Desenvolvimento de turbinas eólicas com geometria bio-inspirada e uso de perfis aerodinâmicos gerados por métodos heurísticos
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Ricardo Poley Martins Ferreira
Guilherme de Souza Papini
Guilherme de Souza Papini
Resumo
O uso de energias renováveis vem ganhando importância nos últimos anos. Uma dessas fontes de energia que também vem crescendo é o aproveitamento de energia eólica. Um exemplo é a aprovação em fevereiro de 2022 em mais sete usinas eólicas a serem construídas na Bahia com apoio do BNDES. A melhoria desse aproveitamento é de extrema importância para a sociedade tanto em âmbito ambiental como em âmbito econômico. Existem duas abordagens de melhoria de ganhos para turbinas eólicas: localização e projeto da turbina. Esse trabalho se propôe a expandir a segunda abordagem. Para isso, serão utilizadas três técnicas de melhoria de geometria a fim de obter uma geometria ótima. Inicialmente é escolhida uma turbina eólica comercial para definir os parâmetros de escoamento. Em seguida, utilizando o método de momentum de elemeto de pá (BEMM) será criada uma geometria primária utilizando os melhores NACAs para cada seção de pá. Logo após, é introduzida em cada geometria o enflexamento proveniente de alguma das sementes selecionadas e uma segunda geometria é calculada. O uso desse enflexamento será analisado ao longo do comprimento da pá pois, apesar de reduzir algumas formas de arasto, ele também reduz sustentação. Por fim, utilizando o método de algoritmo genético, serão criadas geometrias de perfil para cada seção. De posse dessas geometrias, pode-se criar geometrias finais de turbina baseadas em cada semente estudada. Os resultados finais demonstram um ganho de potência significativo com o uso dessa metodologia. Para o melhor dos casos o ganho é de quase o dobro de potência para mesmas condições de escoamento da turbina comercial. Após os resultados teóricos, ocorre validação utilizando software comercial de fluido-dinâmica computacional (CFD). Os resultados de CFD obtidos ajudam a corroborar os resultados, apresentando diferença final de potência de menos de 10%. Essa diferença pode ser atribuída ao método empregado de compensação de enflexamento associado ao BEMM ou de outros fenômenos aerodinâmicos tridimensionais não considerados. Pode-se concluir ao final, que as geometrias finais realmente apresentam um ganho de potência de aproximadamente 4% em relação as geometrias otimizadas utilizando NACAs. Ainda assim, mais estudos de validação devem ser realizados pois algumas dimensões de análise não foram consideradas nesse método.
Abstract
The use of renewable energy has gained importance in recent years. One of these energy sources
that is also growing is wind energy. The use of this source is extremely important for society
both in the environmental and in the economic sphere. There are two approaches to improving
gains for wind turbines: location and turbine design. This work proposes to expand on the second
approach. For this, three geometry improvement techniques will be used in order to obtain an
optimal geometry. Initially, a commercial wind turbine is chosen to define the flow parameters.
Then, using the blade element momentum method (BEMM) a primary geometry will be created
using the best NACAs for each blade section. Soon after, the sweep from selected seeds is
introduced in each geometry, and a second geometry is calculated. The use of this sweep will be
analyzed along the length of the blade, because, despite reducing some forms of drag, it also
reduces lift. Finally, using the genetic algorithm method, profile geometries for each section will
be created. With these geometries in hand, it is possible to create final turbine geometries based
on each studied seed. The final results demonstrate a significant power gain with the use of this
methodology. For the best case, the gain is almost double the power for the same flow conditions
as the commercial turbine. After the theoretical results, validation takes place using commercial
computational fluid dynamics (CFD) software. The CFD results obtained help to corroborate the
results, even considering a certain final difference in potency. This difference can be attributed
to the method employed of sweep compensation within BEMM or other three-dimensional
aerodynamic phenomena not considered. In the end, it can be concluded that the final geometries
actually present a significant power gain. Even so, further validation studies should be carried
out as some dimensions of analysis were not considered in this method.
Assunto
Engenharia mecânica, Otimização, Energia eólica, Algoritmos genéticos
Palavras-chave
Otimização topológica, Energia eólica, BEMM, Algoritmo genético, CFD