Efeitos do terreno e do vento na colocação de turbinas eólicas
Abstract
Nesta dissertação pretende-se realizar uma análise abrangente dos efeitos do terreno e do vento no posicionamento de turbinas eólicas, com o objetivo de compreender o seu impacto. O desempenho das turbinas eólicas é grandemente afetado pela topografia e pelas condições de vento do local de instalação. A produção ótima de energia é significativamente prejudicada pelas flutuações imprevisíveis da velocidade e direção do vento em terrenos complicados. Tendo em conta estas dificuldades, existe uma forte necessidade de uma investigação aprofundada para compreender a interação entre as características do terreno e o comportamento do vento. A Dinâmica de Fluidos Computacional é um método altamente avançado utilizado para simular e avaliar os fluxos de vento em paisagens complexas. Isto permite previsões do desempenho das turbinas eólicas em diferentes condições. Este estudo utiliza simulações de dinâmica de fluidos computacional com o software ANSYS Fluent para simular os fluxos de ar e avaliar os seus efeitos nas turbinas eólicas. O ímpeto para este trabalho é também aumentado pelas vantagens prospetivas de melhorar os procedimentos de implantação de turbinas eólicas através do processo de otimização da colocação das turbinas. Além disso tem-se como objetivo fornecer uma análise abrangente do impacto de várias características do terreno e das condições do vento no desempenho da turbina.
Full text
Universidade do Minho Escola de Engenharia Guilherme Manuel Ferreira Miranda Faria Efeitos do terreno e do vento na colocação de turbinas eólicas Julho de 2024
Universidade do Minho Escola de Engenharia Guilherme Manuel Ferreira Miranda Faria Efeitos do terreno e do vento na colocação de turbinas eólicas Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Mecânica Trabalho efetuado sob a orientação do: Professor Doutor Eurico Augusto Seabra Julho de 2024
ii Direitos de Autor e Condições de Utilização do Trabalho por Terceiros Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
iii AGRADECIMENTOS Inicio os agradecimentos por recordar que este trabalho tem uma longa história que, por vezes, me pareceu interminável. Na verdade, procurei que o mestrado constituísse um facto muito relevante no momento final da licenciatura, que justifica em parte o estender de prazos. Apesar da dissertação de mestrado constituir um momento de trabalho individual, salvaguardo que o desafio foi ultrapassado com o apoio e colaboração de diversas pessoas que merecem ser reconhecidas com profundo sentido de gratidão sincera. Em primeiro lugar, quero agradecer ao meu orientador, Professor Doutor Eurico Augusto Seabra, pela orientação – exemplar, paciente e rigorosa ao longo de todo o percurso. Em cada palavra redescobri o sentido e a direção para continuar. Professor, muitíssimo obrigado! À Universidade do Minho e à Escola de Engenharia, agradeço aos docentes e aos meus colegas por também fazerem parte deste percurso. Este estudo nasceu no âmbito do estágio INOV Contacto, para o qual fui selecionado em 2023. A sorte ditou que estagiaria na empresa Quinto Energy, em Salvador da Bahia, no Brasil. Foi decisivo o contexto, foi decisivo o desafio para investigar pela primeira vez sobre energias eólicas. Cabe-me por isso agradecer a todos os colaboradores da empresa, em especial aos engenheiros Hugo Pádua e Matheus Bacelar pelo acolhimento e pela sua ajuda. Em Salvador, não poderia deixar de nomear a amizade incondicional da amiga de família, a Doutora Tânia Maria Hetkowski, juntamente com a sua família. Foi a minha segunda mãe que me acolheu e que quero aqui agradecer com um abraço maternal. Nestes agradecimentos não poderia esquecer a minha família que viveu tão intensamente este projeto quanto eu. Senti a minha irmã, a minha mãe e o meu pai sentados ao meu lado a dizer-me que precisamos de nos superar todos os dias para passar no teste. E assim fiz: acreditei no que me diziam e, mesmo que a distância, estiveram sempre comigo. Por isso, sinto-me hoje muito, muito feliz. Da família, faz também parte o Nico que, sem perceber por que passaria tantas horas sentado a olhar para o computador mudo, olhou-me sempre com ar expectante de que “logo vamos ao parque”.
iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho.
v Efeitos do terreno e do vento na colocação de turbinas eólicas RESUMO Nesta dissertação pretende-se realizar uma análise abrangente dos efeitos do terreno e do vento no posicionamento de turbinas eólicas, com o objetivo de compreender o seu impacto. O desempenho das turbinas eólicas é grandemente afetado pela topografia e pelas condições de vento do local de instalação. A produção ótima de energia é significativamente prejudicada pelas flutuações imprevisíveis da velocidade e direção do vento em terrenos complicados. Tendo em conta estas dificuldades, existe uma forte necessidade de uma investigação aprofundada para compreender a interação entre as características do terreno e o comportamento do vento. A Dinâmica de Fluidos Computacional é um método altamente avançado utilizado para simular e avaliar os fluxos de vento em paisagens complexas. Isto permite previsões do desempenho das turbinas eólicas em diferentes condições. Este estudo utiliza simulações de dinâmica de fluidos computacional com o software ANSYS Fluent para simular os fluxos de ar e avaliar os seus efeitos nas turbinas eólicas. O ímpeto para este trabalho é também aumentado pelas vantagens prospetivas de melhorar os procedimentos de implantação de turbinas eólicas através do processo de otimização da colocação das turbinas. Além disso tem-se como objetivo fornecer uma análise abrangente do impacto de várias características do terreno e das condições do vento no desempenho da turbina. Palavras-Chave: Energia Eólica, CFD, Ansys Fluent, Impacto do Terreno; Condições do Vento.
vi Effects of terrain and wind on the placement of wind turbines ABSTRACT This dissertation aims to carry out a comprehensive analysis of the effects of terrain and wind on the positioning of wind turbines, with the aim of understanding their impact. The performance of wind turbines is greatly affected by the topography and wind conditions of the installation site. Optimum energy production is significantly hampered by unpredictable fluctuations in wind speed and direction in complicated terrain. Given these difficulties, there is a strong need for in-depth research to understand the interaction between terrain features and wind behavior. Computational Fluid Dynamics is a highly advanced method used to simulate and evaluate wind flows in complex landscapes. This allows predictions of wind turbine performance under different conditions. This study uses computational fluid dynamics simulations with ANSYS Fluent software to simulate air flows and evaluate their effects on wind turbines. The impetus for this work is also increased by the prospective advantages of improving wind turbine deployment procedures through the process of optimizing turbine placement. It also aims to provide a comprehensive analysis of the impact of various terrain features and wind conditions on turbine performance. This dissertation aims to carry out a comprehensive analysis of the effects of terrain and wind on the positioning of wind turbines, with the aim of understanding their impact. The performance of wind turbines is greatly affected by the topography and wind conditions of the installation site. Optimum energy production is significantly hampered by unpredictable fluctuations in wind speed and direction in complicated terrain. Keywords: Wind Energy, CFD, Ansys Fluent, Terrain Impact; Wind Conditions.
vii ÍNDICE Agradecimentos......................................................................................................................................... iii Resumo ..................................................................................................................................................... v Abstract .................................................................................................................................................... vi Índice ....................................................................................................................................................... vii Índice de Figuras ........................................................................................................................................ x Índice de Tabelas .................................................................................................................................... xiii Lista de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos ................................................................................................ xiv Lista dos Símbolos ................................................................................................................................... xv 1. Introdução ....................................................................................................................................... 17 1.1 Definição do Problema ..................................................................................................... 17 1.2 Objetivos ......................................................................................................................... 18 1.3 Enquadramento do trabalho ............................................................................................ 18 1.4 Estrutura da dissertação .................................................................................................. 19 2. Revisão da literatura do comportamento do vento e turbinas eólicas ................................................. 21 2.1 História e antecedentes .................................................................................................. 21 2.2 Energia do vento e suas caraterísticas .............................................................................. 22 Definição de vento ................................................................................................... 22 Potência eólica ........................................................................................................ 23 Velocidade do Vento ................................................................................................ 28 Turbulência do vento ............................................................................................... 30 Rajadas de vento ..................................................................................................... 31 Direção do vento ..................................................................................................... 32 Efeito de cisalhamento do vento ............................................................................... 34 2.3 Turbinas eólicas modernas .............................................................................................. 35 Principais componentes ........................................................................................... 35 Aerodinâmica da turbina eólica ................................................................................ 36 Eficiência na extração da potência eólica .................................................................. 39 Limite de Lanchester-Betz ........................................................................................ 39 Controlos da turbina eólica ...................................................................................... 42
viii 2.4 Vantagens do aproveitamento do potencial eólico ............................................................. 43 2.5 Dinâmica de Fluidos Computacional ................................................................................ 44 Média de Reynolds da Equação de NavierStokes .................................................... 45 2.6 Softwares de modelação e simulação ............................................................................... 48 3. Metodologias consideradas no trabalho ............................................................................................ 50 3.1 Comportamento do vento ................................................................................................ 50 3.2 Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD)....................................................................... 50 Equações governantes da dinâmica dos fluidos ........................................................ 52 Método dos Volumes Finitos .................................................................................... 54 3.3 Modelação da Turbulência ............................................................................................... 54 Subdivisões do RANS ............................................................................................... 55 Propriedades do “Solver” ......................................................................................... 58 3.4 ABL (Atmosferic Boundary Layer) ..................................................................................... 60 3.5 Condições de fronteira ..................................................................................................... 62 3.6 Diferentes técnicas de modelação do disco atuador ......................................................... 63 4. Apresentação e estudo do caso prático ............................................................................................ 64 4.1 Contextualização do problema ......................................................................................... 64 4.2 Abordagem do problema do parque eólico ....................................................................... 66 4.3 Implementação e validação do terreno ............................................................................. 67 Aquisição dos dados do terreno ............................................................................... 67 Modelação com os dados topográficos ..................................................................... 68 Criação da malha .................................................................................................... 71 Introdução do Ansys Fluent ...................................................................................... 76 Análise de Resultados .............................................................................................. 79 5. Estudo detalhado das turbinas eólicas no terreno ............................................................................. 88 5.1 Implementação e validação de uma turbina eólica no terreno ........................................... 88 Modelação da interação da turbina eólica com o vento ............................................. 88 Criação da malha .................................................................................................... 93 Ansys Fluent ............................................................................................................ 94 Análise de Resultados .............................................................................................. 97
xv LISTA DOS SÍMBOLOS Símbolo Nome do símbolo Unidade α Ângulo de ataque graus (°) β Ângulo de inclinação graus (°) γ Taxa de cisalhamento 1/s δ Espessura da camada limite m ϵ Taxa de dissipação de turbulência m²/s³ θ Ângulo de azimute graus (°) κ constante de von Kármán adimensional λ Comprimento de onda m μ Viscosidade dinâmica Pa-s ν Viscosidade cinemática m²/s ρ Densidade kg/m³ σ Stress Pa τ Tensão de cisalhamento Pa ϕ Função potencial m²/s² ψ Função de fluxo m²/s ω Taxa de dissipação específica 1/s p Pressão Pa T Impulso N v Velocidade do vento m/s
xvi P Potência W A Área m² V Volume m³ g Aceleração devido à gravidade m/s² z Altura m Cp Coeficiente de potência adimensional η Eficiência adimensional a Fator de indução axial adimensional ξ Coordenar a direção adimensional R Raio do rotor m Ct Coeficiente de impulso adimensional Λ Rácio de velocidade da ponta adimensional Ω Velocidade angular rad/s ΔP Diferença de pressão Pa
17 1. INTRODUÇÃO Nos subcapítulos seguintes, exploramos em profundidade os elementos fundamentais que constituem o cerne desta investigação sobre a otimização do posicionamento de turbinas eólicas em terrenos complexos. Na "Definição do Problema" (1.1), delineamos os desafios críticos enfrentados pelos projetos de energia eólica, com ênfase na imprevisibilidade do vento e do seu impacto no desempenho e longevidade das turbinas. Esta secção estabelece a base para compreender a complexidade inerente à otimização da colocação de turbinas eólicas. Em "Objetivos" (1.2), apresentamos o propósito central desta dissertação: investigar minuciosamente os efeitos do terreno e do vento no desempenho das turbinas eólicas. Detalhamos a abordagem metodológica, incluindo o desenvolvimento de um modelo robusto de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) utilizando o ANSYS Fluent, e a aplicação das equações de Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) acopladas ao modelo de turbulência SST k-ω. O "Enquadramento do trabalho" (1.3) oferece uma visão geral da estrutura da investigação, delineando as três simulações principais que formam o núcleo do estudo: o escoamento atmosférico sobre terreno acidentado, a interação entre o fluxo atmosférico e uma turbina eólica, e as interações entre múltiplas turbinas eólicas. Por fim, a "Estrutura da dissertação" (1.4) proporciona um roteiro detalhado dos capítulos subsequentes, oferecendo ao leitor uma compreensão clara da organização e do conteúdo da tese, desde a revisão da literatura até as conclusões e propostas para trabalhos futuros. Estas secções, em conjunto, estabelecem o contexto, os objetivos e a abordagem metodológica que guiarão o leitor através desta investigação abrangente sobre a otimização de parques eólicos em terrenos complexos. 1.1 Definição do Problema A rápida expansão da energia eólica como fonte de energia sustentável e renovável realça, cada vez mais, a importância de otimizar a colocação das turbinas eólicas. Os projetos de energia eólica enfrentam numerosos desafios devido a vários fatores, particularmente da imprevisibilidade inerente ao vento, que afeta significativamente o desempenho e a longevidade das turbinas. O cálculo da energia eólica acessível depende da compreensão da frequência e da duração de várias velocidades do vento, que podem ser determinadas através de medições reais ou de modelação estatística. A carga mecânica flutuante resultante das condições variáveis do vento leva a um maior desgaste dos componentes críticos da turbina, tornando as turbinas
18 suscetíveis a falhas por fadiga. Além disso, a eficiência das turbinas eólicas está intimamente ligada à sua capacidade de converter consistentemente a energia eólica em energia elétrica, o que é ainda influenciado pelo seu posicionamento num parque eólico em relação à morfologia do terreno e às condições de vento predominantes. 1.2 Objetivos Esta dissertação de mestrado tem como objetivo central investigar os efeitos do terreno e do vento no desempenho das turbinas eólicas, considerados fatores relevantes no seu posicionamento dentro de um parque eólico. Neste contexto, pretende-se desenvolver um modelo robusto de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) utilizando o ANSYS Fluent para simular escoamentos atmosféricos sobre terrenos acidentados e através de turbinas eólicas. Empregando as equações de Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), acopladas ao modelo de turbulência SST k-ω, este estudo procura prever com precisão os padrões de fluxo de vento e turbulência, fornecendo informações relevantes sobre otimização estratégica de colocação de turbinas. Para aqui chegar, analisaram-se primeiro os modelos de turbina atualmente utilizados e estudados na literatura especializada, a que se seguiu a sua integração em software CFD, gerando criação de um modelo do terreno e de atmosfera que retrate com fiabilidade a zona em estudo; outro passo relevante para o estudo teve que ver com as interações do campo de escoamento aerodinâmico entre múltiplas formas de posicionamento das turbinas eólicas no terreno. 1.3 Enquadramento do trabalho O âmbito deste estudo engloba uma análise do desempenho das turbinas eólicas considerando as variações do fluxo de vento induzidas pelo terreno. Assim, a presente investigação está estruturada em torno de três simulações principais: • Escoamento atmosférico sobre terreno acidentado O âmbito deste estudo tem como objetivo modelar o comportamento do fluxo atmosférico em terrenos acidentados ou irregulares. A par disso, pretende identificar as regiões de alta e baixa pressão e a velocidade a que corresponde às zonas de aceleração e desaceleração do vento. Estes resultados ajudam a tomar as decisões quanto ao local para instalação de turbinas eólicas, tendo sempre presente o fim de otimizar a captação de energia do vento e minimizar o dispêndio de recursos e cargas estruturais desnecessárias.
