Experimental study of the wake deflection behind wind turbines operating misaligned with the incoming wind direction

Quando o vento passa através do rotor de aerogeradores (ou turbinas eólicas), sua energia cinética é extraída e transformada em energia elétrica, provocando alterações no escoamento à sotavento (esteira aerodinâmica), traduzidas por um decréscimo na velocidade média e acréscimo na intensidade de turbulência. Em parques eólicos, aerogeradores usualmente operam com rotores parcial ou totalmente inseridos na esteira de outras máquinas (efeitos de esteira), região com menor potencial de geração de energia. Pequenas alterações no ângulo de incidência do vento (ângulo de yaw) nas turbinas podem, no entanto, desviar a trajetória de desenvolvimento da esteira, diminuindo os efeitos de interação entre turbinas e aumentando a eficiência na extração de energia do todo. Diversos esforços têm sido voltados ao estudo da deflexão da esteira devido ao ângulo de yaw. O assunto, no entanto, segue desafiador: envolve diversas variáveis e apresenta prós e contras que devem ser cuidadosamente contrabalanceados. Neste trabalho, é feito um estudo experimental em túnel de vento que inicialmente avalia a deflexão da esteira à sotavento de um modelo reduzido de aerogerador isolado, projetado e construído com base na teoria, operando através de 5 diferentes ângulos de yaw (±30°, ±15° e 0°), através de ensaios de investigação de performance aerodinâmica (Re e TSR) e características da esteira (U∞ e IE). A seguir, avalia o aumento na produção de energia, através de medições de potência geradas por um conjunto de 2 turbinas para diferentes layouts e ângulos de yaw à barlavento. Os ensaios foram conduzidos sob vento incidente de camada limite com expoente da lei potencial p=0,23. As medições foram feitas com um anemômetro de fio-quente em diversos pontos ao longo de três posições longitudinais da esteira (x/D=2;4;7), gerando perfis verticais e horizontais de U∞ e IE. Os resultados obtidos foram comparados com modelos teóricos, apresentando boa concordância. O layout mais adequado do ponto de vista de geração de energia apresentou um aumento de 6,44% na geração do conjunto, consagrando a utilização do controle por yaw como importante ferramenta no aumento da eficiência em parques eólicos.When wind flows through a wind turbine rotor, its kinetic energy is extracted and transformed into electric energy, causing changes in the downwind flow (wake): a velocity deficit and a turbulence intensity increase. On wind farms, wind turbines usually operate with their rotors partial or fully inserted into other turbine wakes (wake effects). This region carries a smaller power generation potential. However, small changes at the upwind turbine yaw angle can deflect wake trajectory downwind, reducing interaction amongst turbines and increasing wind farm’s power production. Many efforts have been directed to the study of wake deflection in the presence of the yaw angle, but the subject remains a challenge: it implicates on the study of many variables and the consideration of pros and cons, which must be carefully counterbalanced. This document presents an experimental study which aims to firstly evaluate the wake deflection downwind an isolated small-scaled wind turbine, designed and built based on theory, operating through five different yaw angles (±30°, ±15° and 0°), through wind tunnel tests, measuring aerodynamic performance (Re and TSR) and wake parameters (U∞ and IE). Next, it aims to evaluate the increase on power production, through power output measurements of a group of two wind turbines, considering different layouts and yaw angles for the upwind turbine. The wind tunnel tests were conducted considering incoming boundary-layer wind with potential law exponent p=0,23. A hot wire anemometer was used to measure U∞ and IE at many points through three different longitudinal distances (x/D=2;4;7) along the wake, generating vertical and horizontal profiles. These were compared with theoretical models, showing good agreement with them. The most suitable layout by the power production point of view resulted in a 6.44% increase in power production by the group of two turbines. This result reinforces the use of yaw angle as an important tool on yaw control to increase wind farm efficiency