Análise numérica do escoamento ao redor de uma turbina Darrieus com estator no topo de uma edificação urbana em Porto Alegre com avaliação do torque estático

Abstract

A crescente geração de energia eólica no mundo representa um importante passo das fontes renováveis para superar a demanda energética mundial. A necessidade de tornar esse método de geração de energia cada vez mais eficiente está aproximando sua implementação em regiões urbanas onde grande parte da eletricidade produzida é consumida. A utilização de turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV) nessas áreas pode simplificar o sistema de transmissão de energia e reduzir as perdas de energia. Este trabalho apresenta um estudo do efeito de uma edificação e de um estator sobre o escoamento e sua influência no desempenho de uma turbina eólica de eixo vertical do tipo H-Darrieus de cinco pás com estator. O estudo empregou o uso da dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para realizar uma análise numérica em regime permanente com o uso do modelo de turbulência SST k-ω. Para simplificar o caso estudado e reduzir o custo computacional, foi realizada uma simulação para o edifício e outra para a turbina com estator. Foi obtido o perfil de velocidade no topo do prédio a fim de ser implementado como condição de entrada da simulação da turbina para quatro posições angulares diferentes das pás. A turbina e o estator foram baseados em estudos presentes na literatura e suas escalas geométricas foram aumentadas em dez vezes. Como resultado das simulações, se observou um aumento da velocidade do vento ocasionado pelo telhado e pelo estator e sua influência no torque estático nas pás da turbina. Foi possível notar o ponto de estagnação na superfície frontal do prédio que acelerou o escoamento de ar para cima do telhado devido a geração de um gradiente de pressão adverso. Também se verificou a contribuição do difusor de ar no aumento de torque no sentido de rotação das pás à medida que acelera e direciona o vento para as pás de avanço e bloqueia o escoamento de ar para as pás de retorno.

The growing generation of wind energy in the world represents an important step for renewable energy sources to overcome the world energy demand. The need to make this method of energy generation even more efficient is approaching its implementation in urban regions where much of the electricity produced is consumed. The use of vertical axis wind turbines (VAWT) in these areas can simplify the power transmission system and reduce energy losses. This work presents a study of the effect of a building and a stator on the flow and its influence on the performance of a H-Darrieus vertical axis wind turbine of five blades with stator. The study used the computational fluid dynamics (CFD) to perform numerical analysis in a steady state with the use of the SST k-ω turbulence model. To simplify the case studied and reduce the computational cost, a simulation was performed for the building and another for the turbine with stator. The velocity profile was obtained at the top of the building in order to be implemented as an inlet condition for the turbine simulation with four different angular positions of the blades. The turbine and stator were based on past studies and their geometric scales were increased ten times the original. As a result of the simulations, an increase in wind speed caused by the roof and the stator was observed and also its influence on the static torque in the turbine blades. It was possible to note the stagnation point on the front surface of the building that accelerated the wind flow up the roof due to the increase of an adverse pressure gradient. The contribution of the air diffuser in generating torque in the direction of rotation of the blades has also been verified as it accelerates and directs the wind to the advance blades and blocks the air flow to the return blades.