19 • Interação entre o fluxo atmosférico e uma turbina eólica Esta parte do estudo centra-se na modelação da interação entre o fluxo atmosférico e uma turbina eólica utilizando o modelo do disco atuador. Neste âmbito, o objetivo será avaliar a forma de como as variações da velocidade e da direção do vento induzidas pelo terreno afetam o desempenho da turbina. Ao mesmo tempo, procuram-se informações sobre a colocação estratégica das turbinas em regiões com terreno acidentado com o intuito de aumentar a produção de energia e a vida útil da turbina. • Turbinas eólicas múltiplas e interações de esteira A simulação final examina os efeitos da colocação de múltiplas turbinas eólicas, concentrando-se particularmente nas interações da esteira. Ao analisar os impactos de diferentes configurações de espaçamento entre turbinas, este estudo visa identificar as distâncias laterais e longitudinais, procurando a sua otimização na implementação no sentido de minimizar a interferência da esteira e alcançar a máxima eficiência global. No âmbito destes objetivos, este estudo procura contribuir para fornecer um conjunto de conhecimentos e soluções sobre a otimização de processos na construção de parques eólicos. Os resultados do estudo pretendem fornecer orientações práticas para a colocação estratégica de turbinas eólicas em terrenos acidentados e com uma morfologia complexa, melhorando, em última análise, o desempenho, a fiabilidade e a viabilidade económica dos sistemas de energia eólica. Esta investigação destaca, por fim, o papel fundamental da modelação CFD avançada na compreensão e mitigação dos desafios associados ao posicionamento das turbinas eólicas, apoiando assim o desenvolvimento de parques eólicos mais eficientes e sustentáveis. 1.4 Estrutura da dissertação Nesta dissertação, a estrutura foi organizada de forma a abordar de maneira abrangente e detalhada os diversos aspetos relacionados ao desempenho das turbinas eólicas em terrenos acidentados, com ênfase na modelagem computacional e na otimização do posicionamento das turbinas. A seguir, é apresentada uma visão geral de cada capítulo. O Capítulo 2 proporciona uma revisão abrangente da literatura, oferecendo um contexto histórico e técnico sobre a energia eólica. Primeiramente, são discutidos a história e os antecedentes da energia eólica, abordando sua evolução ao longo do tempo. Em seguida, exploram-se as características do vento, incluindo definição, potência, velocidade, turbulência, rajadas, direção e efeito de cisalhamento. Esta secção também descreve as turbinas eólicas modernas, destacando seus principais componentes, aerodinâmica, eficiência
20 na extração da potência eólica, limite de Lanchester-Betz e controles. Adicionalmente, são discutidas as vantagens do aproveitamento do potencial eólico e a dinâmica de fluidos computacional, incluindo a média de Reynolds da Equação de Navier-Stokes. Por fim, são apresentados os softwares de modelação e simulação utilizados no estudo. O Capítulo 3 detalham-se as metodologias empregadas na investigação. Inicialmente, discute-se o comportamento do vento, seguido por uma descrição da dinâmica de fluidos computacional (CFD), incluindo as equações governantes e o método dos volumes finitos. A modelação da turbulência é abordada, com ênfase nas subdivisões do RANS e nas propriedades do “Solver”. Também são explorados a camada limite atmosférica (ABL) e as condições de fronteira. Este capítulo conclui com uma análise das diferentes técnicas de modelação do disco atuador. No Capítulo 4 apresenta-se o caso prático que serve como base para a aplicação das metodologias discutidas. Primeiramente, contextualiza-se o problema do parque eólico, descrevendo a abordagem adotada. Em seguida, aborda-se a implementação e validação do terreno, incluindo a aquisição dos dados topográficos, modelação, criação da malha, introdução do Ansys Fluent e análise de resultados. O Capítulo 5 foca-se no estudo detalhado das turbinas eólicas no terreno. Na primeira parte do capítulo, aborda-se implementação e validação de uma turbina eólica específica, abordando a modelação da interação da turbina com o vento, a criação da malha, o uso do Ansys Fluent e a análise dos resultados. Na segunda parte, examina-se a implementação e validação de várias turbinas eólicas no parque eólico, discutindo a configuração do parque, a criação da malha e a análise e extrapolação dos resultados. O Capítulo 6 apresenta-se as conclusões do estudo, sintetizando os principais achados e implicações da pesquisa. Além disso, são propostas sugestões para trabalhos futuros, propondo áreas de investigação neste domínio do conhecimento no sentido de fornecer orientações relativas à otimização de parques eólicos em terrenos complexos.
21 2. REVISÃO DA LITERATURA DO COMPORTAMENTO DO VENTO E TURBINAS EÓLICAS No presente capítulo descreve-se o processo de revisão de literatura efetuado no âmbito da modulação do comportamento do vento no contacto com uma turbina eólica. 2.1 História e antecedentes Embora não seja possível datar com exatidão quando começou a ser feita a utilização do vento enquanto fonte de energia, estima-se que a história da sua utilização terá tido início através do recurso a cataventos para triturar cereais, bombear água ou auxiliar embarcações no transporte de mercadorias e que tenha ocorrido há mais de 3 mil anos [1]. A Figura 2.1 é ilustrativa da utilização do vento em diferentes períodos do desenvolvimento da História da Humanidade, ilustrando quatro tipos de geradores eólicos organizados por antiguidade da esquerda para a direita: Figura 2.1 - Demonstração ilustrativa dos períodos de tempo dos respetivos períodos de desenvolvimento (1890-1930-1960-1973) [2] . Com o desenvolvimento civilizacional patente nos avanços científicos, económicos e industriais, o vento foi utilizado de forma cada vez mais eficiente. Contudo, a energia eólica tomou um papel menos relevante à medida que em foram descobertas formas mais eficientes e rentáveis nas mais diversas atividades da atividade humana. No que diz respeito ao desenvolvimento histórico do uso do vento como fonte de energia, os últimos períodos tiveram impactos muito significativo na sociedade. De 600 a 1890, é descrito como o Período Clássico. Os moinhos de vento clássicos eram utilizados para acionamentos mecânicos. Estima-se que os noroestes da Europa funcionavam mais de cem mil moinhos de vento. no Este período áureo teve um decréscimo abrupto após a invenção da máquina a vapor, tendo em conta a abundância de recursos de madeira e carvão [3].
22 O final do século XIX marca o surgimento das turbinas eólicas geradoras de eletricidade. O desenvolvimento da eletricidade, como fonte de energia acessível a todos, levou à utilização de moinhos de vento como um meio suplementar de produção de eletricidade, que se encontra assocaida.ao início da integração da teoria aerodinâmica no projeto designado por pás de rotor. O desenvolvimento de ferramentas aerodinâmicas melhorou significativamente durante este período, tendo terminado. devido à disponibilidade e preço mais barato do petróleo [4]. A data de 1930 está fortemente ligada à necessidade de eletrificação rural. Ao mesmo tempo, a escassez de energia provocada pela Segunda Guerra Mundial, que se inicia ainda nesta década, provocou novos avanços tecnológicos relativamente à área específica da energia eólica [5] A segunda fase da inovação envolve a comercialização de tecnologia para enfrentar os desafios da crise energética e de questões relacionadas com o ambiente. Este avanço permitiu a produção de eletricidade em larga escala e o desenvolvimento do hidrogénio como alternativa aos combustíveis fósseis, como o gás natural ou o carvão. Se, durante o período clássico, os moinhos de vento, conhecidos como "dispositivos eólicos", foram utilizados para converter a energia cinética do vento em energia mecânica, na segunda metade do séc. XIX, os conhecimentos científicos e empíricos permitiram novas utilizações. Concretamente, a invenção e aplicação de geradores de eletricidade, incluindo geradores de corrente contínua e alternada, permitiu o abastecimento público de energia: Por sua vez, as turbinas eólicas foram utilizadas para a produção de eletricidade. Esta evolução teve um impacto significativo no desenvolvimento de prosperidade económica significativa após a crise energética de 1973 [4][6]. 2.2 Energia do vento e suas caraterísticas Neste subcapítulo abordam-se as principais caraterísticas do vento com intuito de compreender o seu impacto na análise geral do comportamento da turbina eólica. Definição de vento O vento é uma forma de ar atmosférico em movimento, que se encontra amplamente distribuído e representa um dos elementos físicos fundamentais do meio ambiente. Dependendo da velocidade do fluxo de ar, o vento pode ser delicado e intangível, por vezes, silencioso e invisível a olho nu, ou tempestuoso. Pelo contrário, pode ser uma força implacável, provocadora de intempéries naturais com forte impacto na ordem natural das coisas. A força do vento é definida pela velocidade do fluxo de ar, que está diretamente relacionada com a quantidade de energia mecânica presente no mesmo, ou seja, a sua energia cinética. No entanto, a fonte de
23 energia do vento é a radiação solar [7]. A radiação eletromagnética do sol aquece de forma desigual a superfície da Terra, com um calor mais forte nos trópicos e mais fraco nas latitudes elevadas. As diferentes regiões têm temperaturas do ar variáveis devido à absorção da luz solar pelo solo, rochas, água e vegetação. A superfície da Terra aquece a ritmos diferentes, o que leva a um aquecimento desigual. O facto resulta em processos convectivos que causam o movimento do ar, que por sua vez é influenciado pela rotação da Terra [8]. Os processos convectivos interrompem o equilíbrio hidrostático, fazendo com que massas de ar estagnadas sejam deslocadas e impulsionadas em resposta a forças criadas por alterações na densidade do ar e na flutuabilidade devido a diferenças de temperatura. O ar é empurrado das zonas de alta para as de baixa pressão, criando um equilíbrio entre o atrito e a inércia. As forças surgem devido à rotação da Terra. O aquecimento da superfície, a evaporação, a precipitação, as nuvens, a sombra e a absorção de radiação resultam em diversos processos térmicos que ocorrem em diferentes escalas temporais e espaciais. Estes fenómenos podem ser categorizados com base na sua escala espacial e nos mecanismos físicos de geração. Estes processos dão origem a forças inerciais que, juntamente com a redistribuição do momento do escoamento, conduzem a numerosos fenómenos gerados pelo vento. Potência eólica Uma maneira de resolver a questão fundamental de quanta energia se encontra no vento é perceber que a potência é a taxa a que a energia é transferida ao longo do tempo. Como tal, a potência eólica é a medida da quantidade de energia que uma turbina eólica pode gerar num determinado período. A energia cinética está presente quando um objeto com uma determinada massa se move a um ritmo de translação ou de rotação. No ar em movimento é possível calcular a energia cinética utilizando a fórmula da (2.1: ( 2 . 1 ) Em que m (massa de ar) multiplicada por 𝑢 (velocidade média do vento durante um intervalo de tempo apropriado). Para obter a potência do vento, é necessário diferenciar a energia cinética do vento em relação ao tempo, que é a (2.12: 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 =𝑑𝐸𝑐 𝑑𝑡 =𝑚𝑢 2 2 ( 2 . 2 ) No entanto, apenas uma ínfima parte da energia eólica pode ser transformada em energia eléctrica. Quando o vento passa por uma turbina eólica faz girar as pás, resultando num caudal mássico de vento correspondente à (2.12:
24 𝑚 = 𝜌𝐴𝑢 ( 2 . 3 ) Este caudal pode ser calculado utilizando a última fórmula em que 𝜌 é a densidade do ar e 𝐴 é a área varrida das pás. Substituindo Equação 2.2 pela Equação 2.3, pode exprimir-se a potência disponível no vento 𝑃disp. 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 = 𝜌𝐴𝑢 2 ( 2 . 4 ) A análise da Equação (x) revela que, para obter uma maior potência eólica, é necessária uma maior velocidade do vento, um maior comprimento das pás para aumentar a área varrida e uma maior densidade do ar. Devido à potência cúbica da velocidade média do vento, uma pequena flutuação na velocidade do vento pode levar a uma mudança significativa na quantidade de energia eólica gerada. Área de Varrimento da Pá A fórmula 2.5 demonstra uma maneira de calcular a área de varrimento da pá da turbina eólica. 𝐴=𝜋[(𝑙+𝑟)2−𝑟2]=𝜋𝑙(𝑙+2𝑟) (2.5) Neste caso, "l" representa o comprimento das pás e "r" representa o raio da pá a partir do rotor. Por conseguinte, duplicando o comprimento das pás eólicas, a área varrida pode aumentar até um fator de 4. Quando 𝑙 é superior a 2𝑟, a área 𝐴 que se observa na Figura 2.2 é aproximadamente igual a 𝜋𝑙2. Figura 2.2 - Representação da área de varrimento da pá [9] . Densidade do ar Outro parâmetro relevante que afeta diretamente a produção de energia eólica é a densidade do ar, que pode ser calculada a partir da Equação 2.6:
31 A turbulência do vento refere-se às flutuações da sua velocidade em curtos períodos de tempo, particularmente em relação à componente horizontal da velocidade. Num dado momento, a velocidade do vento 𝑣(𝑡) pode ser dividida em duas componentes distintas: a velocidade média u e a flutuação instantânea da velocidade 𝑣′(𝑡) como pode ser representado pela Equação 2.15: 𝑣(𝑡)=𝑣+𝑣′(𝑡) (2.15) Na seleção de locais para parques eólicos, a compreensão da intensidade da turbulência do vento é fundamental para manter uma produção consistente de energia eólica. A intensidade da turbulência do vento, denotada por 𝐼, da Equação 2.16, é definida como o rácio entre o desvio padrão, representado por 𝜎v e a velocidade média do vento, representada por v: 𝐼=𝜎𝑣 𝑣 (2.16) Estas medições, efetuadas no mesmo ponto e calculadas como média durante o mesmo período de tempo, ajudam a garantir a estabilidade da produção eólica a longo prazo [22]. Rajadas de vento Os ventos fortes e de curta duração, conhecidos como rajadas de vento, são medidos pela velocidade média do vento durante vários segundos. O mecanismo de formação das rajadas de vento é complexo e envolve fatores que vão além da velocidade média do vento e da turbulência na camada limite. A rugosidade da superfície e a estabilidade atmosférica também afetam o processo de formação [23] Uma rajada de vento é uma alteração de curto prazo na velocidade do vento que ocorre num campo de vento turbulento. Os parâmetros que definem a sua forma típica são ilustrados na Figura 2.5. Figura 2.5 - Parâmetros caraterísticos de uma rajada de vento média [1]. Tempo Velocidade do vento
32 O campo de fluxo de entrada com uma velocidade média de 𝑣 é seguido por uma série de flutuações: um mergulho negativo, um pico positivo e outro negativo antes de estabilizar novamente. A amplitude relativa da rajada, 𝑎, é calculada como a diferença de velocidade entre 𝑣−𝑣𝑚á𝑥. O tempo de subida da rajada, 𝑏, é definido como o período entre o início da rajada e o momento em que é atingida a velocidade máxima de 𝑣𝑚á𝑥. A variação máxima da rajada, 𝑐, é a diferença absoluta entre 𝑣𝑚á𝑥 e 𝑣𝑚í𝑛. O intervalo de tempo 𝑑 é designado como a duração entre os instantes de velocidades máxima e mínima. Para avaliar a intensidade da rajada, pode utilizar-se o fator de rajada 𝐺=𝑣max/𝑣. A previsão das rajadas de vento é crucial para o funcionamento seguro dos parques eólicos. Foram propostos vários métodos de previsão de rajadas de vento. Ao contrário das técnicas típicas implementadas na previsão meteorológica operacional, O. Brasseur [24] concebeu um novo método de previsão de rajadas de vento mais simplificado e de fácil uso. Outro estudo [25] indicou que a utilização de um fator de rajada, o mesmo referenciado no último parágrafo, é possível prever com autonomia e precisão as velocidades das rajadas de vento. Direção do vento Normalmente, na análise de dados eólicos, a previsão da direção do vento é essencial para o planeamento da instalação de turbinas eólicas ou de parques eólicos e para o posicionamento detalhado. Para representar a distribuição das velocidades do vento e a frequência das direções do vento, pode desenharse uma rosa dos ventos com base em observações meteorológicas. A bússola está dividida em 16 setores, cada um abrangendo 22,5 graus do horizonte. Uma rosa dos ventos também pode ser desenhada com 8 ou 12 setores, mas os 16 setores são habitualmente a norma. No caso da Figura 2.7, o diagrama anual da rosa dos ventos indica que os ventos predominantes são maioritariamente das direções norte-nordeste, nordeste e oeste-sudoeste. Assim, é de salientar que a área estudada demonstrou uma consistência relativamente à frequência do vento soprando nestas direções específicas. A Figura 2.7 ilustra padrões comparáveis sob a forma de uma rosa dos ventos anual baseada na energia.
