Conversão de energia cinética de turbulência por turbinas de eixo horizontal

Abstract

As fontes de energia eólica e hidrocinética têm um grande potencial para suprir as necessidades globais de energia, ao mesmo tempo em que ajudam a mitigar os problemas ambientais. Entre as tecnologias para a conversão de energia renovável, as turbinas de eixo horizontal são as mais avançadas. No entanto, ainda há lacunas de conhecimento quando se trata da influência da energia cinética da turbulência em seu desempenho. Esta tese tem como objetivo investigar a influência da turbulência característica no desempenho de uma turbina de eixo horizontal. Foram realizados estudos experimentais em túnel de vento e simulações numéricas utilizando a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD). Nos experimentos, um cilindro foi utilizado a montante da turbina para manter a velocidade média e alterar as flutuações de velocidade no plano do rotor. A potência do ventilador do túnel de vento foi regulada para que a velocidade média do plano do rotor com o cilindro fosse a mesma dos experimentos sem o cilindro. Os vórtices gerados pelo cilindro concentraram energia cinética da turbulência em uma frequência específica. Na modelagem numérica, foi utilizada a técnica de Large Eddy Simulation (LES) e as mesmas configurações dos experimentos foram replicadas computacionalmente. Foram analisados o escoamento médio, os espectros de pontos a montante e a jusante da turbina com e sem o cilindro. Além disso, foi feita uma análise espectral do torque e determinada toda a curva de potência com e sem o cilindro a montante. Também foi realizada uma análise do transporte de energia cinética da turbulência no volume de controle da turbina. Os resultados mostraram que a turbina converte energia cinética da turbulência quando esta é transportada por estruturas turbulentas com frequência igual à frequência de rotação da turbina. Quando as frequências são iguais, ocorre um pico na curva de potência (𝐶𝑝), indicando a existência de um mecanismo de conversão de energia cinética da turbulência em potência do eixo. A análise numérica identificou que isso ocorre devido à difusão de pressão no volume de controle durante a interação do rotor com as estruturas de grande escala que possuem a mesma frequência de rotação da turbina.