Otimização Aerodinâmica de Turbinas Eólicas Envoltas por Difusor: Uma Abordagem Computacional

Abstract

Para conter o aumento da concentração de CO2 na atmosfera e suas nocivas consequências, estudos apontam a necessidade de aumento de participação de energia não fóssil na matriz energética mundial. Dentre as alternativas possíveis, a energia eólica tem se mostrado economicamente viável e tem seu crescimento estabelecido nos cenários nacional e mundial. Apesar de grande parte da geração eólica acontecer devido a turbinas de grande porte, pequenas turbinas eólicas atendem demandas de geração distribuída e isolada. A eficiência de turbinas eólicas, no entanto é teoricamente limitada e uma possível forma de melhorar o aproveitamento da energia dos ventos é o uso de turbinas envoltas por difusores (Diffuser Augmented Wind Turbines, DAWTS). Este trabalho tem como objetivo estudar o impacto das características de vento no projeto aerodinâmico ótimo da pá de uma DAWT considerando variações radiais de velocidade devido ao uso do difusor. Baseado no momento do elemento de pá, uma nova expressão para correção de coeficientes de empuxo (thrust) para altos valores de fator de indução axial é proposta, de forma que seja adequada à avaliação de turbinas com e sem difusores. Análise gráfica é utilizada para o estudo do impacto do ângulo de pitch e da rotação na conversão de energia anual (AEP, Anual Energy Production) para diferentes regimes de vento (caracterizados por distribuições de Weibull). Evolução Diferencial (Differential Evolution, DE) é utilizada para a evolução de uma população randômica inicial de rotores de aerogeradores a uma população ótima final e duas funções objetivos, separadamente, são avaliadas: maximização da conversão de energia e maximização da conversão de energia por volume do rotor. A aptidão de cada indivíduo a ser evoluído é avaliada através da teoria do Momento do Elemento de Pá (Blade Element Theory, BEM) utilizando o novo equacionamento proposto. As variáveis a otimizadas modificam a rotação do rotor, distribuições de corda e torção ao longo do raio da turbina e ângulo de pitch. A abordagem BEM proposta, quando comparada a resultados experimentais para turbinas com e sem difusores, apresentou discrepância média de 4,45% para turbinas sem difusores e 0,28% para turbinas com difusores, melhor concordância do que outras abordagens presentes em literatura. Através da análise gráfica, com ou sem a presença de difusores, foi identificada alta dependência da rotação mais adequada com o regime de ventos, enquanto o ângulo de pitch mais adequado foi sempre próximo a valores que levam a coeficientes de potência máximos. Através da DE notou-se grande de pendência da maioria dos parâmetros estudados com o regime de ventos. O uso de difusores em turbinas otimizadas para operação sem difusores permitiu melhoria de desempenho em até 30,1% e se mostrou dependente da geometria do difusor e do regime de ventos. Um processo de otimização específica para a operação com difusores pode aumentar em até 37% o benefício da instalação do dispositivo.

Abstract: In order to contain the increase in the concentration of CO2 in the atmosphere and its harmful consequences, studies point to the need to increase the participation of non-fossil energy in the world energy matrix. Among the possible alternatives, wind energy has proven to be economically viable and has its growth established in the national and global scenarios. Although a large part of wind generation occurs due to large turbines, small wind turbines meet the demands of distributed and isolated generation. The efficiency of wind turbines, however, is theoretically limited and one possible way to improve the use of wind energy is the use of diffuser augmented wind turbines (DAWTs). This work aims to study the impact of wind characteristics on the optimal aerodynamic design of a DAWT blade considering non-uniform flow generated by the use of the diffuser. Based on the moment of the blade element, a new expression for the correction of thrust coefficients for high values of axial induction factor is proposed, so that it is suitable for the evaluation of turbines with and without diffusers. Graphical analysis is used to study the impact of pitch angle and rotation on the annual energy production (AEP) for different wind regimes (characterized by Weibull distributions). Differential Evolution (DE) is used for the evolution of an initial random population of wind turbine rotors to an optimum final population and two objective functions are evaluated separately: maximizing energy conversion and maximizing energy conversion per rotor volume. The aptitude of each individual to be evolved is evaluated through the theory of Moment of the Blade Element Theory, BEM using the proposed new equation. The optimized variables modify the rotor rotation, rope and torsion distributions along the turbine radius and pitch angle. The proposed BEM approach, when compared to experimental results for turbines with and without diffusers, showed an average discrepancy of 4.45% for turbines without diffusers and 0.28% for turbines with diffusers, better agreement than other approaches found in the literature. Through graphic analysis, with or without the presence of diffusers, a high dependence on the most appropriate rotation with the wind regime was identified, while the most appropriate pitch angle was always close to values that lead to maximum power coefficients. Through the DE it was noticed a great pending of most of the parameters studied with the wind regime.