Otimização de torres protendidas para turbinas eólicas

Autor: Melo, Maurício Alves de
Přispěvatelé: Melo, Antônio Macário Cartaxo de
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
Universidade Federal do Ceará (UFC)
instacron:UFC
Popis: In recent years, traditional steel tubular towers have been replaced by prestressed concrete or hybrid towers to place wind turbines at great heights. Considering that the cost of these structures represents a significant portion of the cost of implementing a wind farm, the use of optimization techniques can strongly contribute to increase the competitiveness of wind energy. The objective of this work is to formulate a cost optimization model for externally prestressed wind turbine towers, using one-dimensional finite elements in nonlinear analyses of the structure. The tower is composed of tapered tubular segments of equal height. The design variables are the external diameters and thicknesses of the base of each segment and the number of prestressing tendons. The objective function is the cost of materials, and the constraints are related to geometric parameters, fundamental frequency, service limit states and ultimate stresses in concrete and prestressing steel. The optimization problem is solved using a Genetic Algorithm (GA) available in MATLAB optimization toolbox, and the structural analyses are performed through a non-linear finite element routine implemented in the same software, based on a formulation found in the literature. In the analyses, the reinforced concrete structure is modeled by plane frame elements, and the prestressing tendons are modeled by unbonded tendon elements. It was found that this formulation was able to represent the overall behavior of the structure with satisfactory accuracy and computational cost. Applications of the optimization model were made to towers with one and two segments, and the results indicated that this flexibilization in the geometry of the tower did not bring significant improvements to the cost of the solutions. The performance of the GA proved to be suitable in solving the optimization problem, so that cost reductions could be obtained, although, due to the simplifications adopted, the parameters provided by the optimizer should be assumed to be preliminary results, assisting the preliminary design stage of wind turbine towers. Nos últimos anos, as tradicionais torres tubulares em aço têm sido substituídas por torres de concreto protendido ou híbridas para posicionar turbinas eólicas em grandes alturas. Considerando que o custo dessas estruturas representa uma parcela significativa no custo de implantação de um parque eólico, o uso de técnicas de otimização pode contribuir fortemente para o aumento da competitividade da energia eólica. O objetivo deste trabalho consiste em formular um modelo de otimização de custo de torres eólicas protendidas externamente, usando elementos finitos unidimensionais em análises não lineares da estrutura. A torre é composta de segmentos de tronco de cone de mesma altura. As variáveis de projeto são os diâmetros externos e espessuras da base de cada segmento e a quantidade de cabos de protensão. A função objetivo é o custo de materiais, e as restrições são relativas a parâmetros geométricos, à frequência fundamental, a estados limites de serviço e a tensões últimas no concreto e no aço de protensão. O problema de otimização é solucionado utilizando um Algoritmo Genético (AG) disponível no pacote de ferramentas de otimização do software MATLAB, e as análises estruturais são realizadas por meio de uma rotina de elementos finitos não lineares implementada pelo autor neste mesmo software, com base em uma formulação encontrada na literatura. Nas análises, a estrutura de concreto armado é modelada por elementos de pórtico plano, e os cabos de protensão são modelados por elementos de cabo não aderente. Verificou-se que esta formulação foi capaz de representar o comportamento global da estrutura com precisão e custo computacional satisfatórios. Aplicações do modelo de otimização foram feitas a torres com um e dois segmentos, e verificou-se que essa flexibilização da geometria não trouxe melhorias significativas para o custo das soluções. O desempenho do AG se mostrou adequado na solução do problema de otimização, de maneira que reduções de custo puderam ser obtidas, embora, devido às simplificações adotadas, os resultados obtidos pelo otimizador devam ser encarados como resultados preliminares, auxiliando na fase de pré-dimensionamento das torres eólicas.
Databáze: OpenAIRE
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