Author(s): Alves, Edson Augusto de Brito
Date: 2011
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.21/1174
Origin: Repositório Científico do Instituto Politécnico de Lisboa
Subject(s): Turbinas eólicas de eixo horizontal; Aerodinâmica; Perfis alares; CFD; Energia do vento; Blades of horizontal axis wind turbine; Aerodynamic; Airfoils; Wind energy
O trabalho que se apresenta incide sobre o estudo aerodinâmico das pás de uma turbina eólica de pequeno porte, com vista à simplificação geométrica, de forma a que estas sejam baratas e de fácil concepção. A teoria da quantidade de movimento do elemento de pá (BEMT), que é o modelo de referência para o projecto e análise aerodinâmica das pás das turbinas eólicas, foi utilizada neste trabalho de forma a projectar e analisar aerodinamicamente as pás da turbina. Sendo assim, desenvolveu-se um programa computacional em MATLAB, denominado de “Turbina”, de forma a implementar a teoria BEM. Introduzindo os dados dos parâmetros de projecto no programa (potência requerida, o número de pás, velocidade do vento, a TSR e o tipo de perfil alar), obtêm-se os parâmetros geométricos das pás (distribuição da corda ao longo da envergadura, o raio da pá e a distribuição da torção da pá), os parâmetros aerodinâmicos e de desempenho. Uma pá ideal foi calculada e de seguida foi modificada de forma a obter-se uma pá simples e menos carregada aerodinamicamente. Introduzidas as modificações na geometria da pá ideal, obtiveram-se duas configurações distintas. Uma configuração linear, onde a distribuição da corda e do ângulo de torção se tornam lineares, e outra configuração bi-linear, onde a distribuição da corda continua linear mas o ângulo de torção se torna bi-linear, isto é, a pá é composta por dois troços onde cada troço apresenta uma distribuição linear do ângulo de torção geométrica. As conclusões demonstram que a configuração bi-linear é uma boa alternativa a configuração ideal, apresentando uma redução do desempenho do rotor de 2.8% para um aumento do raio da pá em 1.41%, para se obter a mesma potência da configuração ideal. A análise aos perfis alares, utilizados neste trabalho, foi efectuada a partir dos programas comerciais ICEM e FLUENT. De forma a automatizar a análise de CFD, três programas foram desenvolvidos utilizando a linguagem de programação “C”. Os programas são denominados de “Malha2D”, “Calcula_Coeficientes” e “Plot_Graficos”. Finalmente, um estudo paramétrico foi feito de forma a avaliar a influências das variáveis de projecto no desempenho geral da turbina.
This works presents a study on the aerodynamic blades of a small wind turbine, with the purpose of simplifying the geometry in order to design a cheap and easy to manufacture wind turbine. Blade element momentum theory (BEMT), current model of aerodynamic design and analysis of HAWT blades, was used for HAWT blade design and aerodynamic analyze in this thesis. Therefore, we developed a computer code in MATLAB, called “Turbine” in order to implement the BEM theory. Entering the design parameters as data input into the program (power required, the number of blades, wind speed, the TSR and the type of wing profile), we obtain the blades geometry parameters (chord length distribution, the radius length and twist distribution). At first, we execute the computer code in order to calculate an optimal blade shape and then the optimal shape is modified in order to get a simpler shape and less aerodynamically loaded. Introducing changes in the optimal blade geometry, we obtained two distinct designs. A linear design, where the chord length distribution and the pitch angle of each blade element become linear and other bi-linear design, where the chord length distribution is still linear but the pitch angles of each blade element become bi-linear. We concluded that the bi-linear design is a good alternative to the optimal design, featuring a performance reduction of the rotor about 2.8% and the blade radius increase 1.41%, to obtain the same power as the optimal design. The airfoil analysis was made from the commercial software FLUENT and ICEM. In order to automate the CFD analysis, three computational codes were developed using the programming language C. The programs are called "Malha2D", "Calcula_Coeficientes" and "Plot_Graficos." Finally, a parametric study is done to assess the influences of the variables of projects in the overall performance of the turbine.
