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Mestrado - Danilo Gomes Dellaroza

por dirppg-ct publicado 08/02/2021 11h02, última modificação 09/02/2021 14h50
Otimização Estrutural de Pás de Turbinas Eólicas Compósitas via Funções de Base Radial
Quando
26/02/2021
de 09h00 até 12h00
(America/Sao_Paulo / UTC-300)
Onde
Via videoconferência
Pessoa de contato
Prof. Marco Antônio Luersen, Dr. - UTFPR
Participantes
Orientador(a): Prof. Marco Antônio Luersen, Dr. - UTFPR
Coorientador: Prof. Claudio Tavares da Silva, Dr. - UTFPR
Banca examinadora:
Presidente: Prof. Marco Antônio Luersen, Dr. - UTFPR -
Prof. Maurício Vicente Donadon, Ph.D. - ITA
Prof. Jucélio Tomás Pereira. Dr. - UFPR
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Resumo: Turbinas eólicas são máquinas capazes de converter a 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 maiores que a velocidade nominal de projeto. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo encontrar a melhor configuração 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. Adota-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, realiza-se 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.
Palavras-chave: Pá de Turbina Eólica; Compósitos Laminados; Otimização; Funções de Base Radial; Método dos Elementos Finitos

Structural Optimization of Composite Wind Turbine Blades via Radial Basis Functions
Abstract: 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 bend-twist 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 find 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.
Keywords: Wind Turbine Blade; Laminate Composites; Optimization; Radial Basis Functions; Finite Element Method.


Lista de publicações:
DELLAROZA, D. G. ; SILVA, C. T. ; LUERSEN, M. A. . A layup optimization approach of laminated composite wind turbine blade for improved power efficiency. Proceedings of the XLI Ibero-Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering (CILAMCE-2020), 2020.

Obs: Esta defesa será realizada exclusivamente através de videoconferência, caso tenha interesse em acompanhar, entre em contato com o orientador com pelo menos 24 horas de antecedência da data de realização.