ica, CFD e Explíci a. Como es amos no seguimen o de um “p oblema CFD”, jus i ica-
se que essa seja a nossa opção.
Op a pela CFD como “Physics P e e ence” az com que apa eça uma opção de “Sol e P e e ence”.
O alo da “Sol e P e e ence” pode se CFX, Fluen ou POLYFLOW. Cada escolha e á impac o na malha.
Como o p ocessamen o é a a és do
Fluen ,
encon amos po essa ia espos a pa a o nosso abalho.
Den o do olume, exis e uma a es a e uma ace que são zonas c í icas pa a a nossa malha e, po
isso, e ão maio ele ância na e inação. Pa a começa pela ace, que nes e caso a ace compo a o ele o
zona mon anhosa, é ei a uma “in la ion”, que não é mais do que a c iação de uma malha ina ou de camadas
de malha ina na á ea de in e esse do domínio. As de inições das opções de “In la ion" de e minam as al u as
das camadas de insu lação. Na Figu a 4.8, pode e i ica -se a desc ição de alhada das a iá eis que podem
se al e adas den o do mé odo “In la ion”.
Figu a 4.8 - Janela dedicada à "In la ion"
Figu a 4.7 - Janela dedicada ao con olo da malha
79
Reg a ge al, an es de decla a que a solução con e giu, de e ce i ica -se de que o esíduo pelo menos
con inua baixo du an e um ce o núme o de i e ações, como é o caso dos esíduos “x- eloci y”; “y- eloci y”;
“z- eloci y”; “𝑘” e “𝜀” que são as a iá eis de i e ação de e minan es pa a a condução des e es udo de
mes ado. Numa abo dagem inicial, man e emos os esíduos a 1×10−3. Se não exis i a
diminuição/es abilização do ecu so como e e ido an e io men e, eduz-se a o dem de g andeza. Como se
pode e pela seguin e Figu a 4.13, os esíduos a pa i da cen ésima i e ação endem a ica cons an emen e
mais baixos.
Figu a 4.13 - Valo absolu o dos esíduos
Análise de Resul ados
Pa a e e ua a análise de esul ados ocamo-nos em duas a iá eis p incipais, que são a elocidade e
a p essão ao longo do domínio. Também se dá des aque à u bulência elacionada com a ene gia ciné ica.
Vis o que não se a a de um e eno plano, os es udos e e idências cien í icas são eduzidos segundo
a e isão de li e a u a que e e uamos. No en an o, as conclusões podem se imedia amen e e i adas ao olha
pa a as p imei as duas simulações e i adas à al u a do solo, Figu a 4.14 e Figu a 4.15, espe i amen e.
80
Figu a 4.14 - Vis a de cima da p essão do e eno (z = 0m).
Podemos cons a a que a p essão não es á dis ibuída uni o memen e pela supe ície. Pe o do cen o,
há uma á ea concen ada de al a p essão, que é sinal de uma á ea de es agnação. Exis em á ias zonas de
baixa p essão espalhadas pela zona cen al de al a p essão e pela pe i e ia que, como amos e na imagem
seguin e sob e a elocidade, indica a sua elação como uma á ea de acele ação do en o.
Há g andes a iações no g adien e de p essão sob e a supe ície, com o limi e das zonas de al a e
baixa p essão, exibindo g adien es mais acen uados. Es e limi e é ele an e no começo e inal dos ele os
mais acen uados.
Pa a de ini comple amen e o e eno e a alia a di e sidade de in e e ências, é necessá ia mais
in es igação com dados sob e a elocidade e a u bulência.
Na p óxima igu a, podemos e os con o nos da elocidade do en o à mesma al u a (𝑧=0 𝑚):
81
Figu a 4.15 - Vis a de cima da elocidade do e eno (z = 0m).
Enquan o a maio pa e do domínio em elocidades in e io es a 2 𝑚/𝑠, alguns canais encon am as
elocidades mais ele adas, que chegam a se supe io es a 3 𝑚/𝑠. Es es canais de al a elocidade es ão
associados a á eas de acele ação do luxo ou a o as de luxo ae odinâmico de ido a g adien es de p essão
e cons ições geomé icas. Embo a a elocidade média do en o seja 7,5 𝑚/𝑠, e i ica-se uma edução
bas an e g ande da elocidade, po que nos encon amos ao ní el do solo, onde a ugosidade em o seu maio
impac o, ab andando signi ica i amen e o luxo de en o.
Assinalam-se mudanças no á eis na dis ibuição da elocidade ao longo do domínio, indicando uma
dis ibuição al amen e não-uni o me.
Da Figu a 4.16 à Figu a 4.18 as medições são e i adas a 150 𝑚, que é a al u a a qual se encon a ia
o o o da u bina eólica caso es a izesse pa e da modelação (pos e io men e, ai adiciona-se a modelação
com o o pa a compa a esul ados).
82
Figu a 4.16 - Vis a de cima da p essão do e eno (z = 150 m).
Ao medi a 150 me os de al u a, os g adien es de p essão são mais p onunciados em compa ação
com os obse ados a 0 me os.
Em con as e, es a imagem (150 m) ap esen a picos mais ele ados, a ingindo a é 32,37 Pa
compa a i amen e aos 12,00 Pa (0 m). E, as zonas de baixa p essão, na p imei a imagem, a ingem um
mínimo de -18,23 Pa, enquan o que na an e io pa a -75,84 Pa.
No a-se que exis e uma ampli ude mui o meno de di e en es p essões nes a imagem a 150m, o que
az sen ido, is o que, como se e e iu an e io men e, a ABL ende a es abiliza à medida que se aumen a a
al u a.
83
Figu a 4.17 - Vis a de cima da elocidade do e eno (z = 150m).
Regis am-se, ambém, di e enças assinalá eis nos pad ões de dis ibuição pa a a elocidade. Uma
á ea maio de elocidades mais baixas é in e calada com canais dis in os de al a elocidade que ul apassam
os 3 𝑚/𝑠 no e a o da elocidade a al u a 0 𝑚, que ap esen a um campo de elocidades mais a iado.
Ago a, nes a segunda imagem, podemos e uma dis ibuição mais iguali á ia da elocidade, com os
alo es mais al os concen ados no cen o e que p og essi amen e em ão em di eção às ma gens, onde
exis e menos ele o. Suge e o ac o que, a 150 𝑚, exis e um pe il de luxo mais uni o me, possi elmen e
menos a e ado pelas impe eições da supe ície a es a al i ude ele ada.
Em pa icula , a elocidade mais ele ada (9,52 𝑚/𝑠), na segunda imagem, é isi elmen e mais al a
do que a máxima na p imei a imagem, suge indo um luxo mais o e a 150 m de al u a.
