Análise fluido-estrutural aplicada em rastreadores solares
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Rudolf Huebner
Michelle Fernandino Westin
Michelle Fernandino Westin
Resumo
Este trabalho apresenta uma análise fluido-estrutural de rastreadores solares de eixo único do tipo 2P, com duas fileiras de painéis solares montadas sobre o tubo de torque, equipados com módulos fotovoltaicos de aproximadamente 700 W. Esses rastreadores de eixo único (SAT) são componentes essenciais em usinas fotovoltaicas modernas, permitindo um aumento de 20% a 30% na produção de energia, dependendo da latitude da usina. O crescimento da demanda por geração de energia fotovoltaica requer o aumento das dimensões dos painéis solares, tornando-os mais suscetíveis aos efeitos das cargas de vento. Grandes módulos possuem maior área de exposição ao vento e estão sujeitos aos efeitos mais intensos dos carregamentos aerodinâmicos e a condições com maior potencial de instabilidade aeroelástica. Embora haja diversos trabalhos na literatura técnica descrevendo estudos da aerodinâmica de rastreadores solares, há poucos estudos que apresentam uma análise da interação fluido-estrutural de rastreadores sob condições de instabilidade aeroelástica.
O procedimento de solução selecionado no pacote computacional ANSYS Fluent® adota as equações médias de Reynolds na formulação de Navier–Stokes (RANS) para a estimativa dos campos de pressão e a extração dos coeficientes aerodinâmicos estacionários do escoamento no modelo tridimensional do rastreador. Esses campos de pressão tridimensionais são utilizados para estimar os esforços atuantes na estrutura do rastreador. Para a análise dinâmica do desprendimento de vórtices e de regimes associados à instabilidade aeroelástica, o modelo bidimensional transiente do rastreador é baseado na solução das equações médias não estacionárias de Reynolds (URANS). A inclusão dos efeitos da turbulência na formulação RANS é realizada por meio do modelo k-ω SST. As formulações adotadas para a análise dinâmica do escoamento são baseadas em procedimentos consagrados na literatura.
Um modelo de elementos finitos, baseado no pacote ANSYS®, é também implementado para estimar as frequências naturais e os modos de vibração do rastreador. A avaliação da resposta vibratória dos rastreadores solares indica que módulos de grande dimensão apresentam menores valores de frequência natural em razão do aumento da massa e dos momentos de inércia. Os resultados numéricos obtidos neste trabalho indicam frequências de desprendimento de vórtices na faixa de 0,7 a 0,9 Hz, em boa concordância com dados disponíveis na literatura.
A análise estrutural tridimensional, combinada com a análise dinâmica bidimensional do escoamento, permite identificar os valores de ângulo de inclinação dos painéis solares associados a projetos com maior potencial de instabilidade aeroelástica. Os resultados obtidos evidenciam a importância da integração entre o problema do escoamento e o problema estrutural no projeto de rastreadores solares empregados em usinas fotovoltaicas de grande porte.
Abstract
This work presents a fluid–structural analysis of single-axis solar trackers of the 2P type, comprising two rows of photovoltaic panels mounted on a torque tube and equipped with modules of approximately 700 W. Single-axis trackers (SATs) are essential components of modern photovoltaic power plants, enabling an increase in energy production of approximately 20% to 30%, depending on the plant latitude. The growing demand for photovoltaic energy generation has driven the increase in panel dimensions, making these systems more susceptible to wind-induced loads. Large-format modules present greater exposed areas to the wind and are therefore subject to more intense aerodynamic loading and to conditions with higher potential for aeroelastic instability. Although numerous studies in the technical literature address the aerodynamics of solar trackers, relatively few investigations focus on the fluid–structure interaction of trackers operating under aeroelastic instability-related conditions.
The solution procedure adopted in the ANSYS Fluent® computational package is based on the Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) formulation for the estimation of pressure fields and the extraction of steady aerodynamic coefficients using a three-dimensional tracker model. These three-dimensional pressure fields are employed to estimate the loads acting on the tracker structure. For the dynamic analysis of vortex shedding and of regimes associated with aeroelastic instability, a two-dimensional transient model of the tracker is adopted based on the Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes (URANS) equations. Turbulence effects are incorporated into the RANS formulation using the k-ω SST model. The formulations adopted for the dynamic flow analysis follow procedures well established in the literature.
A finite element model implemented in the ANSYS® environment is also employed to estimate the natural frequencies and vibration modes of the tracker. The evaluation of the vibratory response of the solar trackers indicates that large-format modules exhibit lower natural frequency values due to the increase in mass and mass moments of inertia. The numerical results obtained in this study indicate vortex shedding frequencies in the range of 0.7 to 0.9 Hz, which are in good agreement with data reported in the literature.
The three-dimensional structural analysis combined with the two-dimensional dynamic flow analysis enables the identification of panel tilt angles associated with designs exhibiting higher potential for aeroelastic instability. The results highlight the importance of integrating flow-related and structural analyses in the design of solar trackers employed in large-scale photovoltaic power plants.
Assunto
Engenharia mecânica, Geração de energia fotovoltaica, Reynolds, Número de, Fluidodinâmica computacional
Palavras-chave
Rastreador solar, Interação fluido-estrutura, Integridade de painéis solares, Instabilidade aeroelástica
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