Estudo experimental sobre a influência da altura do rotor em relação ao solo e a rugosidade do terreno no desempenho de turbinas de eixo horizontal

Abstract

Nos escoamentos através de turbinas eólicas de eixo horizontal, dois elementos que afetam as condições de conversão de energia são a altura do rotor em relação ao solo e a rugosidade do terreno. O presente trabalho apresenta um estudo experimental sobre a influência desses dois fatores na curva de potência de modelos em escala reduzida de turbinas de eixo horizontal. Os experimentos foram realizados no túnel de vento do Laboratório de Energia e Ambiente da UnB. São avaliadas três alturas diferentes e duas condições de rugosidade da superfície da seção de testes. A técnica de anemometria de fio quente é utilizada para determinar o perfil de velocidade longitudinal média e intensidade de turbulência em regiões específicas de interesse no escoamento. Para simular um terreno rugoso, correntes foram instaladas sobre a superfície originalmente lisa da seção de testes do túnel. Observou-se que, para a superfície lisa, existe a influência simultânea de dois mecanismos concorrentes em relação à geração de potência pelo rotor: o confinamento parcial do escoamento, observado à medida que o rotor se aproxima da superfície, com tendência de elevar o coeficiente de potência; e o déficit de velocidade média na camada limite sobre a superfície do túnel, que tende a reduzir o coeficiente de potência. Identificou-se que quando a altura da turbina é próxima da mínima altura possível em relação à superfície, o confinamento parcial do escoamento eleva a velocidade média através do rotor, resultando em um expressivo aumento do coeficiente de potência, em comparação ao caso em que a turbina está livre da influência do solo. Por outro lado, em alturas intermediárias, o déficit de velocidade do escoamento na camada limite prevalece e uma redução do coeficiente de potência é observada. O estudo considerando uma superfície rugosa indicou que a rugosidade pode alterar de maneira significativa a dinâmica observada na situação em que a superfície é lisa. Quando há rugosidade, a elevação de potência para o caso com menor altura não foi observada nos mesmos níveis. Todos os resultados são discutidos em articulação com os campos de velocidade média e intensidade de turbulência do escoamento a montante e a jusante do rotor. Conclui-se, do presente estudo, que o uso de turbinas eólicas com torres muito altas, para isolar o rotor da influência do terreno, não é necessariamente vantajosa, quando apenas a geração de energia é considerada.