Conclui-se que, à medida que a al i ude aumen a, o luxo o na-se menos u bulen o e mais es u u ado
e bas an e mais o e.
84
Figu a 4.18 - Vis a de cima da ene gia ciné ica u bulen a do e eno (z = 150 m).
A escala de co es u ilizada pe mi e a alia a ene gia ciné ica u bulen a (TKE) que a ia de 0,02
𝑚2/𝑠2 a 0,26 𝑚2/𝑠2.
As egiões de al a ene gia ciné ica u bulen a são mos adas pelas secções ep esen adas nas co es a
la anja e e melho, onde os alo es podem excede 0,26 𝑚2/𝑠2. Essas á eas es ão cen adas numa aixa
diagonal em oda a imagem, que se es endem do can o in e io esque do ao can o supe io di ei o, aixa que
co esponde à zona mais mon anhosa.
Pe o dos se o es cen ais supe io e in e io di ei o, são is as ou as bolsas de TKE ele ado, suge indo
uma u bulência localizada. As egiões sinalizadas a e de e ama elo ep esen am alo es mode ados de TKE
que indicam uma mudança p og essi a de á eas de al a u bulência pa a egiões de luxo mais es á eis, e
ci cundam maio i a iamen e as zonas de al o TKE.
A dis ibuição do TKE indica que o luxo de a é signi ica i amen e in luenciado pelo e eno subjacen e.
Pode ha e uma c is a, um ale ou ou as ca ac e ís icas opog á icas no á eis que c iam uma u bulência
maio , con o me indicado pela aixa diagonal cen al com TKE ele ado.
É p o á el que os pad ões me eo ológicos mais u bulen os sejam egis ados em locais com TKE
ele ado, o que pode e um impac o nas condições climá icas locais e, consequen emen e, na p odução de
ene gia eólica.
Como deu pa a comp eende pelas úl imas imagens, exis e mui as a iá eis p esen es na consis ência
do modelo a mos é ico. Pa a es e abalho é impo an e que se encon e solidez na modelação do ABL.
Mesmo sabendo que o e eno ap esen a u bulência de ido à ugosidade, no a-se que à medida que
subimos em al u a e nos a as amos do solo, os alo es da elocidade icam cada ez mais consis en es. Caso
85
os alo es da elocidade do en o, à medida que se sobe em al u a, endam a ica mais p óximos em
di e en es zonas, ai cons i ui uma mé ica que mos e que o es udo es eja a p oduzi esul ados álidos. O
mesmo se e i ica na Tabela 4.4 - Va iação da elocidade e o seu e o em posições dis an es do mapa,
es ado pa a di e en es al u as..
Tabela 4.4 - Va iação da elocidade e o seu e o em posições dis an es do mapa, es ado pa a di e en es al u as.
Os esul ados da abela mos am o pe il da elocidade em ês zonas dis in as da simulação em
unção da al u a a que se encon a, desde o solo mon anhoso, a é ao opo onde se encon a a pa ede de
simulação.
No g á ico da Figu a 4.19 consegue-se e o pe il de elocidade inicial na en ada do seu domínio é
mos ado po es a linha ( e melha). Como é ípico de uma ABL, exibe um aumen o p og essi o da elocidade
do en o com a al u a. O segundo pe il de elocidade é mos ado pela linha (azul), que é de 1000 me os no
domínio. Mos a um aumen o maio da elocidade com a al u a em compa ação com o pe il de en ada,
especialmen e nos ní eis mais baixos o que implica que à medida que a ABL se expanda no domínio, es á a
e olui e a o na -se mais e á ica. Po im, o úl imo pe il de elocidade é mos ado pela linha ( e de). Com
um aumen o no á el da elocidade nas camadas in e io es e um aumen o mais g adual da elocidade mais
acima, a ABL es á ainda mais desen ol ida nes e caso o que suge e que a camada supe icial da ABL e oluiu
pa a uma ase mais madu a com um pe il loga í mico dis in o.
Quan o mais longe da en ada os pe is de elocidade icam, mais íng emes e mais p onunciados eles
se o nam.
O ac o dos pe is a 1000 e 2000 me os e em decli es mais acen uados do que o da en ada é
ambém um sinal da mudança das ca ac e ís icas de ugosidade da supe ície do domínio, ais como a
opog a ia ou es u u as.
Al u a [m]
Velocidade
[m/s]
E o en e y = 750 m e y
= 2000 m
y=0 m
y=1000 m
y=2000 m
750
7,5
8,126
8,818
8,08%
1000
7,5
7,898
8,339
5,30%
1500
7,5
7,791
8,049
3,53%
2000
7,5
7,759
7,944
2,87%
86
Figu a 4.19 – Pe is da elocidade em ês linhas dis in as no espaço (a 0, 1000m e 2000m da en ada de a ).
No p óximo g á ico da Figu a 4.20, ap esen am-se as mesmas a á eis com a al e ação da localização
em análise. Ago a analisa-se a saída de a , o cen o do olume e a en ada de a , que são ês locais di e en es
a examina .
A ABL es á no seu es ado inicial na en ada, onde exibe um aumen o len o da elocidade com a al u a
de ido ao dis anciamen o da ugosidade do solo, seguindo o pe il loga í mico p e is o.
Se epa a mos, à medida que se ap oxima do cen o do pa que o pe il de elocidade muda
isi elmen e. A ABL acele a signi ica i amen e abaixo dos 1000 m, na pa e in e io da aixa. A jus i icação
pa a is o acon ece de e-se ao a o de cada linha açada começa a uma al u a di e en e de ido às di e enças
de ele ação do e eno.
87
Figu a 4.20 - Pe is da elocidade em ês linhas dis in as no espaço (en ada cen o e saída de a ).
Em compa ação com o g á ico an e io , que ilus a a a e olução da ABL em unção de uma cu a
dis ância, es e g á ico escla ece as di e enças geog á icas no in e io do pa que. Deno a-se que exis e uma
di e ença mais p onunciada en e pe is de elocidade quando aumen a a dis ância en e pon os de análise.
Tendo is o em con a, na Tabela 4.5 encon a-se a quan i icação numé ica do e o pe cen ual, em pon o de
compa ação com a an e io Tabela 4.4.
Tabela 4.5 - Va iação da elocidade e o seu e o em posições izinhas do mapa, es ado pa a di e en es al u as.
