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Otimização de uma turbina eólica Darrieus H baseada em metodologias de superfícies de resposta e CFD

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dc.creator SALES JUNIOR, Celso Antonio Bittencourt
dc.date.issued 2024-02-09
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4002
dc.description.abstract The ongoing energy transition has resulted in an increased focus on renewable energy systems and their viability for Distributed Generation (DG) applications. In this context, small-scale wind turbines have drawn significant attention due to their compact and adaptable dimensions, making them well-suited for water pumping, irrigation, and energy generation in domestic settings, whether in urban or remote areas. In this way, the main objective of this study was to develop a reliable methodology for optimizing the aerodynamic performance of a small-scale Vertical Axis Wind Turbine (VAWT), specifically the Darrieus H type. To accomplish this, a flexible, accurate, and efficient Computational Fluid Dynamics (CFD) methodology was devised to predict the Power Coefficient (CP) of various configurations of Darrieus H VAWTs. This methodology was calibrated using experimental data from the literature and adapted to minimize the number of simulations related to spatial and temporal discretization independence studies. Furthermore, the CFD methodology was integrated into an optimization procedure based on Response Surfaces (RS), which was constructed using Design of Experiments (DoE) techniques and explored within their domains through Optimization Algorithms (OA) execution. The results of this study provided valuable insights into the configuration of a CFD approach for small-scale Darrieus H VAWTs, with a maximum percentage error of 12% in CP compared to experimental data. Additionally, the optimization procedure resulted in an 11% increase in nominal CP, where the typical CP value for small-scale Darrieus H VAWTs was 0.30, and the maximum percentage error of the CFD methodology was taken into consideration. The maximum value of 0.3778 for solidity (σ) was achieved when σ was equal to 0.24, and the installation angle (β) was equal to -4.1°. In conclusion, the integration of CFD simulation methodologies and RS-based optimization can provide reliable results in a relatively short time, thus serving as a powerful tool in the design of Darrieus H VAWTs.. pt_BR
dc.language por pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject CFD turbinas eólica pt_BR
dc.subject Otimização turbina eólica pt_BR
dc.subject Turbina eólica de pequeno porte pt_BR
dc.subject Otimização baseada em superfície de resposta pt_BR
dc.title Otimização de uma turbina eólica Darrieus H baseada em metodologias de superfícies de resposta e CFD pt_BR
dc.type Dissertação pt_BR
dc.date.available 2024-03-01
dc.date.available 2024-03-01T17:26:22Z
dc.date.accessioned 2024-03-01T17:26:22Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/1826220299079724 pt_BR
dc.contributor.advisor1 SARMIENTO, Angie Lizeth Espinosa
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/9086096367189031 pt_BR
dc.contributor.advisor-co1 BALDUZZI, Francesco
dc.description.resumo No contexto atual de transição energética, as diversas fontes e tipos sistemas de energias renováveis estão sendo amplamente investigados, principalmente com respeito as suas respectivas viabilidades de aplicações em empreendimentos de Geração Distribuída (GD). Em destaque, pode-se mencionar o emprego de turbinas eólicas para aplicações de pequeno porte, tendo em vista suas dimensões compactas e adaptáveis, o que as tornam adequadas em sistemas de bombeamento de água, irrigação e fornecimento de energia a níveis domésticos, em zonas urbanas ou remotas. Nesse sentido, o presente trabalho visou a criação de uma metodologia de otimização de desempenho aerodinâmico de uma Turbina Eólica de Eixo Vertical (TEEV) de pequeno porte, do tipo Darrieus H. Para tanto, primeiramente, foi elaborada uma metodologia de fluidodinâmica computacional (CFD) flexível, precisa e ágil, a qual demonstrou-se apta a predizer o Coeficiente de Potência (CP) de distintas configurações de TEEV Darrieus H, pois foi calibrada mediante a dados experimentais da literatura, e ainda, adaptada a minimizar a quantidade de simulações referentes aos estudos de independência das discretizações espacial e temporal. Tal metodologia de CFD foi então integrada a um procedimento de otimização baseado em Superfícies de Resposta (SR), sendo tais superfícies, construídas mediante a amostragens geradas a partir de técnicas de planejamento de experimentos (DoE), e ainda, exploradas por Algoritmos de Otimização (AO) na busca de máximo locais. A partir dos resultados, foi possível estabelecer diretrizes gerais para a configuração de uma abordagem de CFD para TEEV Darrieus H de pequeno porte, a qual apresentou um erro percentual máximo de 12% no CP nominal em relação a dados experimentais. Ademais, o procedimento de otimização resultou em um incremento de 11% no CP nominal (considerando um valor típico de CP de TEEV Darrieus H de pequeno porte igual a 0,30 e o erro percentual máximo da metodologia de CFD), o qual atingiu um valor máximo de 0,3778, para uma solidez (σ) igual a 0,24 e um ângulo de montagem (β) igual a -4,1°. Por fim, conclui-se que, a integração de metodologias de simulações de CFD e de otimização baseada em SR pode fornecer resultados confiáveis em um tempo relativamente pequeno, e, portanto, pode ser utilizada como uma ferramenta poderosa no projeto de TEEV Darrieus H. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IEM - Instituto de Engenharia Mecânica pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia de Energia pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA::ENGENHARIA DE ENERGIA pt_BR
dc.relation.references SALES JUNIOR, Celso Antonio Bittencourt. Otimização de uma turbina eólica Darrieus H baseada em metodologias de superfícies de resposta e CFD. 2023. 115 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Energia) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2023. pt_BR


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