Wind energy assessment in a region with complex topography through computational fluid mechanics

A alta incerteza na estimação do potencial eólico em terrenos complexos eleva o risco de investimento neste tipo de empreendimento, dificultando a diversificação da matriz energética do país. Neste trabalho foi avaliado o potencial eólico de uma região topograficamente complexa através de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), contribuindo para estudos de viabilidade mais aprofundados no futuro. A serra na região de Pinheiro Machado, microrregião de interesse, foi selecionada tendo como base uma série de critérios que caracterizariam uma fazenda eólica promissora, como por exemplo, rodovias de acesso, proximidade de subestação interligada ao Sistema Interligado Nacional (SIN) e intensos ventos anuais, em que foram utilizados mapas do Atlas Eólico do Rio Grande do Sul (2014). Os mapas do Atlas e os dados topográficos do terreno foram georreferenciados no software de Sistema de Informação Geográfica (GIS) Global Mapper, o que facilitou a seleção de dados. Modelos de turbulência recomendados na literatura, qualidade de malha e sensibilidade às dimensões do domínio computacional foram avaliados sob a luz das boas práticas de CFD atualmente seguidas na área. Os estudos de seleção dos aerogeradores, micrositing e estimação da energia anual gerada (EAG) seguiram a análise em CFD. A serra na região de Pinheiro Machado mostrou-se bastante promissora para o aproveitamento do recurso eólico, atingindo a capacidade total instalada de 92 MW com quarenta aerogeradores Enercon E-70 E4, com potência nominal de 2,3 MW. O efeito da velocidade incremental foi identificado nos cumes de elevações, alavancando a potência gerada em até 88%. Estimou-se que Pinheiro Machado I produza 298 GWh anuais, com um elevado fator de capacidade (FC) – 40% – o que seria suficiente para o abastecimento de uma cidade com mais de cem mil habitantes. Sob tais condições, investigações futuras neste site foram sugeridas.The high levels of uncertainties in wind energy assessment in complex terrain raise the investment risk in this kind of endeavor, halting the diversification of the country energy matrix. This research assessed wind energy in a topographically complex region through Computational Fluid Dynamics (CFD), contributing to deeper-viability studies in the future. The micro-region of Pinheiro Machado was chosen based on a number of criteria which characterize a promising Wind farm, as the access to highways, a power substation connected to the Brazilian’s National Interconnected System (SIN) and all-year-long strong winds, in which was used the Wind Resource Atlas of Rio Grande do Sul (2014). The Atlas maps and the terrain topographic data were georeferenced in Geographic Information System (GIS) software Global Mapper, easing data selection. Turbulence models recommended in literature, mesh quality and domain sensitivity were evaluated upon light of CFD’s best practices followed by the field. Wind-turbine selection, micrositing and annual energy production’s (AEP) estimation followed the CFD analysis. Pinheiro Machado’s chain of hills appeared to be highly promising for wind energy exploration, reaching a 92 MW installed capacity with forty Enercon E-70 E4 (2.3 MW) wind turbines. Orographic speed-up effect was identified, leveraging power output up to 88%. Pinheiro Machado I was found to yield yearly 298 GWh with a high capacity factor (CF) – 40% – which would be enough to supply a city with more than one-hundred-thousand habitants. Upon these conditions, further investigations on the site were suggested