Al u a [m]
Velocidade [m/s]
E o en e y = 750 m e y =
2000 m
y=0 m
y=1000 m
y=2000 m
750
7,5
7.965
8,746
7,67%
1000
7,5
7,667
8,035
3,44%
1500
7,5
7,604
7,826
2,13%
2000
7,5
7,586
7,767
1,75%
88
5. ESTUDO DETALHADO DAS TURBINAS EÓLICAS NO TERRENO
O Capí ulo 5, p epa a o e eno pa a uma explo ação ap o undada da implemen ação e modelação de
u binas eólicas em e enos complexos. Inicialmen e, o capí ulo passa pela implemen ação e alidação de
uma u bina eólica no e eno. O capí ulo ap o unda as especi icações écnicas da u bina SG 6.6-170,
en a izando a sua compa ibilidade com as condições locais de en o e as complexidades compu acionais
colocadas pelo seu g ande diâme o do o o . Segue-se uma secção sob e a ge ação de malhas, des acando
a necessidade de malhas inas pe o do disco do a uado pa a cap a com p ecisão os pad ões u bulen os e
os dé ices de elocidade.
Subsequen emen e, é discu ida a implemen ação no Ansys Fluen , de alhando as condições aplicadas
pa a simula a in e ação do en o com a u bina, incluindo os p ocessos de impulso de o ça e ex ação de
ene gia. As análises de con e gência, os pe is de elocidade, os con o nos de p essão e as dis ibuições de
ene gia ciné ica da u bulência são me iculosamen e examinados, ilus ando o impac o da u bina eólica no
luxo de a e na e iciência da p odução de ene gia.
Finalmen e, o capí ulo abo da a implemen ação e alidação de múl iplas u binas eólicas, delineando
as complexidades dos e ei os da es ei a e do posicionamen o das u binas num pa que eólico, sublinhando
a impo ância de o imiza o espaçamen o das u binas pa a equilib a a p odução de ene gia e o desgas e
mecânico. Es a isão ge al ab angen e o nece uma comp eensão undamen al necessá ia pa a as
in es igações mais especí icas dos capí ulos subsequen es.
5.1 Implemen ação e alidação de uma u bina eólica no e eno
Pa a es e subcapí ulo se ão ap o ei ados dados da modelação an e io . Assim, an o a “Aquisição dos
dados do e eno” abo dada no 4.3.1, como a “Modelação dos dados opog á icos” no 4.3.2, ansi am pa a
es a a aliação.
O obje i o é, numa p imei a ase, en ende o compo amen o que o luxo de en o e á em con ac o
com o disco a uado , com a pa icula idade de o e eno se aciden ado e imp e isí el. Assume-se que a em
e mos de domínio compu acional emos exa amen e o mesmo olume, is o que da implemen ação da
u bina não ac escen a, apenas modi ica o di o olume.
Modelação da in e ação da u bina eólica com o en o
Es e es udo analisa o mo imen o a mos é ico do en o a a és de uma u bina eólica que oi concebida
pa a se assemelha a um disco a uado .
95
A densidade do a u ilizada (1.07 𝐾𝑔/𝑚3) é a densidade a 1000𝑚, al u a do pa que eólico al
como a elocidade do en o é e i ada de um conjun o de medições p e iamen e ei as do en o na zona de
Seab a, a egião onde incide o es udo. [54]
Den o da “Cell Zone Condi on” al a apenas especi ica a “sou ce”, ou seja, a on e de onde es e
luido da o ma de a se encon a.
A á ea a ida do o o oi um dado o necido no documen o de especi icações dimensionais da
u bina SG 6.6MW. De salien a que o 𝐶𝑝 ambém é o necido pelo documen o caso se en enda u iliza .
Ao calcula es es alo es de aco do com a elocidade do en o ge a-se o que se ê na Figu a 5.7:
Figu a 5.7 - Análise do compo amen o do da u bina a a és da o ça de impulso.
Pa a eduzi o cus o de compu ação, o na a Equação mais simples, e consegui eplica com maio
exa idão os dados b u os (que es ão ep esen ados pelos pon os azuis ao longo da cu a do g á ico), di idiu-
se o p imei o g á ico na Figu a 5.8 e na Figu a 5.9, con o me se pode isualiza :
y = 1E-05x6- 0.0011x5+ 0.0388x4- 0.6634x3+ 5.6494x2- 21.102x + 29.23
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 5 10 15 20 25 30
Fo ça de Impulso (N/m3)
Velocidade do en o [m/s]
96
Figu a 5.8 - Análise simpli icada do compo amen o do da u bina a a és da o ça de impulso (pa e 1).
Figu a 5.9 - Análise simpli icada do compo amen o do da u bina a a és da o ça de impulso (pa e 2).
De seguida, ansc e e-se es e modelo analí ico pa a o edi o de exp essões (Figu a 5.10).
Especi icamen e, es a exp essão ai ca ego iza o momen o Y de odas as “cell zone condi ions”, ou seja, de
odos os discos a uado es. Escolheu-se o momen o Y, po que o eixo Y oi de inido pa a odo o abalho como
a di eção de en ada e a saída do a .
y = -0.0341x3 + 0.6853x2 - 2.9508x + 4.9762
0
2
4
6
8
10
12
0246810
Fo ça de Impulso (N/m3)
Velocidade do en o [m/s]
y = -0.0036x3+ 0.2106x2- 4.3032x + 34.846
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 5 10 15 20 25 30
Fo ça de Impulso (N/m3)
Velocidade do en o [m/s]
97
Figu a 5.10 - Inse ção da Equação simpli icada na linguagem do Ansys Fluen .
Análise de Resul ados
Começando como na p imei a análise, com uma análise de con e gência, ap esen a-se um g á ico de
elocidade, que é medido em unção da al u a em ês posições especí icas, uma na en ada de a , uma na
u bina em análise e ou a na saída de a . Como se pode e i ica na Figu a 5.11, con inua a exis i uma
con e gência à medida que se se sobe na al u a do domínio, independen emen e da ola ilidade que se
ap esen a nas zonas mais baixas, especi icamen e a da linha azul, linha qual ep esen a o pe il em al u a da
u bina em análise.
Figu a 5.11 - Pe is da elocidade em ês linhas dis in as no espaço (en ada, u bina 1 e saída de a ).
98
Passando pa a uma imagem ilus a i a da elocidade, isualiza-se o impac o de uma u bina eólica no
campo de escoamen o, onde se egis a uma diminuição no á el da elocidade, con o me indicado pela
ansição de elocidades mais ele adas ( e melho) pa a elocidades mais baixas (azul) a jusan e da u bina.
O e ei o de es ei a, que se es ende de o ma longi udinal, mos a como a u bina a e a o luxo de en o na
sua izinhança, esul ando numa diminuição da elocidade e na p esença de u bulência na sua es ei a. Os
con o nos ap esen ados de seguida na Figu a 5.12 são odos ealizados numa egião que se encon a a 150
m do chão, al u a a ní el do o o da u bina.
Figu a 5.12 - Modelação dos con o nos da elocidade à al u a do o o (z =150 m).
