Influência da estabilidade atmosférica, da orografia e da esteira sobre a produção de parques eólicos

Abstract

Esta tese analisa a influência da estabilidade atmosférica e do efeito esteira sobre a produção do parque eólico Campo Formoso I (CFI), localizado no interior do estado da Bahia, a 880 m de altitude média, em terreno considerado complexo e cujas coordenadas geográficas são as seguintes: latitude -10.646842° e longitude -40.690279°. O parque CFI compõe-se de quinze aerogeradores (AGs) distribuídos em duas linhas, com oito na frente e sete atrás. Duas abordagens foram empreendidas: a primeira baseada na análise da velocidade do vento e da geração do parque eólico e a segunda que baseia-se no estudo de um modelo do parque em escala reduzida, em túnel de vento. Os experimentos em túnel de vento foram realizados em dois túneis diferentes: o primeiro na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), no Campus de Joinville, e o segundo na Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), no Laboratório de Aerodinâmica das Construções (LAC). No túnel de vento da UFSC, cujo perfil de vento é convectivo (lei de potência com expoente 0,05), foram realizados testes com velocidades de 4,2 e 7,3 m/s para se determinar o tipo de disco atuador poroso empregado nos testes de efeito esteira; testes com rampas, com ângulo de inclinação similar ao de CFI, e platô; e testes com o terreno de CFI em escala reduzida (1:8000) com fator multiplicativo de 1, 5 e 7. No túnel de vento da UFRGS, foram testados dois perfis de estabilidade atmosférica (estável e neutro) e duas velocidades (9 e 12 m/s) para o terreno de CFI em escala reduzida (1:1000) com fator multiplicativo igual a 1. As observações tanto a partir dos dados de velocidade do parque, medidos pela torre anemométrica, ou deduzidos dos valores de potência medidos pelo sistema SCADA, quanto dos testes com modelos em escala reduzida indicam que a estabilidade atmosférica influencia a velocidade do vento sobre o AG posterior, reduzindo a propagação da esteira. Dependendo da posição do AG frontal, localizado na rampa, aquele do platô não sofre a influência do efeito esteira. Constatou-se que apesar de o terreno estar numa escala de 1:1000 os testes em túnel de vento conseguiram prever a velocidade do vento nos aerogeradores, para os diferentes níveis de estabilidade, com uma incerteza máxima individual de ±7% em relação aos dados medidos no parque eólico de CFI. A partir das medições realizadas no parque CFI, e os resultados experimentais dos túneis de vento, foi proposto um procedimento para previsão de potência em aerogeradores. Tal procedimento considera os efeitos combinados de estabilidade atmosférica, efeito esteira e características do terreno (speed-up) sobre a produção de pares de aerogeradores. Os resultados obtidos mostram boa concordância com os dados do parque CFI apresentando um RMSE médio de 16,1%.

Abstract: This thesis analyzes the influence of atmospheric stability and the wake effect on the production of the Campo Formoso I (CFI) wind farm, located in the interior of the state of Bahia, at 880 m of average altitude, in terrain considered complex and whose geographical coordinates are following: latitude -10.646842 ° and longitude -40.690279 °. The CFI wind farm consists of fifteen wind turbines (WTs) distributed in two lines, with eight in the front and seven in the back. Two approaches were taken: the first based on the analysis of wind speed and power production of the wind farm and the second based on the study of a model of the wind farm on a small scale, in a wind tunnel. The wind tunnel experiments were carried out in two different wind tunnels, existing at the Federal University of Santa Catarina (UFSC), Joinville Campus, and at the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS), at the Laboratory of Aerodynamics of Constructions (LAC). In the UFSC wind tunnel, in which the wind speed profile is convective (power law with exponent equal to 0.05), tests were performed with speeds of 4.2 and 7.3 m/s to determine the type of porous actuator disk to be employed on the wake effect tests; tests with ramps, with inclination angle similar to CFI, and plateau; and tests with the CFI terrain on a small scale (1: 8000) with a multiplicative factor of 1, 5 and 7. In the UFRGS wind tunnel, two atmospheric stability profiles (stable and neutral) and two speeds (9 and 12 m/s) were tested for the CFI terrain on a reduced scale (1: 1000) with a multiplicative factor equal to 1. Observations of both wind farm speed data, measured by the anemometric tower and by the conversion of the power measured by the SCADA system into speed, and from the reduced scale models indicate that the atmopheric stability influences the speed that reaches the posterior AG, reducing the wake effect propagation. Depending on the position of the frontal AG, located on the ramp, that of the plateau was not influenced by the wake effect. It was found that, despite the terrain being on a scale of 1: 1000, the wind tunnel tests were able to predict the wind speed in the wind turbines, for the different stability levels, with a maximum individual uncertainty of ± 7% in relation to the measured data at the CFI wind farm. From the measurements obtained in the CFI wind farm, and the experimental results of the wind tunnels, a methodology for power production estimative in wind turbines was proposed. This methodology considers the combined effects of atmospheric stability, wake effect and terrain characteristics (speed-up) in the production of wind farm turbine pairs. The results obtained show good agreement with the CFI wind farm data, presenting an average RMSE of 16.1%.