Wells turbine: fiberglass flanges

A introdução desta tese começa por realizar um enquadramento do projecto em mão, apresentando a central de energia das ondas em que se encontram os componentes em fibra de vidro a projectar. Esta central usa o princípio de variação de coluna de água, e encontra-se localizada na ilha do Pico, Açores. São de seguida apresentados os objectivos deste trabalho, que consistem na selecção de materiais de fabrico dos componentes, desenvolvimento de uma metodologia para projectar juntas aparafusadas em materiais compósitos, dimensionamento e comparação de duas juntas concorrentes em materiais compósitos: junta solicitada à tracção e junta solicitada ao corte, validação da análise e estudo das causas dos vários tipos de falha destas juntas. A parte I deste trabalho é o resultado da pesquisa bibliográfica efectuada para levar a cabo os objectivos definidos. Assim, começa por se fazer uma descrição dos materiais e processos de fabrico que mais se adequam ao presente projecto, nomeadamente fibra de vidro, resinas, tecidos, impregnação manual, RTM e infusão por vácuo. Daqui resultou que os materiais mais adequados para esta aplicação são fibra de vidro do tipo E e resina polyester devido ao seu baixo custo e larga utilização em aplicações estruturais marinhas. O processo de fabrico mais eficiente é a infusão por vácuo devido á sua vocação para pequenas séries de produção, a poupança que permite em termos de mão-de-obra, a complacência com normas de emissão de voláteis e as boas propriedades das partes produzidas. No capítulo II da parte I são discutidos os tópicos relacionados com juntas em materiais compósitos. Da pesquisa levada a cabo conclui-se que as grandes vantagens das juntas aparafusadas são a sua facilidade de montagem e desmontagem, facilidade de inspecção e capacidade de ligar quaisquer tipos de materiais. Quanto à furação de compósitos é importante referir a necessidade de utilizar ferramentas resistentes e parâmetros de maquinação que minimizem o dano infligido aos laminados. Isto é possível através da selecção de ferramentas com passos baixos que reduzam igualmente a dimensão do seu centro estático responsável pela força axial exercida sobre o laminado - principal factor causador de dano. Devem-se igualmente utilizar baixas velocidades de avanço e elevadas velocidades de rotação. É importante salientar a importância da realização de pré-furação, de utilização de um prato de suporte na superfície de saída do laminado e a existência de ferramentas especialmente concebidas para a furação de compósitos. Para detectar e quantificar o dano existente num furo destacam-se os métodos de inspecção ultrasónica e a radiografia. Quanto aos parâmetros que influenciaram o comportamento de juntas aparafusadas destacam-se os rácios largura/diâmetro, distância ao bordo/diâmetro, espessura/diâmetro, pré-tensão, fricção, sequência de empilhamento e respectivas proporções, dimensão das anilhas e folga entre o parafuso e o furo. A pesquisa efectuada visando metodologias de projecto fiáveis ditou a necessidade de utilizar métodos que permitiram determinar o parafuso mais carregado de uma junta, efectuar o cálculo de tensões no mesmo, e ainda métodos que permitam determinar a primeira falha que ocorre no laminado bem como a falha final no mesmo. O capítulo III da primeira parte descreve os métodos de análise de tensões necessários para as metodologias de projecto utilizadas. Aqui é apresentada a teoria clássica da laminação, um método para determinação do parafuso mais carregado, um método analítico baseado na teoria da elasticidade anisotrópica de um corpo e o método dos elementos finitos. O método para determinar o parafuso mais carregado - análise global - consiste num modelo bidimensional de elementos finitos em que 2 laminados coincidentes são modelados com elementos lineares de casca com 4 nós, sendo a extremidade de um laminado restringida em todos os graus de liberdade e a extremidade oposta do segundo laminado carregada com a carga pretendida. Os laminados são ligados através de elementos mola que simulam os parafusos, sendo a sua constante de rigidez previamente calculada para este fim. O método analítico modela o contacto assumindo uma distribuição de pressão cosinoidal ao longo de metade do furo, e é válido para laminados simétricos e quasi-isotrópicos. O método dos elementos finitos é o que mais factores permite ter em conta, sendo os modelos tridimensionais com um elemento por camada os que melhor modelam o estado de tensões experienciado por uma junta aparafusada em materiais compósitos. O tópico de análise de falha é abordado no capítulo 4 da primeira parte. Aqui são apresentados os resultados do world wide failure exercice que compara vários critérios de falha existentes até 2004, fazendo-se referência a desenvolvimentos recentes que têm ocorrido nesta área. O critério de Puck surge como aquele que permite previsões de falha mais exactas. O critério de falha de Hashin 3D foi o escolhido para o presente trabalho, devido à sua facilidade de implementação num modelo de elementos finitos, à sua capacidade para detectar modos de falha subcríticos e à sua utilização em trabalhos anteriores que apresentaram previsões de falha muito próximas dos dados experimentais. Também neste capítulo se apresentaram os vários tipos de falha de uma junta aparafusada em materiais compósitos, apresentando as causas de cada uma. Por fim, na última secção, apresenta-se o método de dano progressivo que se desenvolveu para prever a primeira falha final do laminado. Este é muito interessante tendo permitido previsões de falha muito próximas dos resultados experimentais em trabalhos anteriores. Este método é iterativo e encontra-se dividido em 3 passos: Análise de tensões, análise de falha utilizando o critério de Hashin 3D e degradação de propriedades, de acordo com o tipo de falha detectada. Para além dos passos referidos, existe ainda um quarto responsável pelo fim da análise que consiste na aferição da existência ou não de falha final e respectivo tipo de falha (por pressão de contacto, por tensão ou por esforços de corte). No capítulo V da primeira parte é apresentado o resultado de uma pesquisa das normas de teste necessárias para obter as propriedades dos materiais requeridas para a aplicação dos métodos descritos neste trabalho. A parte II deste trabalho consiste na aplicação dos métodos apresentados na parte I ao caso concreto em estudo. Os softwares Microsoft Excel, Matlab e ANSYS foram utilizados para este fim. A junta começa por ser dimensionada estimando a espessura necessária do componente e o número e características dos parafusos. De seguida foi feita uma análise global à flange em estudo determinando a força suportada pelo parafuso mais carregado. Após esta análise desenvolveu-se um modelo tridimensional de elementos finitos da zona em que se encontra o parafuso mais carregado, utilizando elementos sólidos lineares e isoparamétricos de 8 nós e uma malha gerada pelo método directo. Aplicou-se a este modelo o algoritmo de dano progressivo descrito na primeira parte. Começou por se incluir explicitamente o parafuso, anilhas, pré-tensão e a modelação dos vários contactos com fricção posteriormente simplificado o modelo restringindo radialmente os nós da porção carregada do furo, excluindo os factores mencionados inicialmente. Procurou-se validar o modelo utilizando o método de cálculo de tensões descrito na primeira parte, desenvolvendo um programa em Matlab para o efeito. Tal não foi possível tendo-se incluído a tentativa realizada em anexo. Para efeitos de dimensionamento, desenvolveu-se um modelo de elementos finitos de duas dimensões da junta em causa, utilizando elementos de casca lineares de quatro nós isoparamétricos com uma espessura unitária. Através da análise de tensões efectuada com este modelo, e utilizando um método combinado programado em linguagem paramétrica, foi possível dimensionar as duas juntas concorrentes pretendidas. Este método combinado consistiu no cálculo de tensões em pontos localizados sobre uma curva característica e utilização de um critério de falha quadrático para cálculo da espessura necessária para a junta. O dimensionamento ditou que a junta solicitada à tensão necessita de pelo menos 127% das camadas e do custo de uma junta solicitada ao corte equivalente.