A Figu a 5.13, que a segui se ap esen a, e ela com maio e idência as al e ações na elocidade
consoan e o eixo y, de que se sob essai uma lu uação signi ica i a na secção cen al. A mudança ab up a
na elocidade é causada pela in e ação en e o luxo de a e uma u bina eólica, como já se inha analisado.
Com base nos dados obse ados, pa ece ha e um aumen o signi ica i o da elocidade imedia amen e
an es do declínio, indicando que o a so e uma acele ação à medida que se ap oxima da u bina. A explicação
pa a es e enómeno é consequência do e eno que oco e quando o luxo é conduzido pa a o opo da colina
e seguidamen e pela u bina, esul ando num aumen o da elocidade. Após o pico, há uma diminuição no á el
na elocidade, suge indo que o a es á a ab anda à medida que se mo e a a és das pás da u bina. Is o
de e-se ao ac o de a u bina es a a ex ai ene gia ciné ica do a pa a ge a ene gia.
99
Figu a 5.13 – Rep esen ação do compo amen o da elocidade na linha pa alela ao solo que a a essa a u bina 1.
De seguida, é ap esen ada a p essão na Figu a 5.14. Embo a não seja ão no á el o impac o que es a
c ia nos con o nos do mapa, consegue-se pe cebe uma p essão nega i a a jusan e da u bina e uma p essão
mais posi i a na egião mais p óxima a mon an e da u bina.
Figu a 5.14 - Modelação dos con o nos da p essão à al u a do o o (z =150 m).
100
As lu uações de p essão mais signi ica i as são obse adas pe o da u bina eólica, especi icamen e
em o no de Y = 600 m. Ve i ica-se uma diminuição no á el da p essão imedia amen e an es da u bina,
possi elmen e causada pela acele ação do luxo de a à medida que con e ge pa a o o o . Uma ez passada
a u bina, a p essão ecupe a len amen e, mas ainda pe manece mais baixa do que os ní eis a mon an e.
Is o de e-se ao ac o de a u bina ex ai ene gia e de ha e ambém uma es ei a u bulen a p esen e.
O pe il de p essão na Figu a 5.15 ambém mos a lu uações de meno escala no e eno,
pa icula men e nas imediações da u bina pelo esul ado da in e ação do en o com as ca ac e ís icas do
e eno, já que mo ologia opog á ica, como colinas, ales ou ou os obs áculos podem le a a a iações na
elocidade e di eção do en o que azem dispa idades na p essão.
Po im, analisa-se a ene gia ciné ica u bulen a. É imp escindí el conside á-la is o que o nece uma
manei a de medi a in ensidade da u bulência.
A Figu a 5.16 ep esen a as al e ações na ene gia ciné ica u bulen a ao longo do domínio do
escoamen o à medida que passa pelo disco a uado , po ol a da quo a dos 600 m al como an e io men e.
Ao encon a es a obs ução, a elocidade do en o diminui, le ando a um aumen o signi ica i o da
in ensidade da u bulência. Es e enómeno é lógico, uma ez que o disco a uado unciona como um
desiqilib ado do luxo e consequen emen e um aumen o da u bulência.
Figu a 5.15 - Rep esen ação do compo amen o da p essão na linha pa alela ao solo
que a a essa a u bina 1.
101
Em de imen o dos pe is eó icos de ene gia ciné ica u bulen a, es a u bulência ap esen a um
compo amen o bas an e mais caó ico de ido a ac o es como o e ei o o a i o e o egime mon anhoso.
Figu a 5.16 - Rep esen ação do compo amen o da TKE na linha pa alela ao solo que a a essa a u bina 1.
5.2 Implemen ação e alidação com á ias u binas eólicas no e eno
Os dados da modelação an e io são su icien es pa a es e subcapí ulo. Assim, os ópicos de "Aquisição
de dados do e eno" no 4.3.1 e "Modelação com os dados opog á icos" no 4.3.2 con inuam ele an es pa a
es a a aliação.
Tal como no capí ulo 5.1, “Implemen ação e alidação de uma u bina eólica no e eno”, o obje i o é
en a comp eende de como o luxo de en o eagi á com e eno no caso de se aciden ado e imp e isí el,
a sua in e ação com os discos a uado es e a in e ação dico a uado com disco a uado . Assume-se que emos
exa amen e o mesmo olume no campo compu acional, po que a implemen ação da u bina não adiciona
nada, apenas al e a o olume acima mencionado.
Ou o obje i o des e capí ulo é comp eende como é que o e ei o de es ei a p oduzido po uma u bina
a e a á ou a que se encon e imedia amen e a ás da mesma.
102
O pa que eólico
Ao ag upa um núme o de u binas no mesmo e eno acaba-se po e um pa que eólico que é
conjun o de u binas eólicas implan adas num local que é u ilizado pa a ge a ele icidade. Também pode se
desc i o como es ação de ene gia eólica ou cen al eólica. O posicionamen o de cada uma des as es u u as
é essencial pa a maximiza a p odução do pa que eólico com duas ou com cem u binas eólicas, pois es as
posicionam-se umas em elação às ou as pa a o imiza a ene gia sem aumen a os cus os de capi al e es a
é a cha e da e iciência eólica.
O p oblema que se le an a é que as u binas com ele ado espaçamen o p ecisam de cabos mais
longos pa a liga cada es u u a à ede elé ica. Se o espaçamen o o demasiado pequeno, as u binas a
mon an e e ão um impac o signi ica i o nas u binas a jusan e, exis indo mais u bulência e um maio
desgas e mecânico e, consequen emen e, a uma edução signi ica i a da e iciência. Daí que a dis ância en e
as u binas de e se cuidadosamen e es udada.
A localização da implemen ação de cada u bina no pa que eólico pode assumi mui as o mas
di e en es. Nes e es udo as u binas em es udo já assumem uma posição p é-de inida, cuja pe o mance
ene gé ica se á a segui analisada. Em p incípio, o diâme o do o o de um pa que eólico o na a dis ância
en e as u binas sem dimensão.
Em ge al, a colocação das u binas eólicas é implan ada pelo menos seis ezes o diâme o do seu
o o e qua o ezes na di eção do en o p edominan e. No en an o, como se a a de um e eno mon anhoso,
es a eg a não se aplica de ido às al e ações de ele ação do e eno e súbi as mudanças de p essão.
C iação da malha
A malha do domínio al como a c iação da malha pa a um disco a uado já o am p e iamen e c iadas.
Pa a es e con ex o é necessá io eplica a c iação da malha pa a o es o dos discos a uado es que é
demos ado isualmen e pela Figu a 5.17:
Figu a 5.17 - Vis a em pe spe i a da malha dos discos a uado es no modo de is a wi e ame.
