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Tipo do documento: Tese
Título: Otimização de desempenho de turbina tipo hélice de eixo horizontal em função de uma modelagem integrada e de estratégia híbrida de MPPT
Título(s) alternativo(s): Performance optimization of horizontal axis propeller turbine as a function of integrated modeling and hybrid MPPT strategy
Autor: OLIVEIRA, Hércules Araújo 
Primeiro orientador: RIBEIRO, Luiz Antonio de Souza
Primeiro coorientador: MENDEZ, Osvaldo Ronald Savedra
Primeiro membro da banca: RIBEIRO, Luiz Antonio de Souza
Segundo membro da banca: MANDEZ, Osvaldo Ronald Saavedra
Terceiro membro da banca: MATOS, José Gomes de
Quarto membro da banca: LIMA, Shigeaki Leite de
Quinto membro da banca: WOOD, David Howe
Resumo: Este trabalho teve como objetivo de pesquisa o estudo de modelagens matemáticas aplicadas à otimização de pás e à análise de desempenho de Turbinas Tipo Hélice de Eixo Horizontal sem Difusor (TTHEH) e com Difusor (TTHEHD), em conjunto com Gerador Síncrono a Ímãs Permanentes (GSIP) e conversor eletrônico de potência, para uma integração (fluidodinâmica, mecânica e elétrica) otimizada do sistema de conversão de energia. As modelagens relacionadas aos rotores das turbinas foram fundamentadas na clássica Teoria do Momento do Elemento de Pá (Blade Element Moment Theory, BEMT). A modelagem proposta neste trabalho foi desenvolvida a partir do BEMT clássico com a introdução de correções complementares para perdas de ponta e raiz, para altos valores do fator de indução axial e para alto ângulo de ataque. Os métodos complementares de correção foram exaustivamente pesquisados na literatura e incluídos no BEMT a fim de melhor simular turbinas de pequeno, médio e grande porte. Essas correções contribuíram para representar melhor o desempenho dessas turbinas. Uma das abordagens do trabalho se baseou em utilizar o método proposto tanto para turbinas eólicas como para hidrocinéticas, uma vez que há similaridade entre os tipos de turbinas em estudo: tipo hélice de eixo horizontal. A principal diferença entre essas turbinas é a propriedade específica de cada tipo de fluido. A validação do método proposto foi realizada a partir do estudo de duas turbinas de pequeno porte, uma eólica e outra hidrocinética, e de quatro turbinas eólicas da série MOD-X da ordem de 100 kW a 7.3 MW da agência norte americana National Aeronautics and Space Administration. O estudo para o cálculo da geometria ótima da pá foi construído com base no BEMT. O conversor eletrônico de potência utilizado foi um tipo back-to-back, no qual o conversor modulado por largura de pulso (Pulse Width Modulation, PWM) do lado do gerador foi projetado com estratégia de realimentação do sinal de potência para rastreamento do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracking, MPPT). As principais contribuições desta pesquisa obtidas a partir dos resultados discutidos são: i) garantir ampla aplicação para turbinas tipo hélice de eixo horizontal de pequeno, médio e grande porte, uma vez que os modelos encontrados na literatura são implementados e ajustados para uma turbina de faixa de potência específica, não podendo ser utilizados genericamente; ii) processamento rápido para análise de desempenho; iii) implementação simples quando comparada àquelas com modelagem numéricas computacionais, que demandam maior carga computacional e são mais complexas de simular; e iv) evita a necessidade de computadores de alto desempenho, os quais demandam investimento.
Abstract: This work had as research objective the study of mathematical models applied to the optimization of blades and the performance analysis of Horizontal Axis Helix Turbines without Diffuser (TTHEH) and with Diffuser (TTHEHD), working together with a Permanent Magnet Synchronous Generator (GSIP) and power converter, for an optimized integration (fluid dynamics, mechanics and electrical) of the energy conversion system. These models related to turbine rotors were based on the classic Blade Element Moment Theory (BEMT). The modeling proposed in this work was developed from the classic BEMT with the addition of complementary corrections for tip and root losses, for high values of the axial induction factor and for high angle of attack. Complementary correction methods were exhaustively researched in the literature and included in the BEMT in order to better simulate small, medium and large turbines. These corrections contributed to better represent the performance of these turbines. One of the work's approaches was based on using the proposed modeling for both wind and hydrokinetic turbines, since there is similarity between the types of turbines under study: horizontal axis propeller type. The main difference between these turbines is the specific property of each fluid type. The validation of the proposed modeling was carried out from the study of two small turbines, one wind and the other hydrokinetic, and four wind turbines of the MOD-X series of the order of 100 kW to 7.3 MW of the North American agency National Aeronautics and Space Administration. The study for calculating the optimal blade geometry was derivated based on BEMT. The power converter used was a back-to-back type, in which the pulse width modulated converter (PWM) on the generator side was designed with a power signal feedback strategy for maximum point of power tracking (MPPT). The main contributions of this research observed from the results are: i) it ensures wide application for small, medium and large horizontal axis propeller turbines, since the models found in the literature are implemented and adjusted for a specific power range turbine, not being able to be used generically; ii) fast processing for performance analysis; iii) simple implementation when compared to those with computational numerical modeling, which demand a higher computational burden and are more complex to simulate; and iv) avoids the need for high-performance computers, which demand investment.
Palavras-chave: conversão de energia;
energia renovável;
energia eólica;
turbinas eólicas
hidrocinéticas;
desempenho de turbinas.
energy conversion;
renewable energy;
wind energy;
wind
hydrokinetic turbines;
turbine performance.
Área(s) do CNPq: Geração da Energia Elétrica
Engenharia Elétrica
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Maranhão
Sigla da instituição: UFMA
Departamento: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DA ELETRICIDADE/CCET
Programa: PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ELETRICIDADE/CCET
Citação: OLIVEIRA, Hércules Araújo. Otimização de desempenho de turbina tipo hélice de eixo horizontal em função de uma modelagem integrada e de estratégia híbrida de MPPT. 2023. 177 f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Eletricidade/CCET) - Universidade Federal do Maranhão, São Luís, 2023.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://tedebc.ufma.br/jspui/handle/tede/tede/4822
Data de defesa: 27-Apr-2023
Appears in Collections:TESE DE DOUTORADO - PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ELETRICIDADE

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