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Título: Análise estrutural preliminar da pá de um gerador eólico
Título(s) alternativo(s): Preliminary structural analysis of a wind generator blade
Autor(es): Goulart, Leandro Schemes
Pontes, Leonardo Almeida
Orientador(es): Silva, Claudio Tavares da
Palavras-chave: Energia eólica
Turbinas eólicas
Análise estrutural (Engenharia) - Programas de computador
Simulação (Computadores)
Sistemas CAD/CAM
Wind power
Wind turbines
Structural analysis (Engineering) - Computer programs
Computer simulation
CAD/CAM systems
Data do documento: 24-Jun-2024
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: GOULART, Leandro Schemes; PONTES, Leonardo Almeida. Análise estrutural preliminar da pá de um gerador eólico. 2024. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
Resumo: No contexto da ascensão cada vez mais crescente das fontes de energia renovável em todo o mundo, as turbinas eólicas desempenham um papel fundamental nessa ascensão e, consequentemente, na redução das emissões de gases de efeito estufa. Dessa forma, aprimoramentos estruturais nos principais componentes integrantes do sistema mostram-se cada vez mais necessários visando aumentar a durabilidade, eficiência aerodinâmica e confiabilidade operacional do conjunto. Nesse cenário, pás de geradores eólicos mais resistentes podem contribuir por exemplo para: o enfretamento de condições climáticas adversas, redução dos custos de manutenção e otimização da eficiência energética do sistema como um todo. Dessa forma, podese contribuir para o aumento da viabilidade econômica da geração de energia eólica e, consequentemente, da sustentabilidade ambiental. Considerando esses fatores, análises e simulações computacionais envolvendo a estrutura interna e externa dessas pás são cruciais para determinação do comportamento desses componentes. Considerando-seas condições operacionais extremas ao qual o sistema é submetido, pode-se através desses estudos prever possíveis fraturas ou mesmo evitar superdimensionamentos no componente. Nesse cenário está inserido o presente trabalho, o qual possui o objetivo de realizar um estudo comparativo de diferentes configurações estruturais aplicadas à construção de pás de geradores de energia eólica. Tomando como ponto de partida para estudo a turbina eólica Phase VI disponibilizada publicamente pelo laboratório nacional de energia renovável dos Estados Unidos, NREL (National Renewable Energy Laboratory), quatro diferentes estruturas utilizadas comumente na construção do componente são modeladas em software CAD e submetidas a análises por simulações computacionais. Avalia-se dessa forma o comportamento estrutural de cada modelo quando aplicados os esforços condizentes à operação. São considerados parâmetros de peso, custo econômico, deflexão máxima de ponta e modos de vibração de cada modelo para a realização do estudo comparativo. O software SOLIDWORKS é utilizado para a construção tridimensional CAD dos modelos, ao passo que as simulações são realizadas por meio do software HYPERMESH. Adicionalmente, utiliza-se o software QBLADE para obtenção de parâmetros específicos do aerofólio como os coeficientes de arrasto e sustentação. Objetiva-se, desse modo, ao fim deste trabalho avaliar os resultados obtidos para os modelos estruturais propostos baseando-se nos parâmetros de avaliação citados e selecionar aquele considerado mais adequado e viável estruturalmente considerando as condições externas e o porte da operação. Dessa forma, busca-se contribuir para a contínua viabilização da geração de energia eólica no Brasil e no mundo por meio do fornecimento de princípios que contribuirão para o norteamento da escolha de configuração estrutural mais adequada para componentes análogos ao do estudo.
Abstract: In the context of the ever-increasing rise of renewable energy sources worldwide, wind turbines play a fundamental role in this ascent and, consequently, in the reduction of greenhouse gas emissions. Therefore, structural improvements in the main components of the system are increasingly necessary to enhance durability, aerodynamic efficiency, and operational reliability. In this scenario, more resistant wind turbine blades can contribute, for example, to: coping with adverse weather conditions, reducing maintenance costs, and optimizing the overall energy efficiency of the system. In this way, it is possible to contribute to the increased economic viability of wind energy generation and, consequently, to environmental sustainability. Considering these factors, computational analyses and simulations involving the internal and external structure of these blades are crucial for determining the behavior of these components. Given the extreme operational conditions to which the system is subjected, these studies can predict possible fractures or even avoid over-dimensioning the component. This work is set in this context, aiming to conduct a comparative study of different structural configurations applied to the construction of wind turbine blades. Using the Phase VI wind turbine, publicly available from the National Renewable Energy Laboratory (NREL) of the United States, as a starting point, four different structures commonly used in the construction of the component are modeled in CAD software and subjected to analyses through computational simulations. The structural behavior of each model is evaluated under the corresponding operational loads. Parameters such as weight, economic cost, maximum tip deflection, and vibration modes of each model are considered for the comparative study. SOLIDWORKS software is used for the three-dimensional CAD construction of the models, while the simulations are performed using HYPERMESH software. Additionally, QBLADE software is used to obtain specific airfoil parameters, such as drag and lift coefficients. The objective of this work is to evaluate the results obtained for the proposed structural models based on the mentioned evaluation parameters and to select the one considered most adequate and structurally viable given the external conditions and the scale of the operation. In this way, the aim is to contribute to the continuous viability of wind energy generation in Brazil and worldwide by providing principles that will guide the selection of the most suitable structural configuration for components analogous to the study.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38176
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