Investigação dos parâmetros geométricos e operacionais no desempenho de rotores eólicos de pequeno e médio porte

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Canale, Thiago, 1990-
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1637266
Resumo: Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail
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spelling Investigação dos parâmetros geométricos e operacionais no desempenho de rotores eólicos de pequeno e médio porteInvestigation of geometrical and operational parameters in the performance of small and medium windmills rotorsRotoresEnergia eólicaTurbinasAerodinâmicaRotorsWind energyTurbinesAerodynamicOrientador: Kamal Abdel Radi IsmailDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A energia eólica é um dos recursos limpos e sustentáveis de energia que podem ser aproveitados sem qualquer impacto perceptível no meio ambiente. Grandes aerogeradores são geralmente instalados em terra e no mar, enquanto pequenos aerogeradores são normalmente instalados em áreas isoladas e rurais, geralmente longe da rede de distribuição. Este estudo é dedicado a investigar os parâmetros geométricos e operacionais no desempenho aerodinâmico de pequenos aerogeradores. Os parâmetros investigados incluem a seção do aerofólio e sua variação ao longo do comprimento da pá, número de pás e distribuição de corda e dos ângulos torção ao longo da pá. Seus efeitos no aerogerador e seu desempenho são determinados em termos de coeficientes de torque, potência, empuxo, eficiência e produção anual de energia. Gottingen e Joukowski foram as duas seções de aerofólio investigadas para uso em rotores de 10 kW a 200kW. O método do momento do elemento de pá foi usado para calcular o desempenho destes rotores eólicos. O código numérico foi validado com resultados experimentais e numéricos mostrando boa concordância. O código validado foi então usado para avaliar os efeitos do número de pás, distribuição linear e constante do ângulo de torção, três diferentes distribuições de corda também foram avaliadas, incluindo distribuição obtida pela metodologia, linear e elíptica, bem como o uso de múltiplos aerofólios ao longo do comprimento da pá. A distribuição de corda elíptica foi obtida para aumentar as forças nas regiões da base e intermediária e isso aumentou o torque e a potência gerada. A distribuição de corda linear resultou em um elevado coeficiente de potência na faixa de baixas velocidades de até ? = 8 e, consequentemente, alta produção anual de energia. A distribuição linear de ? resultou em redução significativa do empuxo na região intermediária da pá e redução dos momentos fletores na base da torre, o que também reduziu a eficiência e os coeficientes de potência para ambos os aerofólios. A potência gerada aumentou com o aumento do número de pás até cerca de quatro pás, onde o ganho de potência não foi suficiente para compensar o custo do rotor, já que uma parte substancial do custo é devido ao rotor e suas pás. O aumento do número de pás aumentou o torque, a potência gerada e a produção anual de energia. Os rotores baseados em Gottingen e Joukowski mostraram bom desempenho para turbinas eólicas de pequeno e médio porteAbstract: Wind energy is one of the clean and sustainable resources of energy that can be tapped without any noticeable impacts on the environment. Big wind mills are generally installed on-shore and offshore while small windmills are usually installed in isolated and rural areas generally away from the distribution network. This study is devoted to investigate the geometrical and operational parameters on the aerodynamic performance of small windmills. The investigated parameters include the airfoil section and its variation along the blade length, number of blades, and distribution of chord and twist angles along the blade. Their effects on the wind turbine and its performance are determined in terms of coefficients of torque, power, thrust, efficiency and annual power production. Gottingen and Joukowski were the two investigated airfoil sections for use in rotors from 10 kW to 200kW. The blade element momentum method was used to calculate the performance of these windmill rotors. The numerical code was validated against experimental and numerical results showing good agreement. The validated code was then used to assess the effects of number of blades, linear and constant distribution of the twist angle, three different chord distribution were also assessed including constant, linear and elliptic as well as the use of multiple airfoils along the blade length. The elliptic chord distribution was found to increase the forces at the root and intermediate regions and this increased the torque and generated power. The linear chord distribution resulted in high power coefficient in the small velocity range up to ? = 8 and consequently high annual power production. The linear distribution of ? resulted in significant reduction of thrust in the intermediate region of the blade and reduction of bending moments at the base of the tower, also this reduced the efficiency and the power coefficients for both airfoils. Generated power increased with the increase of the number of blades up to about four blades where the power gain was not enough to compensate the rotor cost since a substantial part of the cost is due to the rotor and its blades. The increase of the number of blades increased the torque, generated power and annual power production. The Gottingen and Joukowski based rotors showed good performance for small and medium power wind turbineMestradoTérmica e FluídosMestre em Engenharia Mecânica[s.n.]Ismail, Kamal Abdel Radi, 1940-Belo, Eduardo MorgadoScalon, Vicente LuizUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASCanale, Thiago, 1990-20192019-07-05T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (152 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1637266CANALE, Thiago. Investigação dos parâmetros geométricos e operacionais no desempenho de rotores eólicos de pequeno e médio porte. 2019. 1 recurso online (152 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1637266. 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