Análise numérica do torque estático de uma turbina Darrieus na situação de partida para diferentes estatores

Abstract

Com o aumento da demanda energética e com os desafios da busca por energias mais limpas, torna-se indispensável o estudo de diversas formas de geração de energia elétrica de modo mais sustentável. O uso de turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV) em centros urbanos pode ser uma das soluções desta busca, pois pode converter energia localmente. Estas turbinas são menos eficientes quanto grandes turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEH), sendo necessário o estudo de dispositivos que melhorem sua capacidade de conversão energética. O dispositivo estudado nesse trabalho é um estator, que tem a função de reduzir o torque contrário nas pás de uma turbina Darrieus e aumentar a sua rotação através da maior velocidade de escoamento causada. O estudo foi realizado através da dinâmica de fluidos computacional, utilizando o método de volumes finitos para simular casos sem e com dois tipos de estatores em um túnel aerodinâmico. A turbina é do tipo H-Darrieus de 5 pás baseado na literatura. Porém, esta possui uma redução em escala, assim como o estator. Um dos estatores foi baseado também na literatura e o outro possui uma modificação que busca incrementar a velocidade de escoamento. As simulações foram realizadas em regime estacionário, reposicionando a turbina em 24º para cada simulação, utilizando um modelo de turbulência k-ω SST. Dessa forma, um comparativo entre as configurações dos estatores e uma análise do que ocorre durante uma rotação completa do rotor foram realizadas. Como resultado, foi possível observar melhorias no torque estático com a aplicação dos estatores, como era esperado. Isto ocorreu devido à eliminação do torque negativo e ao aumento da velocidade do escoamento. O estator com as pás modificadas resultou em um torque estático maior, fazendo com que melhore um dos problemas da turbina do tipo Darrieus: o auto acionamento. O torque estático teve um aumento máximo de 182%, indicando uma melhora nos resultados, condizente com os resultados estudados para a auto partida.

With increasing energy demand and the challenges of the quest for cleaner energy, it is essential to study different forms of electricity generation in a sustainable way. The use of vertical axis wind turbines (VATW) in urban centres can be one of the solutions of this quest, because it can convert energy locally. These turbines are less efficient than large horizontal axis wind turbines (VAWT), requiring the study of devices that improve their energy conversion capacity. The devices studied in this work are stator, which serves to reduce the counter torque on the blades of a Darrieus turbine and to increase the rotation through a higher flow velocity caused by it. The study was carried out by computational fluid dynamics, using the finite volume method to simulate cases without stator and with two types of stator in a wind tunnel. The turbine is an H-Darrieus type with 5 blades based on past studies. However, it has a scale reduction, as well as the stator. One of the stator is based on past studies and the other has a modification in the guide vanes which seeks to increase the flow velocity. The simulations were performed at steady state, changing positions of the turbine through rotation for each simulation, using a k-ω SST turbulence model. Thus, a comparison between the settings of stator and an analysis of what occurs during a full rotation of the rotor were held. As results, it was possible to observe improvements in static torque with the application of stator, as expected. This was due to removal of the negative torque and the increase in flow velocity. The modified stator resulted in a higher static torque, causing an improvement to one of the problems of the Darrieus type turbine: the self-drive. The static torque has a maximum increase of 182%, indicating an improvement in results, consistent with the results that were studied for self-start.