Impacto da estabilidade atmosférica no desempenho de um pequeno aerogerador em terreno complexo

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014Quando instalados em zonas urbanas, pequenos aerogeradores estão sujeitos a altos níveis de turbulência atmosférica, influenciados pela elevada complexidade do terreno. O presente trabalho avalia o impacto da estabilidade atmosférica no desempenho de um pequeno aerogerador em um terreno complexo e propõe uma análise de performance com a utilização da estabilidade atmosférica e intensidade de turbulência como parâmetros de análise. O comprimento de Obukhov é escolhido para representar a estabilidade, por ser capaz de quantificar os mecanismos de transporte turbulento de quantidade de movimento e calor ao longo da porção superficial da camada limite atmosférica. A bancada experimental utilizada como estudo de caso é composta de um pequeno aerogerador de 2,1kW de potência e uma torre anemométrica instrumentada com um anemômetro sônico 3D, ambos instalados a 18m ao lado de um prédio no campus da Universidade. Dois anos de dados anemométricos apontam para uma intensidade de turbulência média igual a 32% no local. A base de dados selecionada possui 4287h de dados brutos ao longo de seis meses. A curva de potência medida de acordo com as recomendações da IEC mostrou um desempenho 14% acima da curva do fabricante, mas com queda na potência próximo à velocidade nominal. A correlação entre maior geração em baixas velocidades e altos níveis de turbulência concorda com estudos prévios. Três classes de estabilidade atmosférica foram definidas de acordo com o comprimento de Obukhov. Curvas de potência para cada classe foram então comparadas com a média. Desvios de até 51% foram observados entre diferentes classes de estabilidade. Para velocidades acima de 8 m/s, a condição instável foi predominante e evidenciou a tendência de queda na potência, onde o parâmetro intensidade de turbulência não conseguiu resultados consistentes. Os resultados mostram a consistência da metodologia proposta para análise de desempenho de pequenos aerogeradores com base em parâmetros físicos e estatísticos. Por fim, a construção de superfícies de potência em função da estabilidade e turbulência demonstram bons resultados na descrição da potência extraída próxima à velocidade nominal.<br>Abstract: Small wind turbines in urban environment conditions are usually under high levels of ambient turbulence, influenced by the terrain complexity at the site. The present work evaluates the impact of atmospheric stability on a small wind turbine in a complex terrain, proposing a performance assessment that uses both atmospheric stability and turbulence intensity as criteria. The Obukhov length is chosen as a classification parameter, which is able to quantify the turbulent transport of momentum and heat over the lower portion of the atmospheric boundary layer. The experimental setup used a 2.1 kW wind turbine along with a met mast instrumented with a 3D sonic anemometer, both installed at 19 m next to a two-story building with few nearby obstacles on the university campus. Two years of 10 min wind data show an average turbulence intensity of 32% on site. Therefore, an urban zone environment could be studied with 20 Hz turbulent flux measurements. The selected dataset consists of 4287h of raw data covering a six-month period. Measured power curve following IEC recommendations shows an average performance 14% above the expected manufacturer curve, but with decreasing power output close to the rated wind speed. Values relating power collection increase at low wind speeds with high turbulence levels concur with previous studies. Atmospheric stability was divided into three classes, based on Obukhov length. Stability-dependent power curves were compared with the measured average. Deviations up to 51% in power output were observed between different stability conditions. Above 8 m/s, unstable conditions were predominant and evidenced the declining power tendency, where turbulence intensity was unable to give a consistent outcome. Results reported herein validate a suitable approach for small wind turbines assessment using both physical and statistical parameters as classification criteria. Power surfaces also shows why the proposed assessment better explains the turbine behavior close to rated conditions