103
Pa a es a malha o núme o de nós oi 87154 e núme o de elemen os 414429 (501,583 < 512,000).
Análise e Ex apolação de Resul ados
A Figu a 5.18 ep esen a um mapa de con o no de elocidade de um pa que eólico, e a ando o
compo amen o do luxo de a na p esença de á ias u binas eólicas dis ibuídas pelo campo.
Figu a 5.18 - Vis a de cima do domínio que comp eende as u binas em análise pela sua elocidade.
Podemos ca ego iza es a zona po duas ilei as diagonais no sen ido 𝑥𝑦. Uma p imei a ilei a de
u binas, A, que começa do cen o do domínio e p ossegue a é ao can o in e io esque do e uma ilei a
pa alela a essa, B, que começa sensi elmen e no can o supe io di ei o e acaba no can o in e io esque do,
com uma dis ância de sepa ação da p imei a ilei a.
A zona supe io da ilei a B, encon am-se elocidades do en o mais ele adas, como indicado pela
co e melha, is o que es as possuem a maio al u a do domínio e não êm qualque bloqueio de es ei a.
A dis ância longi udinal en e as u binas, como já e e ido, ambém a e a signi ica i amen e a
dis ibuição da elocidade do en o. Po isso, a zona in e io da ilei a B so e bas an e com esse aspe o
Um ópico que ainda ca ece de abo dagem é o espaçamen o la e al (lado a lado) en e as u binas que
desempenha um papel c í ico na e iciência global do pa que eólico. Nas egiões onde as u binas es ão pouco
espaçadas la e almen e, os e ei os da es ei a sob epõem-se, le ando a uma edução cumula i a da elocidade
do en o pa a ambas as u binas em ques ão, como é o caso dos pa es de u binas 10 e 11, 8 e 9, 6 e 2.
Es e e ei o pode se is o com maio po meno na Figu a 5.19.
A
B
104
Figu a 5.19 - Vis a de pe spe i a do domínio que comp eende as u binas em análise pela sua elocidade
Tu binas com dis anciamen o o imizado
A Figu a 5.19 e ela uma is a la e al do campo de elocidade do a à medida que es e in e age com
duas u binas eólicas ( u bina 1 e u bina 2) enquan o lui sob e o e eno. A u bina 1 da imagem é a mesma
u bina u ilizada na simulação do subcapí ulo 5.1.
Quando o a a inge a p imei a u bina, há uma cla a diminuição da elocidade pe o do solo, mos ada
pela mudança de co es de ama elo pa a e de e azul como é a endência is a a é ago a. O a , que ol a a
acele a após a p imei a u bina, desacele a ao chega à segunda u bina, como indicado pela ansição de
co es de ama elo pa a e de e azul. No en an o, a u bina a jusan e p a icamen e não oi a e ada pela u bina
a mon an e de ido à colocação idealizada em e mos de dis ância. Como se pode obse a na Figu a 5.20,
ambos os discos a uado es êm pe is de elocidade semelhan es, o que lhes pe mi e ge a a mesma
quan idade de po ência, assumindo que a p imei a u bina não em qualque e ei o sob e a di eção do en o
que se ap oxima.
1
11
10
9
8
7
2
6
5
4
3
111
De salien a ambém que as u binas 1, 2, 3 e 6 não es ão a bene icia de um po encial eólico da
egião ão al o como as es an es, como se pode e pela co do con o no. No ap o ei amen o eólico, um
aumen o da elocidade média dos en os numa de e minada egião em uma consequência exponencial no
aumen o da p odução e ene gia a é aos 9 𝑚/𝑠, como se comp o a pela Figu a 5.3. Idealmen e, uma no a
localização se ia escolhida pa a melho capi aliza no in es imen o des as qua o u binas eólicas.
112
6. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Nes e capí ulo, se ão ap esen adas as p incipais conclusões e i adas ao longo do abalho e pe spe i as dos
abalhos u u os de o ma a melho a os modelos ap esen ados ao longo da disse ação.
6.1 Conclusões
Es a disse ação ap esen a uma análise dos e ei os do e eno e do en o no desempenho das u binas
eólicas com base no seu posicionamen o. U ilizando écnicas so is icadas de modelação da Dinâmica dos
Fluidos Compu acional (CFD), o nou-se possí el ep oduzi os luxos a mos é icos em e enos complexos e
a alia as suas in e ações com as u binas eólicas.
A análise da o ma como a opog a ia e o en o a e am as u binas eólicas endo em con a a sua
localização, p opo cionou conhecimen os subs an i os que podem unciona não só como um complemen o
pa a comp eende o p ocesso de modelação de um pa que eólico, como ambém cons i ui uma ajuda na
análise da iabilidade das in aes u u as de ene gia eólica. O obje i o p incipal des a disse ação oi a ingido
a a és do desen ol imen o de uma écnica com CFD que modela com p ecisão o luxo de a em o no de
uma u bina eólica. O modelo desen ol ido mos ou-se se adequado pa a p e e o luxo de en o com a
ajuda do so wa e ANSYS Fluen .
Fo am e e uadas ês simulações p incipais. A p imei a, oi ela i a ao escoamen o de a sob e uma
opog a ia complexa. Com base nas simulações e e uadas, obse ou-se que o modelo CFD inha a capacidade
de p e e com p ecisão o luxo do en o e a u bulência. Os esul ados da modelação e ela am dispa idades
subs anciais na elocidade e p essão ao longo da opog a ia, en a izando á eas de p essão ele ada e
diminuída que se alinham com egiões de acele ação e desacele ação do en o. Essas a iações são
essenciais pa a de e mina as posições mais a o á eis pa a as u binas, a im de maximiza a cap ação de
ene gia eólica e eduzi a ensão es u u al causada po luxos u bulen os.
De seguida, ealizou-se uma modelação da in e ação en e o luxo a mos é ico e uma u bina eólica
modelada como um disco a uado . O disco ap esen ou uma boa e icácia, ela i amen e ao seu cus o
compu acional, na ep esen ação exa a da in e ação en e o luxo de a e uma u bina eólica. Os esul ados
indica am que o desempenho da u bina oi di e amen e a e ado pela acele ação e ab andamen o do luxo
causado pela mo ologia aciden ada do e eno e que colocação es a égica de u binas em po enciam a
p odução de ene gia e aumen a o empo de ida das u binas.
A úl ima análise comp eendeu um conjun o de u binas eólicas e a aliou os impac os que ela em
en e de aco do com o e eno, com especial ên ase pa a a impo ância cha e que as in e ações do
escoamen o i e am pa a a e i esul ados. Os esul ados indica am que exis ia espaçamen o inadequado
113
en e algumas u binas p esen es, diminuindo assim a e iciência e o empo de ida da u bina. Po ou o lado,
exis iam u binas, an o na di eção la e al como na di eção on al, bem o imizadas que eduziu o impac o
nega i o da u bulência, assegu ando que cada u bina uncionasse num luxo que não pe u bado.