33 A Figura 2.6 difere da Figura 2.7, na medida em que monitoriza a exposição temporal de uma localização em vez de monitorizar a energia. Isto traduz-se em resultados diferentes tendo em conta que uma direção que recebe vento em muita abundância e com pouca velocidade pode ser menos eficaz na produção de energia do que uma zona com menos exposição ao vento, mas com valores mais altos de velocidade. O ponto cardeal norte-Nordeste, na Figura 2.7, é dos que recebe mais tempo de exposição, mas pela Figura 2.6 conclui-se que não é muito eficaz no âmbito energético. É importante notar que os padrões de vento e o conteúdo energético podem variar, normalmente em cerca de 10% de ano para ano [26]. Por conseguinte, são necessárias observações de vários anos para obter uma média credível. Os planeadores de grandes parques eólicos baseiam-se normalmente num ano de medições locais. Depois, ajustam essas medições utilizando observações meteorológicas de longo prazo obtidas em estações meteorológicas próximas para obter uma média fiável de longo prazo [26]. De assinalar que a consulta de uma rosa dos ventos revela-se especialmente útil para a localização de turbinas eólicas, visto que, se uma parte significativa da energia potencial do vento provém de uma direção específica, é aconselhável minimizar as obstruções e manter um terreno nivelado nessa direção ao instalar as turbinas. No caso destes exemplos, a fonte de energia primária provém do norte-nordeste, nordeste e oestesudoeste. Não há necessidade de se preocupar com obstáculos a noroeste ou sudeste das turbinas eólicas, uma vez que a energia do vento disponível nessas direções é mínima. Figura 2.6 - Rosa dos ventos baseada no tempo. Figura 2.7 - Rosa dos ventos baseada na energia.
34 Efeito de cisalhamento do vento O cisalhamento do vento é uma caraterística inerente à atmosfera. Alterações graves na velocidade do vento ao longo da altitude ou da distância representam uma ameaça significativa para os corpos que se encontram no ar. Por conseguinte, a necessidade de dados de cisalhamento nos 150 metros mais baixos da atmosfera terrestre é crucial [27]. O cisalhamento pode ser dividido nas seguintes formas: cisalhamento do vento, cisalhamento transversal do vento, cisalhamento parcial do vento e cisalhamento frontal do vento. A escala e a força do cisalhamento do vento de baixo nível estão intimamente relacionadas com as condições ambientais onde se encontram as turbinas eólicas. Dado que o fenómeno do cisalhamento do vento é um acontecimento de pequena probabilidade, o tempo de existência deste fenómeno atmosférico único é de apenas alguns minutos [28] . O cisalhamento do vento pode-se definir como diminuição da velocidade do vento à medida que nos aproximamos do solo [29]. O cisalhamento de baixo nível do vento desempenha um papel importante na conceção das turbinas eólicas. Por exemplo, uma turbina eólica com uma altura de rotor de 115 metros e um diâmetro de rotor de 170 metros regista uma velocidade de cisalhamento de 10 m/s quando a ponta da pá está na posição superior e de 6 m/s quando a ponta está na posição inferior. As forças que atuam sobre a pá do rotor são significativamente maiores quando posicionada na parte superior do que na parte inferior. A fórmula para o cálculo da velocidade de cisalhamento dispõe-se no formato da Equação 2.17: v=vref ln(𝑧 z0) 𝑙𝑛(𝑧𝑟𝑒𝑓 𝑧0) (2.17) Em que v é a velocidade do vento à altura z acima do nível do solo: • vref é velocidade de referência, ou seja, uma velocidade do vento que já conhecemos a altura; • 𝑧 a altura acima do nível do solo para a velocidade desejada " 𝑣” ; • 𝑧0 o comprimento da rugosidade na direção atual do vento; • 𝑧𝑟𝑒𝑓= altura de referência, ou seja, a altura em que se conhece a velocidade exacta do vento vref [30].
35 2.3 Turbinas eólicas modernas Nas últimas décadas, as modernas turbinas eólicas foram desenvolvidas como máquinas de conversão de energia que transformam a energia cinética do vento em energia mecânica, a qual, por sua vez, produz energia eléctrica. Devido aos desenvolvimentos tecnológicos mais recentes, registaram-se progressos notáveis na conceção das turbinas eólicas. Estima-se que os avanços na aerodinâmica, na dinâmica estrutural e na meteorologia, poderiam levar a um aumento anual de 5% no rendimento energético das turbinas eólicas [31]. Foram desenvolvidos e construídos vários conceitos de turbinas eólicas para maximizar a produção de energia eólica, minimizar o custo da turbina e aumentar a eficiência e a fiabilidade da turbina. Principais componentes Uma turbina eólica é composta por cinco partes principais e muitas partes secundárias. Os componentes principais são a torre, rotor e pás, a carcaça, caixa de velocidades e o gerador como se vê na Figura 2.8. Figura 2.8 - Componentes principais da turbina eólica em estudo (Adaptada de [32] ). Torre Este componente é a maior secção da turbina eólica e fornece suporte para as restantes partes. A sua função inclui o posicionamento da Nacelle, que se situa no topo da estrutura. Normalmente, estes componentes são construídos em forma cónica (utilizando aço ou betão) ou sob a forma de treliças (feitas de aço galvanizado). Rotor e pás
36 O rotor é o componente rotativo de uma turbina e é composto por um cubo central que liga três pás. Embora três pás representem o design padrão, as turbinas podem variar no número de pás. O rotor de três pás apresenta vantagens, incluindo uma eficiência óptima. As pás são construídas com um material compósito leve, mas durável, o que as torna ocas e não particularmente robustas. Existe uma tendência para criar pás cada vez maiores (para gerar mais potência), mais leves e mais duradouras. Para fins aerodinâmicos, as pás de uma turbina são concebidas com a forma de um aerofólio, semelhante ao das asas de um avião. Além disso, não são planas e possuem uma torção ao longo do seu eixo. As pás têm a capacidade de rodar até 90° em torno do seu eixo [33]. O eixo do rotor serve para segurar firmemente as pás no lugar, ao mesmo tempo que lhes permite rodar em relação ao resto do corpo da turbina. Carcaça A carcaça é o componente que se encontra no topo da torre de uma turbina eólica. A sua forma é tipicamente cilíndrica, com um diâmetro que varia entre 8 e 15 metros e um comprimento de aproximadamente 10 metros. No interior da Nacelle encontram-se o gerador, a caixa de velocidades e outros elementos cruciais necessários para converter a energia eólica em eletricidade. Caixa de velocidades A unidade de tração é composta pelo rotor, rolamento principal, veio principal, caixa de velocidades e gerador. O sistema de transmissão converte a rotação de baixa velocidade e elevado binário do rotor da turbina (conjunto de pás e cubo) em energia elétrica. Gerador O gerador é acionado pelo veio de alta velocidade. Os enrolamentos de cobre giram através de um campo magnético no gerador para produzir eletricidade. Alguns geradores são acionados por caixas de velocidades como é o caso da Figura 2.8, e outros são de acionamento direto, em que o rotor é ligado diretamente ao gerador. Controlador Em geral, o sistema de controlo da turbina eólica inclui sensores, atuadores e um sistema tecnológico que inclui um diversificado sistema de hardware e software. Este sistema processa os sinais de entrada dos sensores e gera sinais de saída para os atuadores. Exemplo de sensores utilizados seriam: anemómetro, sensores de carga, sensor de velocidade de rotação do rotor, entre outros. Aerodinâmica da turbina eólica
37 Como anteriormente referido, o objetivo de uma turbina eólica é converter a energia cinética do vento em energia elétrica. A potência disponível do vento (𝑃𝑣 ), que é a energia cinética, passa pela área (𝐴) perpendicular à velocidade do vento, aqui representada por 𝑉𝑜, em que 𝜌 representa a densidade do ar define-se pela Equação 2.18: 𝑃 v =1 2𝜌𝑣𝑜 3𝐴 (2.18) Esta Equação é fundamental na análise da energia eólica e apresenta uma forte dependência cúbica não linear da velocidade do vento. Por exemplo, quando a velocidade do vento duplica, a potência disponível aumenta oito vezes. Assim, destaca-se a velocidade do vento ambiente como o principal fator no cálculo da energia eólica. Ao estudar a aerodinâmica de uma turbina eólica, é comum utilizar a teoria do disco atuador – uma teoria unidimensional do momento linear estabelecida por Albert Betz – para descrever o processo de extração de energia. Esta teoria simplifica o fluxo de vento e da turbina num único volume de controlo, modelando a turbina como um disco atuador permeável com um diâmetro equivalente [34]. Nessa teoria assume-se o seguinte [21]: • Escoamento de fluído homogéneo, incompressível e em estado estacionário; • Sem arrastamento por fricção; • Um número infinito de pás; • Impulso uniforme sobre a área do disco ou do rotor; • Uma esteira não rotativa; • A pressão estática a montante e a jusante do rotor é igual à pressão estática ambiente sem perturbações. Apresenta-se na Figura 2.9 um esboço do comportamento do par turbina-vento:
38 Figura 2.9 – Esboço das forças presentes no escoamento do vento pela turbina. A velocidade do vento através do rotor diminui de 𝑣𝑜, a montante, para 𝑣, no plano do rotor e, eventualmente, para 𝑣1, a jusante do rotor. A eficiência aerodinâmica disponível (2.19), é definida como a fração entre a potência real produzida pela turbina (𝑃𝑡) e a potência disponível. A esta fração dá-se o nome de coeficiente de potência (𝐶𝑝). 𝐶𝑝=𝑃𝑡 1 2𝜌𝑣𝑜 3𝐴=𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 (2.19) Devido à presença de múltiplas perdas aerodinâmicas nos sistemas de turbinas eólicas, incluindo perdas em toda a extensão da pá, no perfil da turbina e na sua rotação, o coeficiente de potência real 𝐶𝑝 é significativamente inferior ao seu limite teórico, variando geralmente entre 30 e 45%. Tal como a potência, o impulso de uma turbina eólica pode ser caracterizado por um coeficiente de impulso da Equação 2.20: 𝑇=1 2𝜌𝐴𝑣𝑜 2[4𝑎(1−𝑎)] (2.20) Para extrair a energia cinética do vento é imperativo conceber um rotor que gere uma força a montante, conhecida como o impulso 𝑇, que diminui a velocidade do vento atrás do rotor, como ilustrado na Figura 10. As linhas de fluxo de ar que separam o vento que passa pelo rotor daquele que passa por ele estão a expandirse devido à conservação da massa, conforme ilustrado na mesma figura [35].
39 Assim o impulso axial T pode ser definido por: 𝑇=1 2𝜌𝐴𝑣𝑜 2[4𝑎(1−𝑎)] (2.21) Onde o fator de indução axial, 𝑎, é definido como a diminuição da velocidade do vento entre a corrente de ar livre e o plano do rotor, em que o plano do rotor está delimitado pela sua área 𝐴 [36]. Eficiência na extração da potência eólica Na segunda fase, a energia mecânica aproveitada pelas turbinas eólicas é transformada em energia elétrica através das turbinas eólicas. Vários fatores determinam a eficiência da conversão nesta fase, incluindo a eficiência da caixa de velocidades. As perdas de potência numa caixa de velocidades (𝜂𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎) podem ser divididas em perdas dependentes da carga e perdas em vazio. O atrito entre os dentes da engrenagem e as perdas nos rolamentos contribuem para as primeiras, enquanto as perdas em vazio são causadas pela agitação do óleo, pelo vento e pelas perdas nos vedantes do veio. As caixas de engrenagens planetárias são frequentemente utilizadas em turbinas eólicas devido à sua maior eficiência na transmissão de potência em comparação com as caixas de engrenagens tradicionais [37]. A eficiência do gerador (𝜂𝑔𝑒𝑟𝑎 ) refere-se a todas as perdas mecânicas e elétricas num gerador de turbina eólica, incluindo perdas derivadas de materiais como cobre e ferro, perdas de carga, perdas de vento e fricção e outras perdas diversas [38]. A eficiência elétrica(𝜂ele) inclui todas as perdas combinadas de energia elétrica no conversor, nos comutadores, nos controlos e nos cabos [37]. Assim, a eficiência total da conversão de energia eólica em eletricidade (𝜂t) pode ser expressa como: 𝜂𝑡=𝐶𝑝𝜂caixa 𝜂gera 𝜂ele Através da combinação destes parâmetros consegue-se calcular a potência efetiva de saída de uma turbina eólica, ou seja, o valor estimado para alimentação de uma rede. 𝑃efe =𝐶𝑝𝜂caixa 𝜂gera 𝜂ele 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 =𝜂𝑡𝑃𝑑𝑖𝑠𝑝 =1 2𝜂𝑡𝜌𝑉𝑜3𝐴 Limite de Lanchester-Betz De acordo com Betz, o coeficiente de potência máximo atingível para uma turbina eólica convencional é 𝐶𝑝=16/27, equivalente a 59% de eficiência na extração de energia do vento [39]. Uma eficiência de 100% ou superior é inatingível tendo em conta que é um fluido que não tem a propriedade de ser sempre constante. Se toda a energia cinética fosse extraída, o fluxo de ar seria
40 completamente interrompido e não haveria velocidade restante para manter o fluxo em constante extração para jusante da turbina eólica em questão, independentemente da tecnologia específica da turbina eólica. O nível mais elevado de eficiência de extração é atingido quando se consegue um equilíbrio ótimo entre o maior abrandamento do vento que permita um fluxo suficientemente rápido através da turbina [40]. No cenário mais simples, uma turbina eólica gera energia apenas diminuindo a velocidade do vento. Assumindo a presença de apenas componentes de velocidade axial ao longo da direção do vento, podemos derivar fórmulas simples. As equações ( 2.22 , ( 2.23 e ( 2.24 mostram a a transformação da Equação base energia em Potência fornecida e Potência removida: 𝐸=1 2𝑚𝑣2 (2.22) 𝑃=𝐸=1 2𝑚𝜈2 (2.23) 𝑃𝑇 = 𝐸 = 1 2𝑚 (𝜈1 2 − 𝜈3 2) (2.24) Através da Equação (2.25 que corresponde à 𝐿𝑒𝑖 𝑑𝑒 𝐹𝑟𝑜𝑢𝑑𝑒 e da Equação (2.26 que corresponde ao 𝐹𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎, podemos substituir termos na Equação (2.24: 𝜈2=1 2(𝜈1+𝜈3) (2.25) 𝑚 =𝜌𝐴𝜈2 (2.26) Chegando ao resultado final, como podemos ver pela Equação ( 2.27 ): 𝑃𝑇=1 2𝜌𝐴𝜈1 3(1 2(1+𝜈3 𝜈1)⋅(1−(𝜈3 𝜈1)2)) (2.27) Pela Figura 2.10 que a seguir se apresenta, consegue visualizar-se os três momentos distintos que são considerados no cálculo das equações seguintes: velocidade a montante (𝜈1) , o momento em que atravessa a turbina (𝜈2) e a jusante (𝜈3):
47 escoamentos de transição, em comparação com o modelo k-ε. O modelo k-ω é suscetível a variações nas condições de fluxo livre, o que pode afetar a precisão das previsões em escoamentos de cisalhamento livre. A suscetibilidade do modelo k-ω de base às circunstâncias iniciais e de fronteira pode ser uma desvantagem em certas aplicações práticas, mas o seu tratamento melhorado das regiões próximas da parede torna-o vantajoso para aplicações que necessitem de um exame meticuloso das camadas limite. Modelo k-ω SST O modelo k-ω para a simulação do fenómeno de Shear Stress Transport (SST) é um modelo de turbulência que incorpora as características favoráveis dos modelos k-ε e k-ω. O modelo SST k-ω, desenvolvido por Menter, emprega a formulação k-ω na região próxima da parede e transita suavemente para a formulação k-ε na região de fluxo livre. Este modelo assegura previsões precisas para um amplo espetro de condições de escoamento. A estratégia de combinação empregue no modelo SST k-ω permite-lhe gerir eficazmente os escoamentos de camada limite e de corte livre, aumentando assim a precisão das simulações que envolvem separação de escoamentos, gradientes de pressão adversos e geometrias complexas. O modelo SST k-ω é frequentemente utilizado em aplicações industriais de CFD devido à sua forte resiliência e precisão, apesar de exigir mais recursos computacionais do que o modelo k-ε normal. O modelo k-w SST apresenta problemas de exatidão comparáveis aos dos modelos k-w e k-e em que se baseia. O problema com estes modelos reside na sua dependência do método Boussinesq. A hipótese de Boussinesq é considerada insuficiente e inválida para escoamentos que exibem variações abruptas na taxa de deformação média, rotação e efeitos tridimensionais, todos eles presentes na esteira das turbinas eólicas. Simulações de Grandes Escalas (LES) A Simulação LES é mais hábil no tratamento de escoamentos turbulentos instáveis e anisotrópicos do que a RANS. No entanto, necessita de uma maior quantidade de recursos de processamento. A utilização do LES tem crescido a par do aumento das capacidades computacionais. LES, abreviatura de “Big Eddy Simulation”, é um método computacional em que remoinhos mais pequenos, que são mais pequenos do que o tamanho da grelha, são representados utilizando um modelo à escala da sub-rede (SGS). Esta técnica baseia-se na premissa de que os remoinhos mais pequenos possuem um atributo mais ou menos omnipresente que não depende da forma do movimento do fluido [49]. A diferenciação entre o resolvido e o modelado é conseguida através da aplicação de uma função de filtragem às equações de Navier-Stokes. Isto introduz um novo conceito conhecido como a tensão SGS, que se assemelha ao tensor de tensão de Reynolds utilizado na abordagem RANS. O cálculo desta tensão é necessário, e existe uma vasta gama de modelos à sua disposição.
