Use este identificador para citar ou linkar para este item:
http://monografias.uem.mz/handle/123456789/5169| Tipo: | Trabalho de Conclusão de Curso |
| Título: | Modelagem de turbinas de vento verticais para regiões de vento de baixa velocidade: desempenho e optimização |
| Autor(es): | Cossa , Tiago António |
| Primeiro Orientador: | Nhambiu, Jorge |
| metadata.dc.contributor.advisor-co1: | Tobela , Isaura |
| Resumo: | A urgente transição global para fontes de energia renováveis, impulsionada por crescentes preocupações com as mudanças climáticas e a finitude dos combustíveis fósseis, posiciona a energia eólica como um pilar fundamental. Contudo, a aplicação de turbinas eólicas de eixo horizontal (HAWTs) tradicionais é frequentemente limitada em regiões caracterizadas por baixas velocidades e direcções de vento variáveis, cenários comuns em áreas urbanas e rurais, especialmente em países em desenvolvimento. Neste contexto, as turbinas de eixo vertical (VAWTs), e em particular as configurações híbridas Savonius-Darrieus, emergem como uma alternativa altamente promissora. Estas combinam a capacidade de auto arranque em ventos fracos, inerente ao rotor Savonius, com a superior eficiência aerodinâmica do rotor Darrieus em velocidades mais elevadas. Este trabalho de investigação teve como objectivo central desenvolver um modelo computacional para simular o desempenho e optimizar o design de turbinas de vento de eixo vertical destinadas a operar eficientemente em regiões com baixas velocidades de vento. A metodologia empregou uma abordagem integrada, de carácter quantitativo, exploratório e computacional. Utilizou-se modelagem 3D avançada (Autodesk Fusion 360), análise aerodinâmica detalhada através da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) com ANSYS Fluent, e optimização de perfis aerodinâmicos (Qblade, XFOIL, Xoptfoil), além da utilização de Python para processamento de dados. O estudo focou-se na análise de perfis aerodinâmicos específicos, como o NACA 63-415, e na simulação da operação de diversas geometrias de pás e configurações de turbinas. A eficiência energética foi avaliada em função de variáveis como o ângulo de ataque e o número de pás. Os resultados obtidos demonstraram que o perfil aerodinâmico NACA 63-415 optimizado apresentou uma eficiência significativamente superior, resultando em coeficientes de sustentação (CL) mais elevados e um comportamento de fluxo de ar mais eficiente, com uma notável melhora na relação Coeficiente de sustentação (𝐶𝐿) / Coeficiente de arrasto (𝐶𝐷) Para a turbina Darrieus, a configuração com 4 pás e uma Razão de Velocidade na Ponta (TSR) de aproximadamente 2 revelou o melhor desempenho aerodinâmico, optimizando a geração de potência e a estabilidade. As simulações CFD, confirmadas por contornos de pressão e velocidade, validaram visualmente o comportamento esperado da configuração híbrida: o rotor Savonius proporciona o torque inicial necessário para o auto arranque em baixas velocidades de vento, enquanto o rotor Darrieus assume a principal função de conversão de energia eólica em potência útil uma vez em rotação. XI Este estudo valida um modelo de turbina híbrida inovador, especificamente projectado e optimizado para condições de vento de baixa intensidade, prevalentes em regiões como a província de Tete, (Moçambique). A metodologia desenvolvida e as ideias geradas representam uma contribuição significativa para o avanço do conhecimento em energia eólica e oferecem uma base técnica sólida para o desenvolvimento de projectos de turbinas para abastecimento de pequenas comunidades rurais e urbanas, especialmente onde a velocidade média do vento não é compatível com HAWTs. Ao promover soluções energéticas sustentáveis, de baixo custo e acessíveis, este trabalho visa impulsionar a inclusão energética e o desenvolvimento socioeconómico local. |
| Abstract: | The urgent global transition to renewable energy sources, driven by growing concerns about climate change and the finite nature of fossil fuels, positions wind energy as a fundamental pillar. However, the application of traditional horizontal axis wind turbines (HAWTs) is often limited in regions characterized by low and variable wind speeds, common scenarios in urban and rural areas, especially in developing countries. In this context, vertical axis wind turbines (VAWTs), and particularly hybrid Savonius-Darrieus configurations, emerge as a highly promising alternative. These combine the self-starting capability in weak winds, inherent to the Savonius rotor, with the superior aerodynamic efficiency of the Darrieus rotor at higher speeds. This research aimed to develop a computational model to simulate the performance and optimize the design of vertical axis wind turbines intended to operate efficiently in regions with low wind speeds. The methodology employed an integrated, quantitative, exploratory, and computational approach. Advanced 3D modeling (Autodesk Fusion 360), detailed aerodynamic analysis through XII Computational Fluid Dynamics (CFD) with ANSYS Fluent, and optimization of aerodynamic profiles (Qblade, XFOIL, Xoptfoil), in addition to the use of Python for data processing, were utilized. The study focused on the analysis of specific aerodynamic profiles, such as NACA 63 415, and the simulation of the operation of various blade geometries and turbine configurations. Energy efficiency was evaluated as a function of variables such as angle of attack and number of blades. The results obtained demonstrated that the optimized NACA 63-415 airfoil showed significantly higher efficiency, resulting in higher lift coefficients (CL) and more efficient airflow behavior, with a notable improvement in the𝐶𝐿/𝐶𝐷 ratio. For the Darrieus turbine, the configuration with 4 blades and a Tip Speed Ratio (TSR) of approximately 2 revealed the best aerodynamic performance, optimizing power generation and stability. CFD simulations, confirmed by pressure and velocity contours, visually validated the expected behavior of the hybrid configuration: the Savonius rotor provides the initial torque required for self-starting in low wind speeds, while the Darrieus rotor assumes the main function of converting wind energy into useful power once in rotation. This study validates an innovative hybrid turbine model, specifically designed and optimized for low-intensity wind conditions, prevalent in regions such as Tete province, (Mozambique). The developed methodology and the ideas generated represent a significant contribution to the advancement of knowledge in wind energy and offer a solid technical basis for the development of turbine projects for supplying small rural and urban communities, especially where the average wind speed is not compatible with HAWTs. By promoting sustainable, low-cost, and accessible energy solutions, this work aims to boost energy inclusion and local socioeconomic development. |
| Palavras-chave: | Turbina eólica de eixo vertical Modelagem computacional Modelagem de baixo vento Bombeamento de água Optimização de desempenho Energia renovável |
| CNPq: | Engenharias Engenharia Mecânica |
| Idioma: | por |
| País: | Moçambique |
| Editor: | Universidade Eduardo Mondlane |
| Sigla da Instituição: | UEM |
| metadata.dc.publisher.department: | Faculdade de Engenharia |
| Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
| URI: | http://monografias.uem.mz/handle/123456789/5169 |
| Data do documento: | 1-Ago-2025 |
| Aparece nas coleções: | FE - Engenharia Mecânica |
Arquivos associados a este item:
| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
|---|---|---|---|---|
| 2025 - Cossa, Tiago António.pdf | 5.86 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.