O posicionamen o de u binas eólicas em e enos com a iações subs anciais de ele ação exige uma
conside ação me iculosa dos e ei os da u bulência e das al e ações no luxo de en o local, al como indicado
pelos esul ados. Os esul ados suge em que as u binas colocadas a al i udes mais ele adas na paisagem,
longi udinalmen e em 11D e ans e salmen e em 3D en e elas são capazes de ap o ei a de o ma
o imizada o po encial eólico.
Além disso, a in es igação concluiu que o aumen o da dimensão dos diâme os dos o o es melho a
a capacidade de ap o ei amen o da ene gia em zonas com en os o es. No en an o, is o ambém eque a
u ilização de modelos in o má icos so is icados pa a p e e com p ecisão o desempenho e de e mina a
localização mais e icaz.
Po im, c emos que a p esen e disse ação con ibuiu pa a a comp eensão da in luência das condições
do e eno e do en o na e iciência das u binas eólicas. O conhecimen o adqui ido com as simulações CFD
o e ece uma base sólida pa a melho a as con igu ações dos pa ques eólicos, um aspe o c í ico no e o ço
da e icácia global de qualque domínio em es udo.
6.2 T abalhos u u os
No desen ol imen o do p esen e es udo o nou-se e iden e que a mo ologia aciden ada de um e eno
le an a desa ios pa a as es ima i as e modelação do po encial de um pa que eólico. Também, a ege ação,
de ido à sua excecional capacidade amo iza o impulso do en o, em um impac o no á el na colocação das
u binas eólicas. Rapidamen e se o nou cla o que a simulação exa a de ais ci cuns âncias es á longe de se
simples. Nes e p oje o, oi u ilizada apenas uma cons an e pa a ep esen a a ugosidade do e eno
mani es ada po odo o seu olume. A ealidade é que na na u eza não se e le e es a qualidade. Como
abalho u u o, se ia ele an e c ia um modelo que usasse uma ugosidade adap ada baseado no e eno e
que se ia um g ande a anço pa a uma modelação mais ealis a. Pa a ajuda nes a a e a, se ia ulc al o uso
inicial do so wa e FLORIS que é abo dado em maio comp eensão em 0 – Anexo 2.
Os e enos aciden ados, ca a e izados po um desní el com ele ado decli e pós u bina, ou seja, a
jusan e, c iam um ele ado del a de p essão e colocam um g ande desa io na cons ução de um pa que eólico.
A di e ença que p o oca o escoamen o in e so do a , ep esen a po assim dize um mo imen o ci cula em
que as pa ículas ol am a i ao encon o da u bina. Es e e ei o p o oca eno me desgas e e edução da
114
e iciência da u bina. Fu u amen e, se ia um ópico de ele ância pa a in es igação, analisa e calcula com
maio p ecisão a dimensão des e e ei o.
Como espe ado, não se encon ou qualque es udo p é io da zona pa a compa ação. Ce as
e i icações o na am-se mui o di íceis de comp o a com pa âme os analí icos de o ma a que exis iu a
necessidade de aze á ias co elações en e es udos. Num p óximo es udo, nes e mesmo domínio, pa i
des e pon o pode cons i ui um alice ce que nos pa ece bem consolidado e des a o ma o nece um
con ibu o pa a ajuda a p og edi mais apidamen e e minimiza os e os.
115
(Es a página oi in encionalmen e deixada em b anco)
116
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127
O o o é uma cons ução de ês pás, mon ado con a o en o da o e. A po ência de saída é
con olada po egulação da p ocu a de biná io. A elocidade do o o é a iá el e oi concebida pa a
maximiza a po ência de saída, man endo as ca gas e o ní el de uído.
A Nacelle oi concebida pa a pe mi i o acesso segu o a odos os pon os de manu enção du an e a
manu enção p og amada. Além disso, a Nacelle oi concebida pa a pe mi i a p esença segu a de écnicos
de se iço na Nacelle du an e os ensaios de se iço com a com a u bina eólica em pleno uncionamen o.
Is o pe mi e um se iço de al a qualidade da u bina eólica e p opo ciona ó imas condições de esolução de
p oblemas.
Pás
As pás da Siemens-Gamesa 5.X são ei as de componen es moldados po in usão de ib a de id o e
ca bono. A es u u a da lâmina usa cascas ae odinâmicas con endo capas de longa inas embu idas, ligadas
a dois componen es p incipais de epóxi- ib a de id o-balsa/espuma. As pás da Siemens-Gamesa 5.X u ilizam
um desenho de pás baseado em ae o ólios de p op iedade da SGRE.
Cubo do Ro o
O cubo do o o é undido em e o undido nodula e é mon ado no eixo de baixa elocidade do em
de o ça com uma conexão de lange.
O cubo é su icien emen e g ande pa a da espaço aos écnicos de assis ência du an e a manu enção
das aízes das pás e dos olamen os de passo a pa i do in e io da es u u a.
Unidade de ação
A unidade de ação é um concei o de suspensão de 4 pon os: eio p incipal com duas chumacei as
p incipais e a caixa de elocidades com dois b aços de biná io mon ados na es u u a p incipal. A caixa de
elocidades es á em posição can ile e ; o supo e plane á io da caixa de elocidades é mon ado no eio
p incipal po meio de uma jun a apa a usada com lange e supo a o eixo p incipal po meio de uma jun a
apa a usada com lange e supo a a caixa de elocidades.
Veio p incipal
O eio p incipal de baixa elocidade é o jado e ans e e o biná io do o o pa a a caixa de elocidades
e os momen os de lexão pa a a es u u a da cama a a és das chumacei as p incipais e das caixas de
chumacei as p incipais.
Rolamen os p incipais
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O eixo de baixa elocidade da u bina eólica é supo ado po dois olamen os de olos cónicos. Os
olamen os são lub i icados com massa.
Caixa de elocidades
A caixa de elocidades é do ipo de al a elocidade com 3 ases (2 plane á ias + 1 pa alela).
Ge ado
O ge ado é um ge ado i ásico assínc ono duplamen e alimen ado com um o o bobinado, ligado a
um con e so de equência PWM. O es a o e o o o do ge ado são ambos ei os de laminações magné icas
empilhadas e en olamen os o mados. O ge ado é a e ecido po a .
T a ão mecânico
O a ão mecânico es á ins alado na ex emidade não mo iz da caixa de elocidades.
Sis ema de guinada
Uma es u u a de base undida liga a unidade de ação à o e. O olamen o de guinada é um anel de
eng enagem ex e no de icção. Uma sé ie de mo o es elé icos de eng enagens plane á ias aciona a guinada.