48 Embora existam modelos específicos disponíveis, também é possível utilizar modelos de turbulência concebidos para a aplicação de Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), tais como os modelos k-ε e k-ω. No entanto, é de notar que esta abordagem pode ainda encontrar dificuldades relacionadas com a Hipótese de Boussinesq. No entanto, a utilização destas técnicas está limitada a turbilhões de pequena escala, o que atenua a extensão dos constrangimentos reportados. Rethoré [50]demonstrou que, ao reduzir o tamanho da célula para um valor suficientemente pequeno, as imprecisões introduzidas pelo modelo k-ε e pela noção de viscosidade tornavam-se insignificantes. Devido à crescente potência computacional e acessibilidade, o método Large Eddy Simulation (LES), é cada vez mais utilizado em aplicações de turbinas eólicas. O método LES é mais eficaz na gestão de escoamentos turbulentos anisotrópicos instáveis do que o método RANS, embora isso implique um aumento dos custos de computação. Detached Eddy Simulation (DES) A DES é uma técnica de modelagem de turbulência que combina aspetos de RANS e e LES. Introduzida pela primeira vez por Spalart [51], a DES procura capitalizar as vantagens da RANS e da LES, empregando a modelação RANS nas fronteiras sólidas, onde é necessária uma resolução detalhada, e a LES na região central do escoamento, onde predominam os turbilhões maciços. Esta metodologia permite que se reproduza eficazmente fluxos turbulentos em geometrias complexas e se represente com precisão estruturas instáveis significativas que são frequentemente ignoradas pelos modelos RANS. A utilização do DES demonstrou benefícios notáveis em aplicações como simulações aerodinâmicas de veículos, onde a precisão das previsões junto às paredes e a capacidade de antecipar a esteira detalhada são de grande importância. Tem sido utilizado com sucesso na análise da aerodinâmica de aeronaves, na conceção de automóveis e na engenharia eólica, oferecendo uma compreensão mais abrangente das estruturas do escoamento em comparação com o método RANS. No entanto, o DES não está isento dos seus desafios. A mudança da região de RANS para a região de LES pode levar a inconsistências e erros, especialmente em escoamentos em que há uma separação significativa da camada limite. Além disso, a implementação da DES requer recursos computacionais significativos, restringindo assim a sua aplicação a ambientes de computação de elevado desempenho. Embora enfrentando estas dificuldades, o DES continua a ser um instrumento valioso na modelação da turbulência, proporcionando um equilíbrio prático entre a precisão do LES e a eficácia do RANS para várias aplicações de engenharia. 2.6 Softwares de modelação e simulação
49 A escolha do software certo para a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) é crucial para resolver com precisão as equações de Navier-Stokes e simular as interações dos fluidos. De seguida, apresentam-se alguns softwares de CFD habitualmente utilizados, cada um com pontos fortes e fracos distintos. O OpenFOAM é um software de código aberto criado pela OpenCFD Ltd. O software oferece uma vasta gama de ferramentas para simular a dinâmica de fluidos, a transferência de calor e outros fenómenos associados. O OpenFOAM é muito adaptável, permitindo aos utilizadores personalizar e expandir as suas funcionalidades para satisfazer requisitos de investigação específicos. O principal benefício é a natureza de código aberto para personalizar o software para fins de investigação específicos e incorporar novos modelos. E a desvantagem é que o OpenFOAM requer uma compreensão profunda dos princípios, o que constitui um desafio para os utilizadores inexperientes devido à sua curva de aprendizagem acentuada [52] O Ansys Fluent é um software também de CFD, entre outras vertentes, disponível no mercado que é altamente considerado pelas suas capacidades fortes e adaptáveis na abordagem de questões complexas de dinâmica de fluidos. É capaz de acomodar diversos modelos de turbulência, fluxos multifásicos e simulações de transferência de calor, tornando-o adequado para um vasto espetro de aplicações industriais. O Ansys Fluent fornece uma interface de fácil utilização e um suporte abrangente com uma interface gráfica do utilizador intuitiva e documentação substancial. Isto simplifica o processo de configuração, execução e pósprocessamento de simulações de dinâmica de fluidos computacional. Além disso, oferece uma assistência técnica robusta e materiais de formação abrangentes. A principal desvantagem é que o Ansys Fluent é um software que requer uma licença comercial, o que o torna uma opção dispendiosa para investigadores individuais ou pequenas universidades. No entanto existe a hipótese de uma licença limitada de estudante. O Ansys CFX é um software proprietário que é conhecido pela sua precisão e eficácia na resolução de problemas complexos de dinâmica de fluidos, especificamente os relacionados com engrenagens rotativas como as turbinas [53]. O Ansys CFX foi concebido para lidar eficazmente com tarefas computacionalmente intensivas, permitindo-lhe gerir eficazmente simulações grandes e complexas, mantendo elevados níveis de precisão e velocidade. A principal desvantagem é oferecer uma personalização restrita, por exemplo, em contraste com o OpenFOAM.
50 3. METODOLOGIAS CONSIDERADAS NO TRABALHO Este capítulo descreve os parâmetros necessários para a construção de um modelo CFD com capacidade de simular o escoamento atmosférico na sua interação com as quedas súbitas de pressão criadas pelo relevo montanhoso e pela interação com o rotor da turbina eólica. A presente opção metodológica inclui considerações sobre a modelação da turbulência, a definição da camada atmosférica, a representação do rotor, a configuração do software e as condições de fronteira. 3.1 Comportamento do vento Os dados de vento provêm de uma torre de medição que registou a velocidade do vento antes da instalação das turbinas pela empresa. A literatura sugere a medição dos recursos eólicos durante pelo menos um ano para a realização das avaliações. Deste modo, esta investigação utiliza um ano de medições de um mastro meteorológico. Os dados de medição do mastro incluem a direção e velocidade média do vento de 10 minutos durante um período de um ano, correspondendo a uma altura de 1000 metros [54]. Para efeitos de modelação, a direção do vento no código CFD é definida para a face de entrada do domínio (“inlet speed”). Dentro do domínio, nas posições dos mastros, é onde os são recolhidos os dados experimentais. Existem várias razões pelas quais a direção do vento difere entre estes locais. Assim, podemos proceder de forma a ignorar esta alteração e comparar as mesmas direcções para efetuar comparações de perfis de velocidade e de intensidade de turbulência, aumentos de velocidade e mudanças de direção entre os dados calculados e os dados experimentais. 3.2 Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) Para prever o escoamento físico de fluidos, o software de análise CFD calcula a velocidade, a pressão, a viscosidade, a densidade e a temperatura, entre outros. Estes cálculos são feitos em paralelo e em condições operacionais predefinidas para obter soluções com o máximo de exatidão. Todos os códigos contêm três elementos principais: um pré-processador, um solucionador, e um pósprocessador. De seguida, a função de cada um destes elementos, no contexto de um código CFD, será observada. Pré-processador O pré-processamento consiste na introdução de um problema de escoamento num programa CFD através de uma interface e na subsequente transformação dessa introdução numa forma adequada para utilização pelo solucionador. As atividades do utilizador na fase de pré-processamento incluem:
51 • Definição da geometria da região de interesse: o domínio computacional; • Geração de malha; • Seleção dos fenómenos físicos a modelar; • Definição das propriedades dos fluidos. A resolução de um problema de dinâmica de fluidos, incluindo a velocidade, a pressão e a temperatura, é determinada em nós individuais dentro de cada célula. A precisão da resolução de uma dinâmica de fluidos computacional (CFD) é afetada pela quantidade de células na malha. De um modo geral, uma quantidade maior de células aumenta a precisão da solução. A precisão e o custo aumentam termos de hardware e tempo de computação. As malhas com melhor otimização são frequentemente não uniformes, ou seja, com áreas mais finas em regiões de grandes variações e regiões mais grossas com relativamente poucas alterações. Solucionador Nas técnicas de solução numérica, existem três correntes distintas. A mais relevante diz respeito ao método dos volumes finitos, uma formulação especial de diferenças finitas que é fundamental para códigos CFD bem estabelecidos. O algoritmo numérico é composto por três passos. Primeiro, as equações que regem o escoamento do fluido são integradas em todos os volumes de controlo finitos do domínio. Em seguida, as equações integrais resultantes são desenvolvidas num sistema de equações algébricas. Finalmente, as equações algébricas são resolvidas através de um método iterativo. Pós-Processamento No domínio do pós-processamento, o utilizador deve beneficiar de amplas capacidades gráficas, tal como ferramentas versáteis de visualização de dados. Exemplos de tais ferramentas: • Gráficos vectoriais • Gráficos de linhas e contornos • Gráficos de superfícies 2D e 3D • Rastreamento de partículas • Manipulação de vistas
52 Equações governantes da dinâmica dos fluidos As equações de continuidade, momento e energia - as equações básicas que regem a dinâmica de fluidos - são a base da dinâmica de fluidos computacional. Existem três razões pelas quais é importante dedicar tempo e espaço para desenvolver as equações que regem a dinâmica dos fluidos nesta disciplina. Uma vez que estas equações constituem a base de toda a CFD, é crucial ter uma boa compreensão do que representam, especialmente antes de utilizar CFD para resolver um problema específico. Existem várias formas de obter as equações de controlo. Quando se trata de CFD, a utilização das equações podem causar instabilidade ou mesmo oscilações nos resultados numéricos, pois dependem da forma como se usam. Consequentemente, as diferentes formas das equações são de importância crucial no domínio da CFD. Os princípios básicos utilizados para criar equações determinantes num estudo de Dinâmica dos Fluidos Computacional são: a conservação da massa num certo volume, conservação do momento linear (segunda lei de Newton) e a conservação da energia (primeira lei da termodinâmica)[55]. Analisando o escoamento de fluidos líquidos ou gasosos, tratando-os como um meio contínuo, as três coisas principais que podemos encontrar ao resolver estas equações são o vetor velocidade, a pressão e a temperatura. Se contarmos os três componentes da velocidade separadamente, temos cinco incógnitas escalares no total. No entanto, nas equações que governam o sistema e que resolvemos numericamente, também nos deparamos com mais quatro variáveis: densidade, entalpia, viscosidade e a condutividade térmica. A pressão e a temperatura são duas variáveis termodinâmicas que determinam o estado de equilíbrio do fluido. Podem ser utilizadas tabelas, gráficos ou equações para definir mais quatro variáveis com base na pressão e na temperatura. No entanto, para muitas questões, é possível considerá-las como constantes e proporcionais ao calor específico. Devido às características matemáticas díspares das equações que regem os escoamentos compressíveis e incompressíveis, os códigos de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) são geralmente adaptados a um dos dois regimes. É raro encontrar códigos que possam funcionar de forma adequada e precisa em ambos os regimes de escoamento. Nas duas secções que se seguem, serão delineadas as formas diferenciais das equações que regem os escoamentos, utilizadas na análise de escoamentos compressíveis e incompressíveis para um sistema isotérmico.
53 Conservação de massa (Equação de continuidade) Aplicando a conservação da massa a um volume de controlo para um fluido geral, obtém-se a Equação instantânea da conservação da massa - também conhecida como Equação da continuidade. É expressa na sua forma diferencial (3.1) como: 𝜕𝜌 𝜕𝑡 +𝛻⋅(𝜌𝑉 )=0 (3.1) Onde 𝜌 é a densidade do fluido, o 𝑡 tempo e 𝑉 o vetor de velocidade do fluxo. O primeiro termo 𝜕𝜌 𝜕𝑡 descreve a taxa de variação da densidade em relação ao tempo e o segundo termo 𝛻⋅(𝜌𝑉 ) descreve a divergência do campo vetorial 𝜌𝑉 num determinado ponto fixo no espaço. A Equação mencionada representa a forma alternativa de expressar a conservação de massa. Para obter as equações de conservação, aplica-se o princípio da conservação da massa a um elemento de fluido estacionário. Por outro lado, as formas não conservativas resultam do estudo de elementos em movimento num campo de escoamento. Uma Equação geral que liga as representações materiais do escoamento de fluidos e serve de ponte entre estas duas formas de Equação é a seguinte expressão ( 3.2 ): 𝐷𝐴 𝐷𝑡 =𝜕𝐴 𝜕𝑡 +(𝑉 ⋅𝛻)𝐴 (3.2) O termo do lado esquerdo desta Equação é conhecido como a derivada material da propriedade A. O primeiro termo do lado direito é a derivada parcial do tempo ou derivada local. O último termo é chamado a derivada convectiva de A. Conservação do Momento Linear A conservação do momento linear é descrita pela Equação de Navier-Stokes. No contexto da dinâmica de fluidos computacional (CFD), o termo Navier-Stokes é utilizado para englobar as equações do momento, da continuidade e da energia [3]. É possível expressar a Equação de Navier-Stokes de várias formas. Uma dessas formas é a Equação ( 3.3 ): 𝜌𝜕𝑢 𝜕𝑡 +(𝜌𝑢 ⋅𝛻)𝑢 =−𝛻𝑝+𝜌𝑏+𝛻⋅𝜏 (3.3) Onde 𝑝 é a pressão 𝑏 é o termo fonte (geralmente a gravidade) e 𝜏 é a tensão viscosa. Se o fluido for de natureza newtoniana, as tensões viscosas são proporcionais à taxa de tempo em que ocorre a deformação [55]. A hipótese de Stokes para um fluido newtoniano (3.4) simplifica a tensão para a Equação (3.4):
54 𝜏𝑖𝑗 =𝜇(𝜕𝑢𝑖 𝜕𝑥𝑗+𝜕𝑢𝑗 𝜕𝑥𝑖)−2 3𝜇𝛿𝑖𝑗𝜕𝑢𝑘 𝜕𝑥𝑘 (3.4) Onde 𝜇 é a viscosidade dinâmica do fluido. No sistema ortogonal, as três equações separadas podem ser usadas para escrever a Equação de conservação do momento para o vetor velocidade do escoamento u. Estas equações mostram a conservação do momento nas direções x, y e z, juntamente com os componentes de velocidade do escoamento u, v e w [55]. Método dos Volumes Finitos Várias razões tornam o Método de Volumes Finitos (FVM) numa ferramenta eficaz para a resolução de problemas de CFD. A sua estratégia baseada na conservação, garante robustez e precisão física; tem capacidade de lidar com geometrias complexas; oferece versatilidade para usos práticos; ajuda na interpretação física com intuição; ajuda na compreensão e análise dos resultados; gere eficazmente fenómenos de fluxo complexos; flexibilidade em regimes de escoamento variáveis, ou seja, adequado para uma ampla gama de problemas de CFD relativamente simples de se implementar. Devido a estas características, especialmente no domínio da energia eólica, onde a topografia complicada e as interações das turbinas são fundamentais para a compreensão do problema, o FVM é um método amplamente utilizado em diversos contextos. 3.3 Modelação da Turbulência O principal objetivo de um estudo CFD em muitos projetos de engenharia é de fornecer dados que ajudem o utilizador a compreender um componente específico de escoamento ou da transferência de calor ou ainda de outros tópicos. A turbulência num escoamento pode ser modelada de várias formas, mas a seleção do melhor modelo depende de uma série de parâmetros, incluindo a física do escoamento, o nível de precisão necessário, a quantidade de tempo e recursos computacionais disponíveis. Uma comparação dos custos computacionais dos vários modelos de turbulência disponíveis no ANSYS Fluent é apresentada na Figura 3.1. Como pode ser visto, existem três categorias principais de modelos de turbulência: Modelos LES, SRS e RANS.
