https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/17662
File | Description | Size | Format | |
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adrianaoliveirademendonca.pdf | 5.95 MB | Adobe PDF | View/Open |
Type: | Dissertação |
Title: | Impacto na otimização do layout de parques eólicos offshore através de diferentes modelagens de wake effect |
Author: | Mendonça, Adriana Oliveira de |
First Advisor: | Silva Júnior, Ivo Chaves da |
Referee Member: | Oliveira, Clóvis Bôsco Mendonça |
Referee Member: | Oliveira, Leonardo Willer de |
Resumo: | Com o aumento da penetração da energia eólica na matriz elétrica global e brasileira, a análise de suas características se torna essencial. A otimização do layout das turbinas é crucial para maximizar a eficiência energética, minimizando o efeito de esteira (wake effect). Esse efeito reduz a velocidade do vento nas turbinas a jusante, resultando em menor potência extraída e aumento da carga estrutural devido à maior turbulência. Isso leva ao desgaste adicional e à redução da eficiência operacional das turbinas a jusante. Diversos modelos foram desenvolvidos para simular o efeito de esteira, cada um com características e aplicabilidades específicas. Cada modelo possui parâmetros distintos que devem ser calibrados adequadamente. A escolha do modelo depende das necessidades específicas de modelagem, complexidade do layout do parque, localização e disponibilidade de dados para calibração. Este trabalho propõe comparar esses modelos para usinas eólicas offshore no Brasil, visando determinar as diferenças de potência calculadas e os layouts identificados como ótimos para cada modelo. Este estudo analisa cinco modelos de efeito de esteira: Jensen, Larsen, Frandsen, 2D-k Jensen e Jensen Gaussiano, em um parque fictício e posteriormente em dois parques eólicos offshore em licenciamento no nordeste do Brasil. A análise possibilitou uma comparação detalhada da complexidade e da modelagem dos diferentes modelos, além de uma avaliação das variações nas estimativas de energia e nos layouts otimizados pelos algoritmos. O modelo de Jensen se destaca por sua simplicidade, enquanto o modelo de Frandsen e o de Larsen tendem a serem os mais otimistas. Em contraste, o modelo 2D-k Jensen e o Jensen Gaussiano apresentam uma perspectiva mais pessimista. Para resolver o problema de layout de parques eólicos, é necessário utilizar ferramentas computacionais e métodos apropriados devido à complexidade do problema como métodos heurísticos. Neste estudo, utilizou-se o Bat Algorithm (BA), uma técnica de otimização global inspirada na ecolocalização dos morcegos, que mapeia o ambiente e localiza presas e obstáculos usando ondas ultrassônicas. A análise comparativa dos modelos de efeito de esteira e a aplicação do BA para otimização de layout em parques eólicos offshore no Brasil destacam a importância de uma modelagem precisa e de métodos de soluções eficazes. A escolha adequada do modelo de efeito de esteira e a otimização eficiente do layout são essenciais para maximizar a geração de energia e assegurar a sustentabilidade e viabilidade econômica dos projetos eólicos offshore. |
Abstract: | With the increasing penetration of wind energy in both global and Brazilian energy matrices, analyzing its characteristics becomes essential. Optimizing turbine layout is crucial to maximize energy efficiency while minimizing the wake effect. This effect reduces wind speed for downstream turbines, resulting in lower power extraction and increased structural load due to higher turbulence. This leads to additional wear and reduced operational efficiency of downstream turbines. Several models have been developed to simulate the wake effect, each with specific characteristics and applicability. Each model has distinct parameters that must be properly calibrated. The choice of model depends on the specific modeling needs, wind farm layout complexity, location, and availability of calibration data. This work proposes a comparison of these models for offshore wind farms in Brazil, aiming to determine the differences in calculated power and the layouts identified as optimal for each model. This study analyzes five wake effect models: Jensen, Larsen, Frandsen, 2D-k Jensen, and Gaussian Jensen in a fictional wind farm and later in two offshore wind farms undergoing licensing in northeastern Brazil. The analysis allowed for a detailed comparison of the complexity and modeling of the different models, as well as an evaluation of variations in energy estimates and layouts optimized by the algorithms. The Jensen model stands out for its simplicity, while the Frandsen and Larsen models tend to be more optimistic. In contrast, the 2D-k Jensen and Gaussian Jensen models present a more pessimistic perspective. To solve the wind farm layout problem, computational tools and appropriate methods are required due to the complexity of the problem, such as heuristic methods. In this study, the Bat Algorithm (BA), a global optimization technique inspired by bats’ echolocation, which maps the environment and locates prey and obstacles using ultrasonic waves, was used. The comparative analysis of wake effect models and the application of the BA for layout optimization in offshore wind farms in Brazil highlight the importance of precise modeling and effective solution methods. The proper choice of wake effect model and efficient layout optimization are essential to maximize energy generation and ensure the sustainability and economic viability of offshore wind projects. |
Keywords: | Wake effect Energia eólica Usina eólica offshore Otimização layout Bat algorithm Wind power Offshore wind farms Turbine layout optimization Bat algorithm |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) |
Institution Initials: | UFJF |
Department: | Faculdade de Engenharia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica |
Access Type: | Acesso Aberto Attribution 3.0 Brazil |
Creative Commons License: | http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/ |
URI: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/17662 |
Issue Date: | 5-Sep-2024 |
Appears in Collections: | Mestrado em Engenharia Elétrica (Dissertações) |
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