Cobe u a da Nacelle
A p o eção con a in empé ies e o in óluc o à ol a da maquina ia na Nacelle são ei os de painéis
laminados e o çados com ib a de id o e o çados com ib a de id o.
To e
A u bina eólica é mon ada, de sé ie, numa o e ubula cónica de aço. Es ão disponí eis ou as
ecnologias de o e pa a al u as de cubo mais ele adas. A o e em subida in e na e acesso di e o ao sis ema
de guinada e à Nacelle. Es á equipada com pla a o mas e iluminação elé ica in e na.
Con olado
O con olado da u bina eólica é um con olado indus ial com mic op ocessado . O con olado é
comple o com disposi i os de comu ação e disposi i os de p o eção e é au o-diagnos icá el.
Con e so
Ligado di e amen e ao o o , o con e so de equência é um sis ema de con e são 4Q back o back
com 2 VSC num elo de co en e con ínua comum. O con e so de equência pe mi e o uncionamen o do
129
ge ado a elocidade e ensão a iá eis, enquan o o nece ene gia a uma equência e ensão cons an es ao
ans o mado de MT.
SCADA
A u bina eólica pe mi e a ligação ao sis ema SCADA do SGRE. Es e sis ema o e ece con olo emo o
e uma a iedade de isualizações de es ado e ela ó ios ú eis a pa i de um b owse de In e ne no mal. As
isualizações de es ado ap esen am in o mações incluindo dados elé icos e mecânicos, es ado de
uncionamen o e a a ias, dados me eo ológicos e dados da es ação de ede.
Moni o ização do es ado da u bina
Pa a além do sis ema SCADA da SGRE, a u bina eólica pode se equipada com a con igu ação única
de moni o ização do es ado da SGRE. Es e sis ema moni o iza o ní el de ib ação dos componen es p incipais
e compa a os espec os de ib ação a uais com um conjun o de espec os de e e ência es abelecidos. A
e isão dos esul ados, a análise de alhada e a ep og amação podem se e e uadas a a és de um na egado
Web no mal.
Sis emas de uncionamen o
A u bina eólica unciona au oma icamen e. O seu a anque é au omá ico quando o biná io
ae odinâmico a inge um de e minado alo . Abaixo da elocidade nominal do en o, o con olado da u bina
eólica ixa as e e ências de passo e biná io pa a unciona no pon o ae odinâmico ó imo (p odução máxima),
endo em con a a capacidade do ge ado . Quando a elocidade nominal do en o.
Quando a elocidade nominal do en o é ul apassada, a exigência da posição do passo é ajus ada
pa a man e uma p odução de ene gia es á el igual ao alo nominal.
Se o modo de en o o e o a i ado, a p odução de ene gia é limi ada quando a elocidade do en o
excede um alo limia de inido pelo p oje o, a é que o co e seja e e uado e a u bina eólica deixe de p oduzi
ene gia.
Se a elocidade média do en o excede o limi e ope acional máximo, a u bina eólica é desligada
a a és do lançamen o das pás. Quando a elocidade média do en o desce abaixo da elocidade média de
einício, os sis emas einiciam-se au oma icamen e.
Análise de Con iabilidade e Manu enção
A u bina SG 6.6-170 es á equipada com senso es a ançados pa a moni o amen o con ínuo da
condição dos componen es c í icos. O sis ema de manu enção p edi i a u iliza dados de senso es pa a p e e
alhas an es que oco am, minimizando o empo de ina i idade e os cus os de epa o.
130
Manu enção Ro inei a: Inclui inspeções isuais, e i icação de ape o de pa a usos, e lub i icação de
componen es c í icos a cada seis meses.
Manu enção P e en i a: Subs i uição de componen es desgas ados ou p óximos ao im de sua ida
ú il, ge almen e ealizada anualmen e.
Manu enção Co e i a: In e enção imedia a em caso de alhas inespe adas, com supo e écnico da
Siemens-Gamesa disponí el 24/7.
Impac o Ambien al
A u bina SG 6.6-170 con ibui signi ica i amen e pa a a edução das emissões de CO2, ao subs i ui
on es de ene gia baseadas em combus í eis ósseis. Com uma capacidade de 6.6 MW, uma única u bina
pode ge a ele icidade su icien e pa a abas ece ap oximadamen e 5.000 esidências, e i ando a emissão
de milha es de oneladas de CO2 anualmen e.
O ní el de uído máximo de 106 dBA é ge ido a a és de design ae odinâmico das pás e isolamen o
acús ico na Nacelle, ga an indo a con o midade com as no mas ambien ais e a minimização do impac o
sono o nas comunidades p óximas.
A Siemens Gamesa implemen a medidas pa a mi iga o impac o na ida sel agem, incluindo es udos
de impac o ambien al e a adoção de p á icas de ins alação que p o ejam a auna local.
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Anexo 2 – So wa e FLORIS (NREL)
FLORIS (FLOw Redi ec ion and Induc ion in S eady-s a e) é um
so wa e
a ançado de simulação de
pa ques eólicos, desen ol ido pa a modela e o imiza o desempenho de u binas eólicas em um pa que.
U ilizando modelos de es ei a adequado pa a a u bina SG 170-6.6, o FLORIS p opo cionou uma es u u a
em Py hon especialmen e ocada na pe o mance e apidez de cálculo, pe mi indo a análise de alhada e a
o imização do posicionamen o das u binas eólicas em jogo.
Funcionalidades do FLORIS
1. Modelagem de Es ei a (Wake Modeling)
• Modelo JENSEN: Um dos modelos de es ei a mais u ilizados, que es ima a edução de
elocidade e a expansão da es ei a à medida que o en o passa pelas u binas.
• Modelos A ançados: Incluem opções pa a modela o compo amen o da es ei a com maio
p ecisão, le ando em conside ação e ei os de u bulência e in e ações en e múl iplas
u binas.
2. O imização de Ângulo de Yaw:
• Yaw Misalignmen : A capacidade de ajus a o ângulo de
yaw
das u binas pa a edi eciona o
luxo de en o, minimizando a in e e ência de es ei a en e as u binas e maximizando a
p odução de ene gia do pa que como um odo.
• Redução de Tu bulência: A a és da a iação do
yaw
, é possí el diminui a u bulência nas
es ei as, melho ando a e iciência e a ida ú il das u binas.
3. Simulação de Cená ios:
• Cená ios de Ven o: Possibilidade de simula di e en es condições de en o, ajus ando
pa âme os como elocidade e di eção pa a analisa o desempenho do pa que sob a iadas
si uações.