55 Figura 3.1 - Diferentes possibilidades de modelos de turbulência de acordo com o custo de computação. O procedimento de cálculo da média mais transversalmente mais utilizado é o cálculo utilizando a média com o número de Reynolds, resultando nas equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS). Uma alternativa aos RANS são os modelos de Simulação com Resolução à Escala (SRS). O método mais conhecido é o Large Eddy Simulation (LES), mas é importante compreender que estes métodos são significativamente mais dispendiosos do ponto de vista computacional do que as simulações RANS[56]. Dadas as condições deste trabalho de investigação, é escolhida a abordagem RANS , visto que é o modelo menos dispendioso dos dois para computar escoamentos complexos. Subdivisões do RANS O modelo Spalart-Allmaras é um modelo de uma Equação relativamente simples que resolve uma Equação para a viscosidade cinemática. O modelo Spalart-Allmaras demonstra dar bons resultados para camadas limite sujeitas a gradientes de pressão desfavoráveis [57]. Também tem popularidade em aplicações de turbomáquinas. Não é recomendável, no entanto, ser utilizado como modelo para fins gerais, retirando-o como hipótese.
56 Exemplos típicos de tais modelos RANS são os modelos k-ε ou k-ω nas suas várias formas. Estes modelos simplificam o problema para a resolução de duas equações de transporte adicionais e introduzem uma viscosidade turbulenta para calcular as tensões de Reynolds [58]. O modelo k-ε têm sido historicamente um dos modelos de turbulência mais amplamente utilizados em CFD industrial. A robustez, economia e precisão razoável para uma ampla gama de escoamentos turbulentos explicam a sua popularidade em simulações industriais de escoamento e transferência de calor, contexto em que é adaptável para a turbulência do vento. O modelo k-ω é normalmente utilizado para simular escoamentos turbulentos em aplicações de energia eólica devido à sua robustez e eficiência na captura das características da turbulência [9]. Este modelo tem sido amplamente aplicado em estudos de energia eólica para prever padrões de escoamento, intensidade de turbulência e outros parâmetros relevantes em parques eólicos. Além disso, os modelos kω em contraste com os k-ε são tipicamente melhores na previsão de fluxos de camada limite de gradiente de pressão adversos. Adicionalmente, o modelo de turbulência k-ω subdivide-se em standard e SST. O modelo SST foi concebido para evitar a sensibilidade do fluxo livre do modelo padrão, combinando elementos da Equação ε e da Equação ω. Além disso, o modelo SST foi calibrado para calcular com precisão a separação do fluxo a partir de superfícies lisas. Por conseguinte, na família de modelos k, recomenda-se a utilização do modelo SST. O modelo SST é um dos modelos mais utilizados nos modelos de escoamento aerodinâmico. Assim sendo, a vertente SST oferece uma maior precisão na previsão de escoamentos turbulentos complexos em comparação com o modelo padrão, tornando-o adequado para simulações detalhadas de interações do vento no ambiente de um parque eólico. O modelo k-ω tem uma forte precisão na região da camada limite ao longo da parede, enquanto o modelo kε normalmente tem um bom desempenho na zona de fluxo livre. Utilizando uma função de mistura, podemos combinar os benefícios desses dois modelos de turbulência. A vulnerabilidade do modelo kω aos valores de fluxo livre de e é uma de suas deficiências. Por outro lado, o modelo de turbulência k-ε é mais resistente e menos suscetível em certas áreas. k-ω SST utiliza a função de “blending” para misturar o kω e o kε em que cada um é usado nas zonas em que estão os seus pontos fortes. A Função de Mistura É apelidada de função de mistura (“blending”) porque mistura efetivamente os dois modelos de turbulência. Matematicamente falando, é uma função hiperbólica que é utilizada para uma transição suave entre o modelo o kω e o kε. Esta função, juntamente com um limitador de viscosidade adicional, constitui
63 Figura 3.4 - Legenda do domínio de computação. 3.6 Diferentes técnicas de modelação do disco atuador Existem várias técnicas de modelagem de rotores de turbinas eólicas disponíveis no Ansys Fluent, cada uma com um nível diferente de custo computacional e complexidade. O modelo mais simples é o modelo do disco atuador, que mostra o rotor como um disco permeável que dá impulso ao escoamento. Não é modelado com pás, mas é computacionalmente eficiente. Este modelo é melhorado pelo Modelo de Linha do Atuador, que modela o rotor como um conjunto de linhas com forças aplicadas a cada uma delas. A teoria do elemento da pá e a teoria do momento são combinados na teoria do momento BEM para prever o desempenho do rotor. Embora esteja bem estabelecida e seja eficaz, o escoamento 3D continua por resolver. Embora o método de Malha Deslizante seja computacionalmente dispendioso, capta todo o escoamento 3D com excelente precisão, rodando fisicamente a malha em torno do cubo. As pás são modeladas usando termos de fonte no Método de Fronteira Imersa, que as incorpora numa malha de fundo. Para alguns fenómenos de escoamento, é menos preciso do que o SM, mas ainda relativamente eficiente. As técnicas híbridas combinam muitas estratégias, utilizando as suas vantagens. Por exemplo: utiliza o SM para uma análise aprofundada e o ALM para simulações preliminares. A técnica de escolha é determinada pelos objetivos da simulação, pela capacidade de processamento e pelos requisitos de precisão. Enquanto que o ADM, ou o BEM, podem ser suficientes para estimar o desempenho geral, o SM ou o IBM são recomendados para escoamentos complexos com resolução de lâminas [62]. Estes são os modelos mais utilizados nas simulações RANS para representar o rotor da turbina. Embora a região próxima da esteira seja difícil de reproduzir pelo BEM e ADM, podem prever corretamente o comportamento da velocidade na esteira (“wake”) distante. Chão (bottom) Topo (top) Saída (outlet) Entrada (inlet)
64 O impacto da esteira distante e o fluxo de vento em torno das turbinas eólicas são os principais focos deste estudo, pelo que o ADM é a melhor opção em termos de resultados precisos e requisitos computacionais. Tem um bom desempenho na esteira distante, onde a presença única de cada pá se torna insignificante e pode ser ignorada. A redução do custo computacional é a principal vantagem, particularmente para simulações de múltiplos rotores. É também relevante lembrar que, num esforço para tornar as simulações mais simples, a geometria não tem em conta a torre da turbina eólica [63]. 4. APRESENTAÇÃO E ESTUDO DO CASO PRÁTICO Este capítulo fornece uma explicação de três simulações que permitem a aplicação e validação da abordagem CFD, juntamente com uma análise detalhada do início ao fim do processamento. As simulações incluem os seguintes passos: 1. Modelações do comportamento do escoamento atmosférico num terreno montanhoso; 2. Modelação escoamento atmosférico num terreno montanhoso quando inseridas turbinas eólicas; 3. Modelação escoamento atmosférico num terreno montanhoso onde se encotra a posição otimizada para as turbinas eólicas. São efetuados para cada simulação os dados de configuração, o domínio computacional, o procedimento de criação de malhas, os resultados e uma análise final. 4.1 Contextualização do problema Introdução à história do empreendimento do estudo O Complexo Eólico Alfazema, a que nos reportamos no presente estudo, corresponde a um projeto de 434 aerogeradores com capacidade nominal de 6,6 MW cada um. Como se pode ver pela Figura 4.1, esta microrregião situa-se no centro-sul do estado de Salvador da Bahia, no Brasil. O Complexo Eólico Alfazema está inserido na região da Chapada Diamantina. É uma região de serras que corresponde a cerca de 15% do Estado da Bahia. Nesta região do nordeste do Brasil, podemos ver um conjunto de serras e planaltos formados no Pré-Cambriano, emergindo as maiores altitudes do nordeste brasileiro, como o Pico do Barbado, com 2 033 metros. A Chapada Diamantina, no bioma Caatinga , carateriza-se por possuir uma vegetação exuberante, composta de espécies da caatinga semiárida da flora serrana.
65 Da zona selecionada, destaca-se na paisagem níveis de elevação próximos dos 1.600 m, contrastado à sua volta com extensas depressões feitas através de camadas de arenito, conglomerados e calcários de deposição de vulcões sedimentados ao longo de milhares de anos. Derivado ao alto potencial eólico da região, com ventos de 8,9 m/s de velocidade média nas regiões mais altas [54] é possível a utilização de máquinas com rotores maiores. No empreendimento, os diâmetros das pás do aerogerador medem 170 m, medida considerada muito considerável nesta área. No entanto, para empregar um rotor com este diâmetro de forma eficiente, é necessário um estudo aprofundado sobre o comportamento do vento mediante a sua interação com a turbina e com o declive e rugosidade montanhosa. Figura 4.1 - Mapa 2D do parque eólico. (Fonte: Software QGis).
66 4.2 Abordagem do problema do parque eólico Seguidamente, apresentar-se-á a opção estratégica para a análise do parque eólico. A dificuldade da avaliação de parques eólicos em grande escala (434 turbinas) torna a modelação um grande desafio. É necessário adotar métodos realistas e exequíveis para equilibrar a eficiência e a precisão da computação. Encontrar as zonas críticas Dentro do parque eólico, uma zona crítica é aquela onde: • Regiões de turbulência aumentada podem ser causadas por terrenos complicados, interações de esteira ou condições atmosféricas. • As diferenças de pressão são importantes, porque flutuações significativas de pressão podem resultar de modificações na topografia ou no projeto das turbinas. • A colocação das turbinas é importante - estas áreas podem apresentar oportunidades de otimização - uma vez que pequenas alterações na localização das turbinas podem ter um grande impacto no desempenho global do parque. A análise do parque eólico traduziu-se na nomeação de uma área bastante crítica, como demonstrado na Figura 4.2. Esta área é propensa a fluxos turbulentos e alterações de pressão devido ao súbito desnível do terreno e à disposição das turbinas densamente compactadas. Assim, a fim de maximizar a produção de energia e diminuir as cargas estruturais, é imperativo verificar o posicionamento das turbinas nesta zona. Figura 4.2 - Perfil de altura da região escolhida para análise (Fonte: Google Earth Pro)
67 Devido ao fluxo turbulento, as turbinas desta zona sofrem mais desgaste e as interações de esteira nesta zona são mais impactantes, pelo que podemos compreender mais claramente como as ondas de vento destas turbinas afetam as turbinas a jusante, analisando-as. 4.3 Implementação e validação do terreno O objetivo final da modelação do terreno é, neste caso, obter uma modelação da topografia e elevação do objeto que não crie problemas à análise CFD. Através de uma metodologia assente na tentativa-erro, utilizam-se com várias formas e texturas do objeto. Com base na literatura, determinou-se que as principais características que o objeto 3D deve ter para ser utilizado como modelo para análise CFD com o software Ansys Fluent, são as seguintes: • Exatidão geométrica em que o modelo deve representar com precisão a forma, as dimensões e as características do objeto do mundo real. • Volume fechado, o que significa que não tem espaços ou buracos na sua superfície exterior. Isto é essencial para definir o domínio do fluido no qual a análise terá lugar. • A superfície do objeto deve ser estanque, sem faces que se sobreponham ou intersetem. Isto assegura uma superfície suave e contínua para os cálculos de escoamento de fluidos. • O nível de detalhe do modelo deve ser suficiente para captar as características relevantes do escoamento, mas não demasiado complexo, o que poderia aumentar o custo computacional. Considera-se a escala de análise e a precisão desejada. • Compatibilidade de formato de arquivo em que o software a utilizar necessita de ter a opção de exportação de um ficheiro compatível com o Ansys Fluent. Para a confirmação de todos estes 5 parâmetros recorremos ao software Blender. O Blender é um software de criação 3D com ferramentas robustas para modelação e representação de terrenos. No contexto da simulação da turbulência do vento, a representação exata do terreno é crucial para captar as interações complexas entre o fluxo de vento e as formas de relevo. Aquisição dos dados do terreno O add-on de integração de satélites do Blender simplifica o processo de aquisição de dados de terreno do mundo real. Este add-on é uma integração de outro software designado por QGis que é um provedor de informações geográficas em código aberto. Uma vez identificada a localização desejada, o add-on extrai os dados de elevação e as texturas correspondentes, importando-os sem problemas para o Blender, como se vê na Figura 4.3.
68 Importante destacar uma funcionalidade importante para finalizar o processo que são os modificadores como “Subdivision Surface”, para suavizar e, “Decimate”, para reduzir o tamanho dos polígonos. Também será importante referir que, no Blender, é desejável proceder a operações de subdivisão do terreno, como se constata na Figura 4.3, de forma a que exista uma maior criação de polígonos e, consequentemente, uma melhor definição do terreno. Figura 4.3 - Imagem requisitada do servidor OpenTopography SRTM 30m. A precisão do terreno extraído na imagem é fundamental para obter resultados de simulação fiáveis e credíveis. Por isso, é importante fazer uma comparação final entre o terreno do Blender e os dados de referência fornecidos pelo QGis. Modelação com os dados topográficos Até ao momento, foram extraídos dados em pormenor do terreno a partir do Blender. Numa segunda fase, passamos a efetuar transformação do relevo 2D fornecido pelos dados topográficos através de sólido 3D com objetos que representem o corpo físico de turbinas eólicas. A primeira etapa envolve a importação do arquivo STL, que encapsula a representação do terreno 2D do Blender, para o Ansys SpaceClaim. Após a importação, é essencial garantir que a escala e a orientação estejam corretas. O SpaceClaim fornece opções para dimensionar e alinhar automaticamente a geometria importada, mas devido a este arquétipo de geometria com relevo complexo, são necessários alguns ajustes manuais. Na Figura 4.4., podemos visualizar a importação do arquivo STL.
69 Figura 4.4 - Terreno no formato. stl importado diretamente do Blender para o SpaceClaim. De seguida, o terreno em imagem 2D, foi concebido verticalmente para criar uma base sólida, tal como na Figura 4.5. A parte inferior e os lados do volume devem então ser tapados para criar um sólido estanque. Por fim, suaviza-se a sólido para que não subsistam quaisquer arestas ou cantos afiados que possam afetar as simulações de fluxo. Figura 4.5 - Dimensionamento (à esquerda) e criação (à direita) do polígono Escolha da altura do polígono 3D a ser extrudido Um tópico que carece de alguma atenção é a altura que se dará ao polígono extrudido. Existem três considerações que precisam de ser feitas.
