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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-25042022-083521
Document
Auteur
Nom complet
Mauro Tuyoshi Imamura Júnior
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2021
Directeur
Jury
Zachariadis, Demetrio Cornilios (Président)
Silva, Roberto Gil Annes da
Simos, Alexandre Nicolaos
Titre en portugais
Análise de esforços solicitantes em turbinas eólicas de eixo horizontal para diferentes condições de vento.
Mots-clés en portugais
Energia eólica
FAST
Fontes alternativas de energia
Geração de energia elétrica
Turbinas
Resumé en portugais
Com o aumento da demanda energética e preocupação em se utilizar fontes de energia consideradas limpas, a indústria de aerogeradores tem se expandido, sobretudo na produção de turbinas com maior capacidade de geração, que consequentemente exigem equipamentos maiores e mais robustos. Nesse ínterim, a necessidade de desenvolvimento de máquinas que sejam mais leves e menos custosas, aliada à preocupação em assegurar sua durabilidade em anos de exposição às adversidades do meio, como mudanças abruptas das condições atmosféricas ou mesmo acidentes durante a operação, levantam questões ligadas às especificações de esforços sob os quais o aerogerador está submetido em sua região de instalação. Em meio a esse contexto, o presente estudo apresenta e analisa uma coletânea de dados provenientes de simulações numéricas de turbinas eólicas em diferentes condições de vento para averiguar como os esforços solicitantes oscilam em dadas combinações de velocidade, turbulência e eventos extremos. O estudo foi desenvolvido com auxílio da ferramenta OpenFAST, uma plataforma para simulações de aerogeradores que combina métodos de dinâmica de sistemas multicorpos, teoria de quantidade de movimento no elemento de pá, dinâmica modal e rotinas de controle para compor a modelagem e descrever o comportamento de toda a turbina ao longo de sua operação. As simulações são tomadas com base em cenários descritos na norma técnica IEC 61400-1 para projeto de equipamentos eólicos, na qual encontram-se as definições do modelo de vento normal e modelagem de casos extraordinários, os quais o aerogerador deve ser capaz de suportar. Definidas as ferramentas de cálculo e a sua metodologia, foram selecionados três modelos de turbinas eólicas para realizar as simulações e fez-se o levantamento de parâmetros estatísticos para observar as principais tendências dos esforços em função das condições de vento. Em relação aos eventos extremos, são indicados os valores máximos e mínimos dos esforços em cada situação, a fim de determinar quais componentes das solicitações estruturais são mais impactados de acordo com os diferentes cenários de operação empregados.
Titre en anglais
Analysis of internal loads in horizontal axis wind turbines for different wind conditions.
Mots-clés en anglais
Alternative energy sources
Electric energy generation
FAST
Wind energy
Wind turbine (Simulation)
Resumé en anglais
As the electricity demand and green energy concerns increase, wind power industry has expanded, and it includes the design of turbines with greater power capacity that require larger and more resistant components. Meanwhile, the need for the development of lighter and lower cost machines, combined with concerns about their durability during years of exposition to environment conditions, as sudden changes on atmosphere or accidents during their operation, arise questions about the determination of internal loads that a wind turbine must be able to resist according to the place it is installed. In this context, the current study presents a set of data extracted from numerical simulations of wind turbines under different wind conditions in order to evaluate the behavior of these forces and moments in terms of flow velocity, turbulence and extreme events. The study was based on OpenFAST , an opensource tool that allows one to simulate a wind turbine in some specific environment conditions according to the users definitions. The platform combines multibody system dynamics, blade element momentum theory, modal analysis and control loops to describe the whole turbine and its operation. All the cases reported in this research are made based on IEC 61400-1 standards for design of wind energy systems. In this text, there are instructions for modeling wind speed field in each case of normal and extraordinary cases that must be used as design requirements. Therefore, three wind turbine models were used to build the set of simulations and report the variation of structural loads according to wind condition. On the extreme cases, there are indications of maximum and minimum values of loads in each situation, so that one can verify the effects on components of their structure according to the wind flow features.
 
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Date de Publication
2022-04-25
 
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