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Type: Dissertação
Title: Otimização multiobjetivo de pá de turbina eólica de eixo horizontal considerando aspectos aerodinâmicos e estruturais
Author: Kunsch, Júlia Cássia da Silva
First Advisor: Hallak, Patrícia Habib
Co-Advisor: Oliveira, Nícolas Lima
Referee Member: Barbosa , Flávio de Souza
Referee Member: Lemonge, Afonso Celso de Castro
Referee Member: Resende, Claudio Horta Barbosa de
Resumo: Nos últimos anos, a energia eólica ganhou destaque devido ao seu potencial energético e ambiental. Ocorreram notáveis avanços no setor, com as turbinas eólicas aumentando sua capacidade de 75 kW para 7,5 MW. O principal componente de uma turbina eólica é o gerador (rotor), responsável por converter a energia mecânica, que é produzida pela rotação das pás da turbina, em energia elétrica. As pás do rotor, por sua vez, são componentes estruturais essenciais que precisam ser projetadas adequadamente para garantir o funcionamento eficiente do sistema e garantir a sua estabilidade. É no contexto de melhorias no desempenho aerodinâmico do rotor, observando aspectos dinâmicos de frequências naturais das pás de turbinas eólicas de eixo horizontal, que se insere a presente pesquisa. Propõe-se, portanto, uma abordagem para a otimização multiobjetivo, mediante a resolução de problemas que visam maximizar a potência e minimizar o empuxo, impondo restrições de frequências naturais, associando-as a limitações impostas pela rotação da turbina. Para alcançar os objetivos, a metodologia compreende o acoplamento do modelo aerodinâmico da teoria do elemento de pá combinada com a do disco atuador (Blade Element Momentum Theory - BEM) com o modelo estrutural de viga rotativa, na abordagem proposta, a longarina, associada a um material equivalente ao compósito, é tratada como uma simplificação da geometria da pá. A turbina eólica padrão NREL (National Renewable Energy Laboratory) de 5 MW é utilizada como estudo de caso, sendo otimizada por meio de cinco algoritmos evolutivos. Para cada problema de otimização proposto, realiza-se a avaliação do desempenho de cada algoritmo e extraem-se modelos de turbinas da frente de Pareto, com auxílio do tomador de decisão multi-criteria decision making (MCDM).
Abstract: In recent years, wind energy has gained prominence due to its energy and environmental potential. Notable advancements have occurred in the sector, with wind turbines increasing their capacity from 75 kW to 7.5 MW. The main component of a wind turbine is the generator (rotor), responsible for converting the mechanical energy produced by the rotation of the turbine blades into electrical energy. The rotor blades, in turn, are essential structural components that need to be properly designed to ensure the efficient operation of the system and maintain its stability. It is in the context of improvements in the aerodynamic performance of the rotor, observing dynamic aspects of the natural frequencies of horizontal axis wind turbine blades, that this research is situated. Therefore, an approach for multi-objective optimization is proposed, addressing problems aimed at maximizing power and minimizing thrust, while imposing constraints on natural frequencies, associating them with limitations imposed by the turbine’s rotation. To achieve the objectives, the methodology involves coupling the aerodynamic model of blade element theory combined with actuator disk theory (blade element momentum theory - BEM) with the structural model of a rotating beam. In the proposed approach, the spar, associated with a material equivalent to composite, is treated as a simplification of the blade geometry. The standard NREL (National Renewable Energy Laboratory) 5 MW wind turbine is used as a case study, being optimized through five evolutionary algorithms. For each proposed optimization problem, the performance of each algorithm is evaluated, and turbine models from the Pareto front are extracted, with the assistance of the MCDM (multi-criteria decision making).
Keywords: Turbina eólica
Otimização multiobjetivo
FEM
BEM
Wind turbine
Multi-objective optimization
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
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 Civil (PEC)
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/17709
Issue Date: 14-Oct-2024
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Civil (Dissertações)



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