70 A altura da turbina eólica é um fator a ter em conta. A turbina modelo para as simulações desta dissertação é a designada por SG 6.6-170. Como a designação aponta, a turbina tem 170 metros de diâmetro do rotor. Adicionando o raio do rotor à altura da base da turbina temos um valor de altura máxima de 185m. É fundamental que o terreno sólido 3D seja suficientemente alto para abranger toda a área abrangida pelo rotor da turbina. Isto assegura que a simulação capta com precisão a interação do vento com o terreno ao longo de toda a gama operacional da turbina. A segunda consideração a ter presente é que as complexidades do terreno também influenciam o resultado. No caso de o terreno apresentar variações pronunciadas de elevação, como as observadas sob a formas de montanhas e vales íngremes sendo por isso necessário aumentar a altura do sólido 3D para refletir com precisão estas características topográficas. E, por último, e já referido com maior detalhe no capítulo ABL (Atmosferic Boundary Layer)3.4, da Metodologia, a Camada Limite Atmosférica (ABL), que é a parte mais baixa da atmosfera, onde o vento é influenciado pela superfície da Terra, é um fator a ter em conta pela sua relevância. A altura da ABL pode variar dependendo de fatores como a rugosidade do terreno, a velocidade do vento e a estabilidade atmosférica. Recomenda-se que o sólido 3D se estenda pelo menos até o topo da ABL para representar com precisão o perfil de vento que a turbina experimenta. Isto, porque o topo da ABL pode ser basicamente especificado como o local onde a turbulência desaparece, uma vez que acima da camada limite o movimento do ar é suave e pode ser tratado como um escoamento laminar. Tendo em conta estes fatores, a dimensão global do domínio de simulação é uma decisão que representa um meio termo entre a qualidade da análise e a rapidez de computação. Se for utilizado uma altura que corresponda à camada superior do ABL o custo de computação será demasiado elevada. Sendo assim, uma abordagem inicial adequada foi definir a altura do sólido 3D para ser pelo menos duas vezes a altura da turbina eólica. Isto deverá proporcionar espaço suficiente para captar a área varrida pelo rotor e uma parte significativa da ABL. Posteriormente, a altura pode ser ajustada com base na resposta da simulação, isto é, caso a parede superior do sólido faça interferência no domínio da turbulência ao nível da turbina. Para finalizar, o modelo tridimensional necessita que a sua integração seja feita a partir de um modelo teórico de representação da turbina. Este modelo, no que compreende formas geométricas, é bastante simples. É apenas um círculo com a mesma área de varredura do rotor real e, posteriormente, é-lhe dado uma profundidade semelhante ao valor certificado pelo manual de fabrico da própria Siemens . Alguns problemas que necessitaram de resolução foi o facto de o terreno importado ser demasiado grande e, por isso, é necessário ajustar o fator de escala no SpaceClaim para corresponder às unidades desejadas. Outra medida que se tomou foi transformar o volume paralelepípedo em um volume cilíndrico. O resultado apresenta-se na Figura 4.6 abaixo:
71 Figura 4.6 - Domínio de estudo esculpido para uma forma circular. Outros dos principais problemas neste tipo de projeção é que os modelos de terreno complexos contêm frequentemente falhas geométricas introduzidas durante o processo de extração ou inerentes ao formato STL. Os problemas detetados que resultaram desta transposição de dados foram aberturas ou descontinuidades na superfície do terreno, faces que se sobrepõem ou intersectam umas com as outras e arestas ou vértices ligados a mais de duas faces, violando as regras topológicas para modelos sólidos. Sistema de coordenadas Todas as simulações usam o sistema de coordenadas que é visível no canto inferior direito de cada figura presente no Ansys . Assim, temos a altura do domínio, a largura do domínio e o comprimento do domínio, representados pelos eixos 𝑧, 𝑦 e 𝑥, respetivamente. A direção y, por estar no sentido longitudinal, também toma a direção do escoamento do ar, em que a extremidade negativa do eixo y é onde se encontra a entrada do ar, 𝑦=0 o centro do terreno e a extremidade positiva a saída do ar. Criação da malha Antes de começar com os detalhes críticos da malha, será necessário compreender as definições gerais com as quais temos a possibilidade de trabalhar, como se pode constatar pela Figura 4.7 em baixo:
72 A opção “Physics Preference” (preferência física) permite estabelecer como o “Workbench” executará a criação de malha com base na física do tipo de análise for especificada. As opções disponíveis são: Mecânica, Eletromagnética, CFD e Explícita. Como estamos no seguimento de um “problema CFD”, justificase que essa seja a nossa opção. Optar pela CFD como “Physics Preference” faz com que apareça uma opção de “Solver Preference”. O valor da “Solver Preference” pode ser CFX, Fluent ou POLYFLOW. Cada escolha terá impacto na malha. Como o processamento é através do Fluent, encontramos por essa via resposta para o nosso trabalho. Dentro do volume, existe uma aresta e uma face que são zonas críticas para a nossa malha e, por isso, terão maior relevância na refinação. Para começar pela face, que neste caso a face comporta o relevo zona montanhosa, é feita uma “inflation”, que não é mais do que a criação de uma malha fina ou de camadas de malha fina na área de interesse do domínio. As definições das opções de “Inflation" determinam as alturas das camadas de insuflação. Na Figura 4.8, pode verificar-se a descrição detalhada das variáveis que podem ser alteradas dentro do método “Inflation”. Figura 4.8 - Janela dedicada à "Inflation" Figura 4.7 - Janela dedicada ao controlo da malha
79 Regra geral, antes de declarar que a solução convergiu, deve certificar-se de que o resíduo pelo menos continua baixo durante um certo número de iterações, como é o caso dos resíduos “x-velocity”; “y-velocity”; “z-velocity”; “𝑘” e “𝜀” que são as variáveis de iteração determinantes para a condução deste estudo de mestrado. Numa abordagem inicial, manteremos os resíduos a 1×10−3. Se não existir a diminuição/estabilização do recurso como referido anteriormente, reduz-se a ordem de grandeza. Como se pode ver pela seguinte Figura 4.13, os resíduos a partir da centésima iteração tendem a ficar constantemente mais baixos. Figura 4.13 - Valor absoluto dos resíduos Análise de Resultados Para efetuar a análise de resultados focamo-nos em duas variáveis principais, que são a velocidade e a pressão ao longo do domínio. Também se dá destaque à turbulência relacionada com a energia cinética. Visto que não se trata de um terreno plano, os estudos e evidências científicas são reduzidos segundo a revisão de literatura que efetuamos. No entanto, as conclusões podem ser imediatamente retiradas ao olhar para as primeiras duas simulações retiradas à altura do solo, Figura 4.14 e Figura 4.15, respetivamente.
80 Figura 4.14 - Vista de cima da pressão do terreno (z = 0m). Podemos constatar que a pressão não está distribuída uniformemente pela superfície. Perto do centro, há uma área concentrada de alta pressão, que é sinal de uma área de estagnação. Existem várias zonas de baixa pressão espalhadas pela zona central de alta pressão e pela periferia que, como vamos ver na imagem seguinte sobre a velocidade, indica a sua relação como uma área de aceleração do vento. Há grandes variações no gradiente de pressão sobre a superfície, com o limite das zonas de alta e baixa pressão, exibindo gradientes mais acentuados. Este limite é relevante no começo e final dos relevos mais acentuados. Para definir completamente o terreno e avaliar a diversidade de interferências, é necessária mais investigação com dados sobre a velocidade e a turbulência. Na próxima figura, podemos ver os contornos da velocidade do vento à mesma altura (𝑧=0 𝑚):
81 Figura 4.15 - Vista de cima da velocidade do terreno (z = 0m). Enquanto a maior parte do domínio tem velocidades inferiores a 2 𝑚/𝑠, alguns canais encontram as velocidades mais elevadas, que chegam a ser superiores a 3 𝑚/𝑠. Estes canais de alta velocidade estão associados a áreas de aceleração do fluxo ou a rotas de fluxo aerodinâmico devido a gradientes de pressão e constrições geométricas. Embora a velocidade média do vento seja 7,5 𝑚/𝑠, verifica-se uma redução bastante grande da velocidade, porque nos encontramos ao nível do solo, onde a rugosidade tem o seu maior impacto, abrandando significativamente o fluxo de vento. Assinalam-se mudanças notáveis na distribuição da velocidade ao longo do domínio, indicando uma distribuição altamente não-uniforme. Da Figura 4.16 à Figura 4.18 as medições são retiradas a 150 𝑚, que é a altura a qual se encontraria o rotor da turbina eólica caso esta fizesse parte da modelação (posteriormente, vai adiciona-se a modelação com rotor para comparar resultados).
82 Figura 4.16 - Vista de cima da pressão do terreno (z = 150 m). Ao medir a 150 metros de altura, os gradientes de pressão são mais pronunciados em comparação com os observados a 0 metros. Em contraste, esta imagem (150 m) apresenta picos mais elevados, atingindo até 32,37 Pa comparativamente aos 12,00 Pa (0 m). E, as zonas de baixa pressão, na primeira imagem, atingem um mínimo de -18,23 Pa, enquanto que na anterior para -75,84 Pa. Nota-se que existe uma amplitude muito menor de diferentes pressões nesta imagem a 150m, o que faz sentido, visto que, como se referiu anteriormente, a ABL tende a estabilizar à medida que se aumenta a altura.
83 Figura 4.17 - Vista de cima da velocidade do terreno (z = 150m). Registam-se, também, diferenças assinaláveis nos padrões de distribuição para a velocidade. Uma área maior de velocidades mais baixas é intercalada com canais distintos de alta velocidade que ultrapassam os 3 𝑚/𝑠 no retrato da velocidade a altura 0 𝑚, que apresenta um campo de velocidades mais variado. Agora, nesta segunda imagem, podemos ver uma distribuição mais igualitária da velocidade, com os valores mais altos concentrados no centro e que progressivamente em vão em direção às margens, onde existe menos relevo. Sugere o facto que, a 150 𝑚, existe um perfil de fluxo mais uniforme, possivelmente menos afetado pelas imperfeições da superfície a esta altitude elevada. Em particular, a velocidade mais elevada (9,52 𝑚/𝑠), na segunda imagem, é visivelmente mais alta do que a máxima na primeira imagem, sugerindo um fluxo mais forte a 150 m de altura. Conclui-se que, à medida que a altitude aumenta, o fluxo torna-se menos turbulento e mais estruturado e bastante mais forte.
84 Figura 4.18 - Vista de cima da energia cinética turbulenta do terreno (z = 150 m). A escala de cores utilizada permite avaliar a energia cinética turbulenta (TKE) que varia de 0,02 𝑚2/𝑠2 a 0,26 𝑚2/𝑠2. As regiões de alta energia cinética turbulenta são mostradas pelas secções representadas nas cores a laranja e vermelho, onde os valores podem exceder 0,26 𝑚2/𝑠2. Essas áreas estão centradas numa faixa diagonal em toda a imagem, que se estendem do canto inferior esquerdo ao canto superior direito, faixa que corresponde à zona mais montanhosa. Perto dos setores centrais superior e inferior direito, são vistas outras bolsas de TKE elevado, sugerindo uma turbulência localizada. As regiões sinalizadas a verde e amarelo representam valores moderados de TKE que indicam uma mudança progressiva de áreas de alta turbulência para regiões de fluxo mais estáveis, e circundam maioritariamente as zonas de alto TKE. A distribuição do TKE indica que o fluxo de ar é significativamente influenciado pelo terreno subjacente. Pode haver uma crista, um vale ou outras características topográficas notáveis que criam uma turbulência maior, conforme indicado pela faixa diagonal central com TKE elevado. É provável que os padrões meteorológicos mais turbulentos sejam registados em locais com TKE elevado, o que pode ter um impacto nas condições climáticas locais e, consequentemente, na produção de energia eólica. Como deu para compreender pelas últimas imagens, existe muitas variáveis presentes na consistência do modelo atmosférico. Para este trabalho é importante que se encontre solidez na modelação do ABL. Mesmo sabendo que o terreno apresenta turbulência devido à rugosidade, nota-se que à medida que subimos em altura e nos afastamos do solo, os valores da velocidade ficam cada vez mais consistentes. Caso
85 os valores da velocidade do vento, à medida que se sobe em altura, tendam a ficar mais próximos em diferentes zonas, vai constituir uma métrica que mostre que o estudo esteja a produzir resultados válidos. O mesmo se verifica na Tabela 4.4 - Variação da velocidade e o seu erro em posições distantes do mapa, testado para diferentes alturas.. Tabela 4.4 - Variação da velocidade e o seu erro em posições distantes do mapa, testado para diferentes alturas. Os resultados da tabela mostram o perfil da velocidade em três zonas distintas da simulação em função da altura a que se encontra, desde o solo montanhoso, até ao topo onde se encontra a parede de simulação. No gráfico da Figura 4.19 consegue-se ver o perfil de velocidade inicial na entrada do seu domínio é mostrado por esta linha (vermelha). Como é típico de uma ABL, exibe um aumento progressivo da velocidade do vento com a altura. O segundo perfil de velocidade é mostrado pela linha (azul), que é de 1000 metros no domínio. Mostra um aumento maior da velocidade com a altura em comparação com o perfil de entrada, especialmente nos níveis mais baixos o que implica que à medida que a ABL se expanda no domínio, está a evoluir e a tornar-se mais errática. Por fim, o último perfil de velocidade é mostrado pela linha (verde). Com um aumento notável da velocidade nas camadas inferiores e um aumento mais gradual da velocidade mais acima, a ABL está ainda mais desenvolvida neste caso o que sugere que a camada superficial da ABL evoluiu para uma fase mais madura com um perfil logarítmico distinto. Quanto mais longe da entrada os perfis de velocidade ficam, mais íngremes e mais pronunciados eles se tornam. O facto dos perfis a 1000 e 2000 metros terem declives mais acentuados do que o da entrada é também um sinal da mudança das características de rugosidade da superfície do domínio, tais como a topografia ou estruturas. Altura [m] Velocidade [m/s] Erro entre 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 Figura 4.19 – Perfis da velocidade em três linhas distintas no espaço (a 0, 1000m e 2000m da entrada de ar). No próximo gráfico da Figura 4.20, apresentam-se as mesmas varáveis com a alteração da localização em análise. Agora analisa-se a saída de ar, o centro do volume e a entrada de ar, que são três locais diferentes a examinar. A ABL está no seu estado inicial na entrada, onde exibe um aumento lento da velocidade com a altura devido ao distanciamento da rugosidade do solo, seguindo o perfil logarítmico previsto. Se repararmos, à medida que se aproxima do centro do parque o perfil de velocidade muda visivelmente. A ABL acelera significativamente abaixo dos 1000 m, na parte inferior da faixa. A justificação para isto acontecer deve-se ao fato de cada linha traçada começar a uma altura diferente devido às diferenças de elevação do terreno.
87 Figura 4.20 - Perfis da velocidade em três linhas distintas no espaço (entrada centro e saída de ar). Em comparação com o gráfico anterior, que ilustrava a evolução da ABL em função de uma curta distância, este gráfico esclarece as diferenças geográficas no interior do parque. Denota-se que existe uma diferença mais pronunciada entre perfis de velocidade quando aumenta a distância entre pontos de análise. Tendo isto em conta, na Tabela 4.5 encontra-se a quantificação numérica do erro percentual, em ponto de comparação com a anterior Tabela 4.4. Tabela 4.5 - Variação da velocidade e o seu erro em posições vizinhas do mapa, testado para diferentes alturas. Altura [m] Velocidade [m/s] Erro entre 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 Capítulo 5, prepara o terreno para uma exploração aprofundada da implementação e modelação de turbinas eólicas em terrenos complexos. Inicialmente, o capítulo passa pela implementação e validação de uma turbina eólica no terreno. O capítulo aprofunda as especificações técnicas da turbina SG 6.6-170, enfatizando a sua compatibilidade com as condições locais de vento e as complexidades computacionais colocadas pelo seu grande diâmetro do rotor. Segue-se uma secção sobre a geração de malhas, destacando a necessidade de malhas finas perto do disco do atuador para captar com precisão os padrões turbulentos e os défices de velocidade. Subsequentemente, é discutida a implementação no Ansys Fluent, detalhando as condições aplicadas para simular a interação do vento com a turbina, incluindo os processos de impulso de força e extração de energia. As análises de convergência, os perfis de velocidade, os contornos de pressão e as distribuições de energia cinética da turbulência são meticulosamente examinados, ilustrando o impacto da turbina eólica no fluxo de ar e na eficiência da produção de energia. Finalmente, o capítulo aborda a implementação e validação de múltiplas turbinas eólicas, delineando as complexidades dos efeitos da esteira e do posicionamento das turbinas num parque eólico, sublinhando a importância de otimizar o espaçamento das turbinas para equilibrar a produção de energia e o desgaste mecânico. Esta visão geral abrangente fornece uma compreensão fundamental necessária para as investigações mais específicas dos capítulos subsequentes. 5.1 Implementação e validação de uma turbina eólica no terreno Para este subcapítulo serão aproveitados dados da modelação anterior. Assim, tanto a “Aquisição dos dados do terreno” abordada no 4.3.1, como a “Modelação dos dados topográficos” no 4.3.2, transitam para esta avaliação. O objetivo é, numa primeira fase, entender o comportamento que o fluxo de vento terá em contacto com o disco atuador, com a particularidade de o terreno ser acidentado e imprevisível. Assume-se que a em termos de domínio computacional temos exatamente o mesmo volume, visto que da implementação da turbina não acrescenta, apenas modifica o dito volume. Modelação da interação da turbina eólica com o vento Este estudo analisa o movimento atmosférico do vento através de uma turbina eólica que foi concebida para se assemelhar a um disco atuador.