• Con igu ações de Pa ques: Tes e de di e en es layou s e espaçamen os en e u binas pa a
iden i ica a con igu ação mais e icien e.
Resul ados das Simulações com FLORIS
Os esul ados ob idos a a és de es e com o FLORIS incluem á ias análises g á icas e esquemá icas
que ilus am o compo amen o das es ei as e a pe o mance de uma u bina, á ias ou a é mesmo do pa que
sob di e en es condições.
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1 Modelagem de Es ei a
Compa ação de Modelos de Tu bulência do Ven o e Pe o mance da Tu bina Eólica
Nes e pon o ap esen a-se uma compa ação de ês cená ios dis in os de modelagem de u bulência
do en o u ilizando di e en es abo dagens Gaussianas com o obje i o de analisa o impac o nas u binas
eólicas: (1) Cu a Gaussiana Híb ida, (2) Cu a Gaussiana Acumula i a e (3) Di e ença en e os dois modelos.
Cená io 1: Cu a Gaussiana Híb ida
A Cu a Gaussiana Híb ida combina elemen os de di e en es modelos Gaussianos pa a uma
ep esen ação mais p ecisa da u bulência do en o. Es e modelo conside a a iá eis como a di eção e a
in ensidade do en o, ajus ando a cu a pa a e le i a iações complexas.
Ca ac e ís icas que a de e minam são a al a p ecisão na modelagem da dis ibuição de u bulência e
se ajus á el pa a di e en es condições de en o.
Cená io 2: Cu a Gaussiana Acumula i a
A Cu a Gaussiana Acumula i a u iliza a soma das dis ibuições Gaussianas pa a ep esen a a
u bulência do en o. Es e modelo o e ece uma isão média acumulada ao longo do empo ou espaço.
Ca ac e ís icas que a de e minam são a implemen ação e in e p e ação áceis, ep esen ação mais
sua e e es á el da u bulência.
Cená io 3: Di e ença en e os Modelos
133
A compa ação en e os modelos Gaussiano Híb ido e Acumula i o des aca a iações e disc epâncias
na ep esen ação da u bulência do en o.
Pode-se des aca que o modelo híb ido o e ece maio de alhamen o, enquan o o acumula i o
ap esen a uma isão mais es á el. Já em e mos de a iações locais o modelo híb ido de e a-as mais
acilmen e enquan o o acumula i o sua iza-as.
A escolha en e a Cu a Gaussiana Híb ida e a Cu a Gaussiana Acumula i a depende das
necessidades especí icas do p oje o. O modelo híb ido o e ece maio de alhamen o e é ideal pa a o imizações
p ecisas, enquan o o modelo acumula i o p opo ciona uma isão ge al es á el, acili ando o planejamen o
es a égico. Compa a as di e enças en e os modelos é essencial pa a maximiza a e iciência e a p odução
de ene gia dos pa ques eólicos, con o me ei e ado na li e a u a.
2 O imização de Ângulo de Yaw
Es e es e oca nas a iações do ângulo de YAW e suas consequências di e as na pe da de po ência
das u binas eólicas. Di e en es ângulos o am es ados pa a obse a como a o ien ação da u bina em
elação à di eção do en o impac a na p odução de ene gia.
Conclusões do Segundo Tes e
Os esul ados mos am que há uma elação cla a en e o ângulo de YAW e a e iciência na ge ação de
ene gia. Ângulos de YAW desajus ados em elação à di eção do en o esul am em pe das signi ica i as de
po ência, de ido à diminuição da quan idade de ene gia cap u ada pelo o o da u bina. No en an o, ângulos
de YAW o imizados podem minimiza essas pe das e melho a a p odução de ene gia.
Compa ação das Qua o Figu as no Segundo Tes e:
As igu as ap esen adas no Tes e 5 ilus am di e en es cená ios de ângulos de YAW e suas
consequências na p odução de po ência:
Figu a 1: Mos a a po ência ge ada com um ângulo de YAW alinhado com a di eção do en o,
e idenciando máxima e iciência ene gé ica.
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Figu a 2: Ap esen a um pequeno des io no ângulo de YAW, esul ando em uma le e diminuição na
po ência ge ada.
Figu a 3: Ilus a um des io mode ado no ângulo de YAW, com uma edução signi ica i a na po ência.
Figu a 4: Demons a um g ande des io no ângulo de YAW, esul ando em pe das máximas de
po ência de ido à o ien ação inadequada em elação ao en o.
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A análise compa a i a das igu as con i ma que o alinhamen o p eciso do YAW é c ucial pa a maximiza
a e iciência ene gé ica das u binas.
Es as conclusões são aliosas pa a o desen ol imen o de es a égias de con ole a ançado de YAW,
que podem se implemen adas em sis emas de moni o amen o e ope ação de u binas eólicas pa a melho a
a e iciência ene gé ica e a du abilidade das ins alações eólicas.
Enquan o es e es e explici a a edução da u bulência a a és da a iação do YAW, o p óximo es e ai
des aca o impac o di e o dessas a iações na p odução de ene gia.
3 Simulação de Cená ios
Nes e es e o obje i o p incipal é a alia como a a iação do ângulo de YAW pode in luencia na
diminuição da u bulência ge ada no wake de uma u bina eólica, u ilizando o modelo de Jensen. O modelo
de Jensen é amplamen e u ilizado pa a es ima a dis ibuição da elocidade do en o e a ex ensão da
u bulência no as o das u binas. A me odologia en ol eu a al e ação sis emá ica do ângulo de YAW e a
subsequen e medição das mudanças na in ensidade da u bulência.
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Os esul ados indicam que ajus es no ângulo de YAW podem e e i amen e eduzi a u bulência no
as o da u bina. Especi icamen e, ângulos de YAW mais ele ados des iam o as o da u bina, diminuindo
a in ensidade da u bulência em á eas c í icas, o que pode bene icia ou as u binas ins aladas a jusan e. A
edução da u bulência pode le a a um aumen o na e iciência global do pa que eólico, minimizando as
pe das de ene gia e p olongando a ida ú il das u binas.
Código u ilizado pa a c ia as simulações de es ei a no FLORIS
A secção seguin e ap esen a uma coleção ab angen e de do código e unções que demons am como u iliza
o FLORIS. Es as implemen ações ab angem uma sé ie de a e as, desde a con igu ação da disposição do
pa que eólico e a de inição das condições e p opo ções da u bina a é ao cálculo dos e ei os de es ei a e à
o imização do desempenho da u bina.
Ao explo a es es exemplos de código, pode -se-á ob e in o mações sob e:
• Simula e ei os de es ei a sob di e en es condições de en o;
• Cálculo da po ência de saída e das pe das de es ei a no pa que eólico;
• O imização dos ângulos de guinada da u bina pa a a di eção da es ei a;
