Višekriterijumske optimizacije aerodinamičkih i strukturnih parametara lopatica vetroturbina

Abstract

Optimalna upotreba čiste i obnovljive energije vetra predstavlja jednu od uvek aktuelnih tema u energetskom sektoru. Kako postoje razne mogućnosti pri odabiru tipa, dimenzija, geometrije, korišćenih materijala itd. vetroturbina, još uvek se dosta napora ulaže u fazi projektovanja ne bi li se obezbedila najveća moguća efikasnost proizvoda tokom njegovog radnog veka. Jedan od najčešćih pristupa pri projektovanju je vršenje optimizacionog postupka nad širokim skupom mogućih rešenja koji rezultuje optimalnim dizajnom u skladu sa definisanim polaznim kriterijumima. Nekoliko različitih višekriterijumskih spregnutih aerodinamičkih i strukturnih optimizacija, kako bez tako i sa ograničenjima, predstavljeno je ovim radom. One su izvršene nad dva tipa vetroturbina, sa horizontalnom i vertikalnom osom obrtanja, koje se znatno razlikuju po veličini i prikladne su kako za velike tako i za male potrošače. Aerodinamičke performanse vetroturbina procenjene su kombinovanim modelom zasnovanim na teoriji idealnog diska i elementa lopatice. Model je malo prepravljen za slučaj vetroturbina sa vertikalnom osom obrtanja i naziva se Dvostrukim-višestrujnim modelom. Iako je u pitanju jednostavan model, naročito u poređenju sa savremenim metodama proračunske mehanike fluida, pruža zadovoljavajuće rezultate pri stacionarnim režimima rada te je ovde nadograđen strukturnom MKE analizom i implementiran u višekriterijumsku optimizaciju rojem čestica. Izvršene analize su prostorne ili ravanske, dok je fluid smatran viskoznim i nestišljivim. Dostupni eksperimentalni rezultati opstrujavanja aeroprofila su korigovani i korišćeni u proračunima. Korišćeni aerodinamički model verifikovan je kroz poređenje numeričkih rezultata sa eksperimentalnim podacima sličnih vetroturbina. Prateće strukturne analize vršene su nad kompozitnim lopaticama vetroturbina koje trpe proračunata aerodinamička, gravitaciona i inercijalna opterećenja. Za nekoliko kombinacija ulaznih i izlaznih parametara različite višekriterijumske optimizacije su izvršene i upoređene i njihova primena je analizirana. Razmatrani ulazni parametri uključuju: prečnik vetroturbine, dužinu, tetivu i aeroprofil lopatice, debljinu kompozitne ljuske kao i raspored slaganja platana. Ciljne funkcije i ograničenja su: nominalna snaga, minimalna ili optimalna brzina vetra, masa lopatice, ugib na kraju lopatice, kriterijum loma lopatice ili njene sopstvene frekvencije. Pouzdanost i tačnost predstavljene metodologije može se povećati korišćenjem složenijih modela koje je moguće jednostavno implementirati u kod.