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Publicação
Estudo das forças aerodinâmicas de um sistema eólico de produção de energia elétrica
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Resumo(s)
O Plano Nacional de Energia e Clima, impulsiona à eletrificação do consumo energético. As energias renováveis, são a solução apresentada para esta transformação do panorama energético, com um foco especial na eólica. Este trabalho, tem como objetivo, a compreensão da variação do vento, sobre a capacidade de as turbinas produzirem energia elétrica. No fim do trabalho, pretende-se compreender, qual a magnitude das perdas na produção de energia, devido a variações na direção e intensidade do vento. Para tal, é estudado o processo de produção de energia elétrica, abordando, a origem deste recurso natural e dos elementos que constituem as turbinas eólicas, singularizando os componentes, responsáveis pela produção de energia. Estes elementos, serão abordados em detalhe, analisando os parâmetros a considerar durante o seu design. Resultado de uma análise entre a velocidade a montante e a jusante da turbina, o limite de Betz, é referenciado sistematicamente ao longo do trabalho, dado que, define o limite máximo para o rendimento de uma turbina eólica. Com base neste limite, é idealizada uma turbina eólica, cujo design foi otimizado, a fim de, obter um rendimento aproximado ao determinado pelo limite de Betz. Para desenvolver o design otimizado, são considerados valores médios para as condições atmosféricas no parque eólico do Paul da Serra na Ilha da Madeira. Com base nestes dados e no estudo das forças mecânicas que atuam nas pás da turbina, é determinada a potência máxima teórica para uma turbina eólica sujeita as condições locais. Por fim, é realizada uma comparação entre as turbinas eólicas instaladas no parque eólico do Paul da Serra e o equipamento cujo design é resultado deste trabalho, onde se verifica, que, o custo de desenvolver equipamentos otimizados para condições particulares, é muito superior ao ganho energético inerente da sua utilização.
Abstract The National Energy and Climate Plan promotes the electrification of energy consumption. Renewable energy sources are presented as the solution for this transformation of the energy landscape, with a particular focus on wind energy. This study aims to understand the variation of wind and its impact on the ability of wind turbines to generate electricity. The goal is to understand the magnitude of electrical energy production losses due to variations in wind direction and intensity. To achieve this, the process of electricity generation will be examined, including the origin of this natural resource and the components that make up wind turbines, with a detailed focus on the parts responsible for energy production. These elements are analyzed in detail, considering the parameters required during their design. Resulting from the analysis of the upstream and downstream wind speeds of the turbine, the Betz limit is systematically referenced throughout the study, as it defines the maximum efficiency a wind turbine can achieve Based on this limit, a wind turbine is conceptualized, with its design optimized to achieve efficiency close to the theoretical Betz limit. To develop this optimized design, average values for atmospheric conditions at the Paul da Serra wind farm on Madeira Island are considered. Using these data and studying the mechanical forces acting on the turbine blades, the theoretical maximum power output for a wind turbine under local conditions is determined. Finally, a comparison made between the wind turbines installed at the Paul da Serra wind farm and the equipment designed reveals that the cost of developing equipment optimized for specific conditions is significantly higher than the energy gains obtained from its use.
Abstract The National Energy and Climate Plan promotes the electrification of energy consumption. Renewable energy sources are presented as the solution for this transformation of the energy landscape, with a particular focus on wind energy. This study aims to understand the variation of wind and its impact on the ability of wind turbines to generate electricity. The goal is to understand the magnitude of electrical energy production losses due to variations in wind direction and intensity. To achieve this, the process of electricity generation will be examined, including the origin of this natural resource and the components that make up wind turbines, with a detailed focus on the parts responsible for energy production. These elements are analyzed in detail, considering the parameters required during their design. Resulting from the analysis of the upstream and downstream wind speeds of the turbine, the Betz limit is systematically referenced throughout the study, as it defines the maximum efficiency a wind turbine can achieve Based on this limit, a wind turbine is conceptualized, with its design optimized to achieve efficiency close to the theoretical Betz limit. To develop this optimized design, average values for atmospheric conditions at the Paul da Serra wind farm on Madeira Island are considered. Using these data and studying the mechanical forces acting on the turbine blades, the theoretical maximum power output for a wind turbine under local conditions is determined. Finally, a comparison made between the wind turbines installed at the Paul da Serra wind farm and the equipment designed reveals that the cost of developing equipment optimized for specific conditions is significantly higher than the energy gains obtained from its use.
Descrição
Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de Especialização de Energia, Refrigeração e Climatização
Palavras-chave
Turbina eólica Limite de Betz Coeficiente de desempenho Força de sustentação Triângulo de velocidades Wind turbine Betz limit Performance coefficient Lift force Velocity triangle
Contexto Educativo
Citação
NUNES, João Henrique Vieira Spínola – Estudo das forças aerodinâmicas de um sistema eólico de produção de energia elétrica. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. 2024. Dissertação de Mestrado.