95 A densidade do ar utilizada (1.07 𝐾𝑔/𝑚3) é a densidade a 1000𝑚, altura do parque eólico tal como a velocidade do vento é retirada de um conjunto de medições previamente feitas do vento na zona de Seabra, a região onde incide o estudo. [54] Dentro da “Cell Zone Conditon” falta apenas especificar a “source”, ou seja, a fonte de onde este fluido da forma de ar se encontra. A área varrida do rotor foi um dado fornecido no documento de especificações dimensionais da turbina SG 6.6MW. De salientar que o 𝐶𝑝 também é fornecido pelo documento caso se entenda utilizar. Ao calcular estes valores de acordo com a velocidade do vento gera-se o que se vê na Figura 5.7: Figura 5.7 - Análise do comportamento do da turbina através da força de impulso. Para reduzir o custo de computação, tornar a Equação mais simples, e conseguir replicar com maior exatidão os dados brutos (que estão representados pelos pontos azuis ao longo da curva do gráfico), dividiuse o primeiro gráfico na Figura 5.8 e na Figura 5.9, conforme se pode visualizar: y = 1E-05x60.0011x5+ 0.0388x40.6634x3+ 5.6494x221.102x + 29.23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 5 10 15 20 25 30 Força de Impulso (N/m3) Velocidade do vento [m/s]
96 Figura 5.8 - Análise simplificada do comportamento do da turbina através da força de impulso (parte 1). Figura 5.9 - Análise simplificada do comportamento do da turbina através da força de impulso (parte 2). De seguida, transcreve-se este modelo analítico para o editor de expressões (Figura 5.10). Especificamente, esta expressão vai categorizar o momento Y de todas as “cell zone conditions”, ou seja, de todos os discos atuadores. Escolheu-se o momento Y, porque o eixo Y foi definido para todo o trabalho como a direção de entrada e a saída do ar. y = -0.0341x3 + 0.6853x2 - 2.9508x + 4.9762 0 2 4 6 8 10 12 0246810 Força de Impulso (N/m3) Velocidade do vento [m/s] y = -0.0036x3+ 0.2106x24.3032x + 34.846 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 5 10 15 20 25 30 Força de Impulso (N/m3) Velocidade do vento [m/s]
97 Figura 5.10 - Inserção da Equação simplificada na linguagem do Ansys Fluent. Análise de Resultados Começando como na primeira análise, com uma análise de convergência, apresenta-se um gráfico de velocidade, que é medido em função da altura em três posições específicas, uma na entrada de ar, uma na turbina em análise e outra na saída de ar. Como se pode verificar na Figura 5.11, continua a existir uma convergência à medida que se se sobe na altura do domínio, independentemente da volatilidade que se apresenta nas zonas mais baixas, especificamente a da linha azul, linha qual representa o perfil em altura da turbina em análise. Figura 5.11 - Perfis da velocidade em três linhas distintas no espaço (entrada, turbina 1 e saída de ar).
98 Passando para uma imagem ilustrativa da velocidade, visualiza-se o impacto de uma turbina eólica no campo de escoamento, onde se regista uma diminuição notável da velocidade, conforme indicado pela transição de velocidades mais elevadas (vermelho) para velocidades mais baixas (azul) a jusante da turbina. O efeito de esteira, que se estende de forma longitudinal, mostra como a turbina afeta o fluxo de vento na sua vizinhança, resultando numa diminuição da velocidade e na presença de turbulência na sua esteira. Os contornos apresentados de seguida na Figura 5.12 são todos realizados numa região que se encontra a 150 m do chão, altura a nível do rotor da turbina. Figura 5.12 - Modelação dos contornos da velocidade à altura do rotor (z =150 m). A Figura 5.13, que a seguir se apresenta, revela com maior evidência as alterações na velocidade consoante o eixo y, de que se sobressai uma flutuação significativa na secção central. A mudança abrupta na velocidade é causada pela interação entre o fluxo de ar e uma turbina eólica, como já se tinha analisado. Com base nos dados observados, parece haver um aumento significativo da velocidade imediatamente antes do declínio, indicando que o ar sofre uma aceleração à medida que se aproxima da turbina. A explicação para este fenómeno é consequência do terreno que ocorre quando o fluxo é conduzido para o topo da colina e seguidamente pela turbina, resultando num aumento da velocidade. Após o pico, há uma diminuição notável na velocidade, sugerindo que o ar está a abrandar à medida que se move através das pás da turbina. Isto deve-se ao facto de a turbina estar a extrair energia cinética do ar para gerar energia.
99 Figura 5.13 – Representação do comportamento da velocidade na linha paralela ao solo que atravessa a turbina 1. De seguida, é apresentada a pressão na Figura 5.14. Embora não seja tão notável o impacto que esta cria nos contornos do mapa, consegue-se perceber uma pressão negativa a jusante da turbina e uma pressão mais positiva na região mais próxima a montante da turbina. Figura 5.14 - Modelação dos contornos da pressão à altura do rotor (z =150 m).
100 As flutuações de pressão mais significativas são observadas perto da turbina eólica, especificamente em torno de Y = 600 m. Verifica-se uma diminuição notável da pressão imediatamente antes da turbina, possivelmente causada pela aceleração do fluxo de ar à medida que converge para o rotor. Uma vez passada a turbina, a pressão recupera lentamente, mas ainda permanece mais baixa do que os níveis a montante. Isto deve-se ao facto de a turbina extrair energia e de haver também uma esteira turbulenta presente. O perfil de pressão na Figura 5.15 também mostra flutuações de menor escala no terreno, particularmente nas imediações da turbina pelo resultado da interação do vento com as características do terreno, já que morfologia topográfica, como colinas, vales ou outros obstáculos podem levar a variações na velocidade e direção do vento que fazem disparidades na pressão. Por fim, analisa-se a energia cinética turbulenta. É imprescindível considerá-la visto que fornece uma maneira de medir a intensidade da turbulência. A Figura 5.16 representa as alterações na energia cinética turbulenta ao longo do domínio do escoamento à medida que passa pelo disco atuador, por volta da quota dos 600 m tal como anteriormente. Ao encontrar esta obstrução, a velocidade do vento diminui, levando a um aumento significativo da intensidade da turbulência. Este fenómeno é lógico, uma vez que o disco atuador funciona como um desiqilibrador do fluxo e consequentemente um aumento da turbulência. Figura 5.15 - Representação do comportamento da pressão na linha paralela ao solo que atravessa a turbina 1.
101 Em detrimento dos perfis teóricos de energia cinética turbulenta, esta turbulência apresenta um comportamento bastante mais caótico devido a factores como o efeito rotativo e o regime montanhoso. Figura 5.16 - Representação do comportamento da TKE na linha paralela ao solo que atravessa a turbina 1. 5.2 Implementação e validação com várias turbinas eólicas no terreno Os dados da modelação anterior são suficientes para este subcapítulo. Assim, os tópicos de "Aquisição de dados do terreno" no 4.3.1 e "Modelação com os dados topográficos" no 4.3.2 continuam relevantes para esta avaliação. Tal como no capítulo 5.1, “Implementação e validação de uma turbina eólica no terreno”, o objetivo é tentar compreender de como o fluxo de vento reagirá com terreno no caso de ser acidentado e imprevisível, a sua interação com os discos atuadores e a interação dico atuador com disco atuador. Assume-se que temos exatamente o mesmo volume no campo computacional, porque a implementação da turbina não adiciona nada, apenas altera o volume acima mencionado. Outro objetivo deste capítulo é compreender como é que o efeito de esteira produzido por uma turbina afetará outra que se encontre imediatamente atrás da mesma.
102 O parque eólico Ao agrupar um número de turbinas no mesmo terreno acaba-se por ter um parque eólico que é conjunto de turbinas eólicas implantadas num local que é utilizado para gerar eletricidade. Também pode ser descrito como estação de energia eólica ou central eólica. O posicionamento de cada uma destas estruturas é essencial para maximizar a produção do parque eólico com duas ou com cem turbinas eólicas, pois estas posicionam-se umas em relação às outras para otimizar a energia sem aumentar os custos de capital e esta é a chave da eficiência eólica. O problema que se levanta é que as turbinas com elevado espaçamento precisam de cabos mais longos para ligar cada estrutura à rede elétrica. Se o espaçamento for demasiado pequeno, as turbinas a montante terão um impacto significativo nas turbinas a jusante, existindo mais turbulência e um maior desgaste mecânico e, consequentemente, a uma redução significativa da eficiência. Daí que a distância entre as turbinas deve ser cuidadosamente estudada. A localização da implementação de cada turbina no parque eólico pode assumir muitas formas diferentes. Neste estudo as turbinas em estudo já assumem uma posição pré-definida, cuja performance energética será a seguir analisada. Em princípio, o diâmetro do rotor de um parque eólico torna a distância entre as turbinas sem dimensão. Em geral, a colocação das turbinas eólicas é implantada pelo menos seis vezes o diâmetro do seu rotor e quatro vezes na direção do vento predominante. No entanto, como se trata de um terreno montanhoso, esta regra não se aplica devido às alterações de elevação do terreno e súbitas mudanças de pressão. Criação da malha A malha do domínio tal como a criação da malha para um disco atuador já foram previamente criadas. Para este contexto é necessário replicar a criação da malha para o resto dos discos atuadores que é demostrado visualmente pela Figura 5.17: Figura 5.17 - Vista em perspetiva da malha dos discos atuadores no modo de vista wireframe.
103 Para esta malha o número de nós foi 87154 e número de elementos 414429 (501,583 < 512,000). Análise e Extrapolação de Resultados A Figura 5.18 representa um mapa de contorno de velocidade de um parque eólico, retratando o comportamento do fluxo de ar na presença de várias turbinas eólicas distribuídas pelo campo. Figura 5.18 - Vista de cima do domínio que compreende as turbinas em análise pela sua velocidade. Podemos categorizar esta zona por duas fileiras diagonais no sentido 𝑥𝑦. Uma primeira fileira de turbinas, A, que começa do centro do domínio e prossegue até ao canto inferior esquerdo e uma fileira paralela a essa, B, que começa sensivelmente no canto superior direito e acaba no canto inferior esquerdo, com uma distância de separação da primeira fileira. A zona superior da fileira B, encontram-se velocidades do vento mais elevadas, como indicado pela cor vermelha, visto que estas possuem a maior altura do domínio e não têm qualquer bloqueio de esteira. A distância longitudinal entre as turbinas, como já referido, também afeta significativamente a distribuição da velocidade do vento. Por isso, a zona inferior da fileira B sofre bastante com esse aspeto Um tópico que ainda carece de abordagem é o espaçamento lateral (lado a lado) entre as turbinas que desempenha um papel crítico na eficiência global do parque eólico. Nas regiões onde as turbinas estão pouco espaçadas lateralmente, os efeitos da esteira sobrepõem-se, levando a uma redução cumulativa da velocidade do vento para ambas as turbinas em questão, como é o caso dos pares de turbinas 10 e 11, 8 e 9, 6 e 2. Este efeito pode ser visto com maior pormenor na Figura 5.19. A B
104 Figura 5.19 - Vista de perspetiva do domínio que compreende as turbinas em análise pela sua velocidade Turbinas com distanciamento otimizado A Figura 5.19 revela uma vista lateral do campo de velocidade do ar à medida que este interage com duas turbinas eólicas (turbina 1 e turbina 2) enquanto flui sobre o terreno. A turbina 1 da imagem é a mesma turbina utilizada na simulação do subcapítulo 5.1. Quando o ar atinge a primeira turbina, há uma clara diminuição da velocidade perto do solo, mostrada pela mudança de cores de amarelo para verde e azul como é a tendência vista até agora. O ar, que volta a acelerar após a primeira turbina, desacelera ao chegar à segunda turbina, como indicado pela transição de cores de amarelo para verde e azul. No entanto, a turbina a jusante praticamente não foi afetada pela turbina a montante devido à colocação idealizada em termos de distância. Como se pode observar na Figura 5.20, ambos os discos atuadores têm perfis de velocidade semelhantes, o que lhes permite gerar a mesma quantidade de potência, assumindo que a primeira turbina não tem qualquer efeito sobre a direção do vento que se aproxima. 1 11 10 9 8 7 2 6 5 4 3
111 De salientar também que as turbinas 1, 2, 3 e 6 não estão a beneficiar de um potencial eólico da região tão alto como as restantes, como se pode ver pela cor do contorno. No aproveitamento eólico, um aumento da velocidade média dos ventos numa determinada região tem uma consequência exponencial no aumento da produção e energia até aos 9 𝑚/𝑠, como se comprova pela Figura 5.3. Idealmente, uma nova localização seria escolhida para melhor capitalizar no investimento destas quatro turbinas eólicas.
112 6. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Neste capítulo, serão apresentadas as principais conclusões retiradas ao longo do trabalho e perspetivas dos trabalhos futuros de forma a melhorar os modelos apresentados ao longo da dissertação. 6.1 Conclusões Esta dissertação apresenta uma análise dos efeitos do terreno e do vento no desempenho das turbinas eólicas com base no seu posicionamento. Utilizando técnicas sofisticadas de modelação da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), tornou-se possível reproduzir os fluxos atmosféricos em terrenos complexos e avaliar as suas interações com as turbinas eólicas. A análise da forma como a topografia e o vento afetam as turbinas eólicas tendo em conta a sua localização, proporcionou conhecimentos substantivos que podem funcionar não só como um complemento para compreender o processo de modelação de um parque eólico, como também constituir uma ajuda na análise da viabilidade das infraestruturas de energia eólica. O objetivo principal desta dissertação foi atingido através do desenvolvimento de uma técnica com CFD que modela com precisão o fluxo de ar em torno de uma turbina eólica. O modelo desenvolvido mostrou-se ser adequado para prever o fluxo de vento com a ajuda do software ANSYS Fluent. Foram efetuadas três simulações principais. A primeira, foi relativa ao escoamento de ar sobre uma topografia complexa. Com base nas simulações efetuadas, observou-se que o modelo CFD tinha a capacidade de prever com precisão o fluxo do vento e a turbulência. Os resultados da modelação revelaram disparidades substanciais na velocidade e pressão ao longo da topografia, enfatizando áreas de pressão elevada e diminuída que se alinham com regiões de aceleração e desaceleração do vento. Essas variações são essenciais para determinar as posições mais favoráveis para as turbinas, a fim de maximizar a captação de energia eólica e reduzir a tensão estrutural causada por fluxos turbulentos. De seguida, realizou-se uma modelação da interação entre o fluxo atmosférico e uma turbina eólica modelada como um disco atuador. O disco apresentou uma boa eficácia, relativamente ao seu custo computacional, na representação exata da interação entre o fluxo de ar e uma turbina eólica. Os resultados indicaram que o desempenho da turbina foi diretamente afetado pela aceleração e abrandamento do fluxo causado pela morfologia acidentada do terreno e que colocação estratégica de turbinas em potenciam a produção de energia e aumentar o tempo de vida das turbinas. A última análise compreendeu um conjunto de turbinas eólicas e avaliou os impactos que ela tem entre de acordo com o terreno, com especial ênfase para a importância chave que as interações do escoamento tiveram para aferir resultados. Os resultados indicaram que existia espaçamento inadequado
113 entre algumas turbinas presentes, diminuindo assim a eficiência e o tempo de vida da turbina. Por outro lado, existiam turbinas, tanto na direção lateral como na direção frontal, bem otimizadas que reduziu o impacto negativo da turbulência, assegurando que cada turbina funcionasse num fluxo que não perturbado. O posicionamento de turbinas eólicas em terrenos com variações substanciais de elevação exige uma consideração meticulosa dos efeitos da turbulência e das alterações no fluxo de vento local, tal como indicado pelos resultados. Os resultados sugerem que as turbinas colocadas a altitudes mais elevadas na paisagem, longitudinalmente em 11D e transversalmente em 3D entre elas são capazes de aproveitar de forma otimizada o potencial eólico. Além disso, a investigação concluiu que o aumento da dimensão dos diâmetros dos rotores melhora a capacidade de aproveitamento da energia em zonas com ventos fortes. No entanto, isto também requer a utilização de modelos informáticos sofisticados para prever com precisão o desempenho e determinar a localização mais eficaz. Por fim, cremos que a presente dissertação contribuiu para a compreensão da influência das condições do terreno e do vento na eficiência das turbinas eólicas. O conhecimento adquirido com as simulações CFD oferece uma base sólida para melhorar as configurações dos parques eólicos, um aspeto crítico no reforço da eficácia global de qualquer domínio em estudo. 6.2 Trabalhos futuros No desenvolvimento do presente estudo tornou-se evidente que a morfologia acidentada de um terreno levanta desafios para as estimativas e modelação do potencial de um parque eólico. Também, a vegetação, devido à sua excecional capacidade amortizar o impulso do vento, tem um impacto notável na colocação das turbinas eólicas. Rapidamente se tornou claro que a simulação exata de tais circunstâncias está longe de ser simples. Neste projeto, foi utilizada apenas uma constante para representar a rugosidade do terreno manifestada por todo o seu volume. A realidade é que na natureza não se reflete esta qualidade. Como trabalho futuro, seria relevante criar um modelo que usasse uma rugosidade adaptada baseado no terreno e que seria um grande avanço para uma modelação mais realista. Para ajudar nesta tarefa, seria fulcral o uso inicial do software FLORIS que é abordado em maior compreensão em 0 – Anexo 2. Os terrenos acidentados, caraterizados por um desnível com elevado declive pós turbina, ou seja, a jusante, criam um elevado delta de pressão e colocam um grande desafio na construção de um parque eólico. A diferença que provoca o escoamento inverso do ar, representa por assim dizer um movimento circular em que as partículas voltam a ir ao encontro da turbina. Este efeito provoca enorme desgaste e redução da
114 eficiência da turbina. Futuramente, seria um tópico de relevância para investigação, analisar e calcular com maior precisão a dimensão deste efeito. Como esperado, não se encontrou qualquer estudo prévio da zona para comparação. Certas verificações tornaram-se muito difíceis de comprovar com parâmetros analíticos de forma a que existiu a necessidade de fazer várias correlações entre estudos. Num próximo estudo, neste mesmo domínio, partir deste ponto pode constituir um alicerce que nos parece bem consolidado e desta forma fornecer um contributo para ajudar a progredir mais rapidamente e minimizar os erros.
