Višekriterijumske ograničene optimizacije kompozitnih lopatica vetroturbina sa vertikalnom osom obrtanja bazirane na konačno-elementnoj analizi i optimizaciji brojem čestica

Abstract

Vetroturbine sa vertikalnom osom obrtanja predstavljaju privlačno oruđe za iskorišćenje energije vetra, naročito pogodno za male potrošače ili nepristupačne terene. Iako su jednostavne geometrije (ovde su pretpostavljene prave lopatice konstantnog aeroprofila), njihova aerodinamička analiza može biti izrazito složena. Metode proračunske mehanike fluida iskorišćene su za procenu aerodinamičkih performansi rotora. Rad daje pregled i ocenu mogućih strategija za izvršenje višekriterijumskih optimizacija tokom projektovanja lopatice vetroturbine sa vertikalnom osom obrtanja laminatne strukture koje se odnose na njene glavne strukturne parametre: redosled ređanja i broj slojeva laminata. Brojni proračuni strukture kompozitnih lopatica vetroturbine izvedeni su metodom konačnih elemenata. Višekriterijumske ograničene optimizacije rojem čestica, evolutivnim metodom, izvršene su u odnosu na: ukupnu masu lopatice, najveće pomeranje strukture lopatice pri statičkom opterećenju, proračunate sopstvene frekvencije i kriterijum loma po lopatici. Kombinacijom različitih ulaznih i izlaznih parametara (ciljnih funkcija i ograničenja) moguće je definisati veliki broj prihvatljivih, poboljšanih rešenja.

Vertical-axis wind turbines (VAWTs) are attractive tools for wind energy extraction particularly suitable for small consumers or off-grid areas. Although their geometry is simple (here, rectangular blade of constant airfoil is assumed), aerodynamic analysis may be quite complex. Computational fluid dynamics (CFD) approach is employed for the estimation of rotor aerodynamic performances. This paper provides a review of possible multi-objective optimization strategies for the design of small-scale VAWT laminate blades in terms of its main structural parameters: ply-order and ply-number. Numerous structural analyses of the composite turbine blades were performed by finite element method (FEM). Multi-criteria constrained optimizations, by an evolutionary method - particle swarm optimization (PSO), were performed with respect to blade total mass, maximum blade tip deflection under static loading, computed natural frequencies and failure index along the blade. By combining different input and output parameters (cost functions and constraints) a large variety of feasible solutions can be achieved.