Otimização estrutural de pás de turbinas eólicas de material compósito via funções de base radial
Wind turbines are machines capable of transforming wind kinetic energy into electricity. The turbine blades are responsible for converting aerodynamic forces into torque for the generator. In most cases, blades are made of composite materials and their stiffness and behavior affect the turbine perfo...
| Autor principal: | Dellaroza, Danilo Gomes |
|---|---|
| Formato: | Dissertação |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2021
|
| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24921 |
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riut-1-249212021-05-12T06:11:44Z Otimização estrutural de pás de turbinas eólicas de material compósito via funções de base radial Structural optimization of composite material wind turbine blades via radial basis function Dellaroza, Danilo Gomes Luersen, Marco Antonio https://orcid.org/0000-0002-3769-8815 http://lattes.cnpq.br/4815765372448868 Silva, Claudio Tavares da https://orcid.org/0000-0001-9127-6229 http://lattes.cnpq.br/5446588401443181 Pereira, Jucelio Tomas https://orcid.org/0000-0002-2483-4339 http://lattes.cnpq.br/3258218450203612 Luersen, Marco Antonio https://orcid.org/0000-0002-3769-8815 http://lattes.cnpq.br/4815765372448868 Donadon, Mauricio Vicente https://orcid.org/0000-0001-9016-5340 http://lattes.cnpq.br/1493239952726031 Turbinas eólicas - Aerodinâmica Materiais laminados Otimização estrutural Energia eólica Deformações (Mecânica) Modelos matemáticos Método dos Elementos Finitos Métodos de simulação Wind turbines - Aerodynamics Laminated materials Structural optimization Wind energy Deformations (Mechanics) Mathematical models Finite element method Simulation methods CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS Engenharia Mecânica Wind turbines are machines capable of transforming wind kinetic energy into electricity. The turbine blades are responsible for converting aerodynamic forces into torque for the generator. In most cases, blades are made of composite materials and their stiffness and behavior affect the turbine performance, on the other hand, the material and layup orientation influence the blade stiffness. By taking advantage of the bendtwist coupling that is offered by the layup sequence of composite materials, it is possible to produce a passive control of the pitch angle in small size wind turbines. The passive control aims to improve the blade performance for higher wind speeds than the nominal design speed. Within this context, this research aims to obtain the best layup sequence of a wind turbine blade made of laminated composite material using metamodeling based optimization. For this, the finite element method is used to model the mechanical behavior of the wind turbine blade. The model is parameterized in order to simulate several layup configurations and to evaluate the behavior of the blade undergoing different wind speeds. From the simulation responses of the finite element model, a surrogate model is generated, using radial basis functions. Ply orientations are adopted as input variables, and the power coefficient of the wind turbine as output. In possession of the metamodel, an optimization process is carried out to find the layup sequence that offers the highest power coefficient. The optimized layup sequence is compared with other layup configurations, as well as the surrogate model responses with the finite element model itself. The results demonstrate that the optimization methodology using metamodels is efficient, moreover, the passive control of the pitch angle of wind turbine blades can be applied and generates a better performance for the turbine, using for that the bend-twist coupling of composite materials. Turbinas eólicas são máquinas capazes de converter energia cinética do vento em eletricidade. As pás da turbina são responsáveis por converter as forças aerodinâmicas em torque para o gerador. Na maioria dos casos, as pás são fabricadas com materiais compósitos e sua rigidez e comportamento têm influência direta no desempenho da turbina, e, por sua vez, o material e sequência de laminação influenciam na rigidez da pá. Tirando proveito do acoplamento flexão-torção proporcionado pela sequência de laminação dos materiais compósitos, é possível produzir um controle passivo do ângulo de arfagem das pás de geradores eólicos de pequeno porte. Esse controle passivo tem por objetivo melhorar o rendimento das pás para velocidades de vento superiores à que a velocidade nominal de projeto. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo obter a melhor configuração de empilhamento para o projeto de uma pá de turbina eólica de material compósito laminado utilizando uma técnica de otimização baseada em metamodelagem. Para isso, utiliza-se o método dos elementos finitos para modelar o comportamento mecânico de uma pá. O modelo é parametrizado de forma a simular diferentes configurações de laminados e avaliar o comportamento da pá com diferentes velocidades de vento. A partir de resultados de simulações do modelo de elementos finitos é construído um metamodelo, utilizando funções de base radial. Adotam-se como variáveis de entrada as orientações das lâminas do material compósito e, como saída, o coeficiente de potência da turbina eólica. Em posse do metamodelo, realizase um processo de otimização para encontrar a sequência de laminação que fornece o melhor coeficiente de potência. Essa sequência é comparada com as demais configurações de laminado, assim como as respostas obtidas através do metamodelo são verificadas com as respostas do modelo de elementos finitos. Os resultados encontrados demonstram que a metodologia de otimização utilizando metamodelos é eficiente, além disso, o controle passivo do ângulo de arfagem de pás de geradores eólicos pode ser empregado gerando ganho de rendimento da turbina, usando para isso o acoplamento flexão-torção dos materiais compósitos. 2021-05-11T21:57:10Z 2021-05-11T21:57:10Z 2021-02-26 masterThesis DELLAROZA, Danilo Gomes. Otimização estrutural de pás de turbinas eólicas de material compósito via funções de base radial. 2021. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24921 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais UTFPR |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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Português |
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Wind turbines are machines capable of transforming wind kinetic energy into electricity. The turbine blades are responsible for converting aerodynamic forces into torque for the generator. In most cases, blades are made of composite materials and their stiffness and behavior affect the turbine performance, on the other hand, the material and layup orientation influence the blade stiffness. By taking advantage of the bendtwist coupling that is offered by the layup sequence of composite materials, it is possible to produce a passive control of the pitch angle in small size wind turbines. The passive control aims to improve the blade performance for higher wind speeds than the nominal design speed. Within this context, this research aims to obtain the best layup sequence of a wind turbine blade made of laminated composite material using metamodeling based optimization. For this, the finite element method is used to model the mechanical behavior of the wind turbine blade. The model is parameterized in order to simulate several layup configurations and to evaluate the behavior of the blade undergoing different wind speeds. From the simulation responses of the finite element model, a surrogate model is generated, using radial basis functions. Ply orientations are adopted as input variables, and the power coefficient of the wind turbine as output. In possession of the metamodel, an optimization process is carried out to find the layup sequence that offers the highest power coefficient. The optimized layup sequence is compared with other layup configurations, as well as the surrogate model responses with the finite element model itself. The results demonstrate that the optimization methodology using metamodels is efficient, moreover, the passive control of the pitch angle of wind turbine blades can be applied and generates a better performance for the turbine, using for that the bend-twist coupling of composite materials. |
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DELLAROZA, Danilo Gomes. Otimização estrutural de pás de turbinas eólicas de material compósito via funções de base radial. 2021. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. |
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