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127 O rotor é uma construção de três pás, montado contra o vento da torre. A potência de saída é controlada por regulação da procura de binário. A velocidade do rotor é variável e foi concebida para maximizar a potência de saída, mantendo as cargas e o nível de ruído. A Nacelle foi concebida para permitir o acesso seguro a todos os pontos de manutenção durante a manutenção programada. Além disso, a Nacelle foi concebida para permitir a presença segura de técnicos de serviço na Nacelle durante os ensaios de serviço com a com a turbina eólica em pleno funcionamento. Isto permite um serviço de alta qualidade da turbina eólica e proporciona ótimas condições de resolução de problemas. Pás As pás da Siemens-Gamesa 5.X são feitas de componentes moldados por infusão de fibra de vidro e carbono. A estrutura da lâmina usa cascas aerodinâmicas contendo capas de longarinas embutidas, ligadas a dois componentes principais de epóxi-fibra de vidro-balsa/espuma. As pás da Siemens-Gamesa 5.X utilizam um desenho de pás baseado em aerofólios de propriedade da SGRE. Cubo do Rotor O cubo do rotor é fundido em ferro fundido nodular e é montado no eixo de baixa velocidade do trem de força com uma conexão de flange. O cubo é suficientemente grande para dar espaço aos técnicos de assistência durante a manutenção das raízes das pás e dos rolamentos de passo a partir do interior da estrutura. Unidade de tração A unidade de tração é um conceito de suspensão de 4 pontos: veio principal com duas chumaceiras principais e a caixa de velocidades com dois braços de binário montados na estrutura principal. A caixa de velocidades está em posição cantilever; o suporte planetário da caixa de velocidades é montado no veio principal por meio de uma junta aparafusada com flange e suporta o eixo principal por meio de uma junta aparafusada com flange e suporta a caixa de velocidades. Veio principal O veio principal de baixa velocidade é forjado e transfere o binário do rotor para a caixa de velocidades e os momentos de flexão para a estrutura da cama através das chumaceiras principais e das caixas de chumaceiras principais. Rolamentos principais
128 O eixo de baixa velocidade da turbina eólica é suportado por dois rolamentos de rolos cónicos. Os rolamentos são lubrificados com massa. Caixa de velocidades A caixa de velocidades é do tipo de alta velocidade com 3 fases (2 planetárias + 1 paralela). Gerador O gerador é um gerador trifásico assíncrono duplamente alimentado com um rotor bobinado, ligado a um conversor de frequência PWM. O estator e o rotor do gerador são ambos feitos de laminações magnéticas empilhadas e enrolamentos formados. O gerador é arrefecido por ar. Travão mecânico O travão mecânico está instalado na extremidade não motriz da caixa de velocidades. Sistema de guinada Uma estrutura de base fundida liga a unidade de tração à torre. O rolamento de guinada é um anel de engrenagem externo de fricção. Uma série de motores elétricos de engrenagens planetárias aciona a guinada. Cobertura da Nacelle A proteção contra intempéries e o invólucro à volta da maquinaria na Nacelle são feitos de painéis laminados reforçados com fibra de vidro reforçados com fibra de vidro. Torre A turbina eólica é montada, de série, numa torre tubular cónica de aço. Estão disponíveis outras tecnologias de torre para alturas de cubo mais elevadas. A torre tem subida interna e acesso direto ao sistema de guinada e à Nacelle. Está equipada com plataformas e iluminação elétrica interna. Controlador O controlador da turbina eólica é um controlador industrial com microprocessador. O controlador é completo com dispositivos de comutação e dispositivos de proteção e é auto-diagnosticável. Conversor Ligado diretamente ao rotor, o conversor de frequência é um sistema de conversão 4Q back to back com 2 VSC num elo de corrente contínua comum. O conversor de frequência permite o funcionamento do
129 gerador a velocidade e tensão variáveis, enquanto fornece energia a uma frequência e tensão constantes ao transformador de MT. SCADA A turbina eólica permite a ligação ao sistema SCADA do SGRE. Este sistema oferece controlo remoto e uma variedade de visualizações de estado e relatórios úteis a partir de um browser de Internet normal. As visualizações de estado apresentam informações incluindo dados elétricos e mecânicos, estado de funcionamento e avarias, dados meteorológicos e dados da estação de rede. Monitorização do estado da turbina Para além do sistema SCADA da SGRE, a turbina eólica pode ser equipada com a configuração única de monitorização do estado da SGRE. Este sistema monitoriza o nível de vibração dos componentes principais e compara os espectros de vibração atuais com um conjunto de espectros de referência estabelecidos. A revisão dos resultados, a análise detalhada e a reprogramação podem ser efetuadas através de um navegador Web normal. Sistemas de funcionamento A turbina eólica funciona automaticamente. O seu arranque é automático quando o binário aerodinâmico atinge um determinado valor. Abaixo da velocidade nominal do vento, o controlador da turbina eólica fixa as referências de passo e binário para funcionar no ponto aerodinâmico ótimo (produção máxima), tendo em conta a capacidade do gerador. Quando a velocidade nominal do vento. Quando a velocidade nominal do vento é ultrapassada, a exigência da posição do passo é ajustada para manter uma produção de energia estável igual ao valor nominal. Se o modo de vento forte for ativado, a produção de energia é limitada quando a velocidade do vento excede um valor limiar definido pelo projeto, até que o corte seja efetuado e a turbina eólica deixe de produzir energia. Se a velocidade média do vento exceder o limite operacional máximo, a turbina eólica é desligada através do lançamento das pás. Quando a velocidade média do vento desce abaixo da velocidade média de reinício, os sistemas reiniciam-se automaticamente. Análise de Confiabilidade e Manutenção A turbina SG 6.6-170 está equipada com sensores avançados para monitoramento contínuo da condição dos componentes críticos. O sistema de manutenção preditiva utiliza dados de sensores para prever falhas antes que ocorram, minimizando o tempo de inatividade e os custos de reparo.
130 Manutenção Rotineira: Inclui inspeções visuais, verificação de aperto de parafusos, e lubrificação de componentes críticos a cada seis meses. Manutenção Preventiva: Substituição de componentes desgastados ou próximos ao fim de sua vida útil, geralmente realizada anualmente. Manutenção Corretiva: Intervenção imediata em caso de falhas inesperadas, com suporte técnico da Siemens-Gamesa disponível 24/7. Impacto Ambiental A turbina SG 6.6-170 contribui significativamente para a redução das emissões de CO2, ao substituir fontes de energia baseadas em combustíveis fósseis. Com uma capacidade de 6.6 MW, uma única turbina pode gerar eletricidade suficiente para abastecer aproximadamente 5.000 residências, evitando a emissão de milhares de toneladas de CO2 anualmente. O nível de ruído máximo de 106 dBA é gerido através de design aerodinâmico das pás e isolamento acústico na Nacelle, garantindo a conformidade com as normas ambientais e a minimização do impacto sonoro nas comunidades próximas. A Siemens Gamesa implementa medidas para mitigar o impacto na vida selvagem, incluindo estudos de impacto ambiental e a adoção de práticas de instalação que protejam a fauna local.
131 Anexo 2 – Software FLORIS (NREL) FLORIS (FLOw Redirection and Induction in Steady-state) é um software avançado de simulação de parques eólicos, desenvolvido para modelar e otimizar o desempenho de turbinas eólicas em um parque. Utilizando modelos de esteira adequado para a turbina SG 170-6.6, o FLORIS proporcionou uma estrutura em Python especialmente focada na performance e rapidez de cálculo, permitindo a análise detalhada e a otimização do posicionamento das turbinas eólicas em jogo. Funcionalidades do FLORIS 1. Modelagem de Esteira (Wake Modeling) • Modelo JENSEN: Um dos modelos de esteira mais utilizados, que estima a redução de velocidade e a expansão da esteira à medida que o vento passa pelas turbinas. • Modelos Avançados: Incluem opções para modelar o comportamento da esteira com maior precisão, levando em consideração efeitos de turbulência e interações entre múltiplas turbinas. 2. Otimização de Ângulo de Yaw: • Yaw Misalignment: A capacidade de ajustar o ângulo de yaw das turbinas para redirecionar o fluxo de vento, minimizando a interferência de esteira entre as turbinas e maximizando a produção de energia do parque como um todo. • Redução de Turbulência: Através da variação do yaw , é possível diminuir a turbulência nas esteiras, melhorando a eficiência e a vida útil das turbinas. 3. Simulação de Cenários: • Cenários de Vento: Possibilidade de simular diferentes condições de vento, ajustando parâmetros como velocidade e direção para analisar o desempenho do parque sob variadas situações. • Configurações de Parques: Teste de diferentes layouts e espaçamentos entre turbinas para identificar a configuração mais eficiente. Resultados das Simulações com FLORIS Os resultados obtidos através de teste com o FLORIS incluem várias análises gráficas e esquemáticas que ilustram o comportamento das esteiras e a performance de uma turbina, várias ou até mesmo do parque sob diferentes condições.
132 1 Modelagem de Esteira Comparação de Modelos de Turbulência do Vento e Performance da Turbina Eólica Neste ponto apresenta-se uma comparação de três cenários distintos de modelagem de turbulência do vento utilizando diferentes abordagens Gaussianas com o objetivo de analisar o impacto nas turbinas eólicas: (1) Curva Gaussiana Híbrida, (2) Curva Gaussiana Acumulativa e (3) Diferença entre os dois modelos. Cenário 1: Curva Gaussiana Híbrida A Curva Gaussiana Híbrida combina elementos de diferentes modelos Gaussianos para uma representação mais precisa da turbulência do vento. Este modelo considera variáveis como a direção e a intensidade do vento, ajustando a curva para refletir variações complexas. Características que a determinam são a alta precisão na modelagem da distribuição de turbulência e ser ajustável para diferentes condições de vento. Cenário 2: Curva Gaussiana Acumulativa A Curva Gaussiana Acumulativa utiliza a soma das distribuições Gaussianas para representar a turbulência do vento. Este modelo oferece uma visão média acumulada ao longo do tempo ou espaço. Características que a determinam são a implementação e interpretação fáceis, representação mais suave e estável da turbulência. Cenário 3: Diferença entre os Modelos
133 A comparação entre os modelos Gaussiano Híbrido e Acumulativo destaca variações e discrepâncias na representação da turbulência do vento. Pode-se destacar que o modelo híbrido oferece maior detalhamento, enquanto o acumulativo apresenta uma visão mais estável. Já em termos de variações locais o modelo híbrido deteta-as mais facilmente enquanto o acumulativo suaviza-as. A escolha entre a Curva Gaussiana Híbrida e a Curva Gaussiana Acumulativa depende das necessidades específicas do projeto. O modelo híbrido oferece maior detalhamento e é ideal para otimizações precisas, enquanto o modelo acumulativo proporciona uma visão geral estável, facilitando o planejamento estratégico. Comparar as diferenças entre os modelos é essencial para maximizar a eficiência e a produção de energia dos parques eólicos, conforme reiterado na literatura. 2 Otimização de Ângulo de Yaw Este teste foca nas variações do ângulo de YAW e suas consequências diretas na perda de potência das turbinas eólicas. Diferentes ângulos foram testados para observar como a orientação da turbina em relação à direção do vento impacta na produção de energia. Conclusões do Segundo Teste Os resultados mostram que há uma relação clara entre o ângulo de YAW e a eficiência na geração de energia. Ângulos de YAW desajustados em relação à direção do vento resultam em perdas significativas de potência, devido à diminuição da quantidade de energia capturada pelo rotor da turbina. No entanto, ângulos de YAW otimizados podem minimizar essas perdas e melhorar a produção de energia. Comparação das Quatro Figuras no Segundo Teste: As figuras apresentadas no Teste 5 ilustram diferentes cenários de ângulos de YAW e suas consequências na produção de potência: Figura 1: Mostra a potência gerada com um ângulo de YAW alinhado com a direção do vento, evidenciando máxima eficiência energética.
134 Figura 2: Apresenta um pequeno desvio no ângulo de YAW, resultando em uma leve diminuição na potência gerada. Figura 3: Ilustra um desvio moderado no ângulo de YAW, com uma redução significativa na potência. Figura 4: Demonstra um grande desvio no ângulo de YAW, resultando em perdas máximas de potência devido à orientação inadequada em relação ao vento.
135 A análise comparativa das figuras confirma que o alinhamento preciso do YAW é crucial para maximizar a eficiência energética das turbinas. Estas conclusões são valiosas para o desenvolvimento de estratégias de controle avançado de YAW, que podem ser implementadas em sistemas de monitoramento e operação de turbinas eólicas para melhorar a eficiência energética e a durabilidade das instalações eólicas. Enquanto este teste explicita a redução da turbulência através da variação do YAW, o próximo teste vai destacar o impacto direto dessas variações na produção de energia. 3 Simulação de Cenários Neste teste o objetivo principal é avaliar como a variação do ângulo de YAW pode influenciar na diminuição da turbulência gerada no wake de uma turbina eólica, utilizando o modelo de Jensen. O modelo de Jensen é amplamente utilizado para estimar a distribuição da velocidade do vento e a extensão da turbulência no rastro das turbinas. A metodologia envolveu a alteração sistemática do ângulo de YAW e a subsequente medição das mudanças na intensidade da turbulência.
136 Os resultados indicam que ajustes no ângulo de YAW podem efetivamente reduzir a turbulência no rastro da turbina. Especificamente, ângulos de YAW mais elevados desviam o rastro da turbina, diminuindo a intensidade da turbulência em áreas críticas, o que pode beneficiar outras turbinas instaladas a jusante. A redução da turbulência pode levar a um aumento na eficiência global do parque eólico, minimizando as perdas de energia e prolongando a vida útil das turbinas. Código utilizado para criar as simulações de esteira no FLORIS A secção seguinte apresenta uma coleção abrangente de do código e funções que demonstram como utilizar o FLORIS. Estas implementações abrangem uma série de tarefas, desde a configuração da disposição do parque eólico e a definição das condições e proporções da turbina até ao cálculo dos efeitos de esteira e à otimização do desempenho da turbina. Ao explorar estes exemplos de código, poder-se-á obter informações sobre: • Simular efeitos de esteira sob diferentes condições de vento; • Cálculo da potência de saída e das perdas de esteira no parque eólico; • Otimização dos ângulos de guinada da turbina para a direção da esteira;