Comparative study of power converter topologies and control strategies for the harmonic performance of variable-speed wind turbine generator systems

Power converters play a vital role in the integration of wind power into the electrical grid. Variable-speed wind turbine generator systems have a considerable interest of application for grid connection at constant frequency. In this paper, comprehensive simulation studies are carried out with three power converter topologies: matrix, two-level and multilevel. A fractional-order control strategy is studied for the variable-speed operation of wind turbine generator systems. The studies are in order to compare power converter topologies and control strategies. The studies reveal that the multilevel converter and the proposed fractional-order control strategy enable an improvement in the power quality, in comparison with the other power converters using a classical integer-order control strategy. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Fuzzy, integer and fractional-order control: Application on a wind turbine benchmark model

This paper presents a comparison between proportional integral control approaches for variable speed wind turbines. Integer and fractional-order controllers are designed using linearized wind turbine model whilst fuzzy controller also takes into account system nonlinearities. These controllers operate in the full load region and the main objective is to extract maximum power from the wind turbine while ensuring the performance and reliability required to be integrated into an electric grid. The main contribution focuses on the use of fractional-order proportional integral (FOPI) controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. A comparison between proposed control approaches for the variable speed wind turbines is presented using a wind turbine benchmark model in the Matlab/Simulink environment. Results show that FOPI has improved system performance when compared with classical PI and fuzzy PI controller outperforms the integer and fractional-order control due to its capability to deal with system nonlinearities and uncertainties. © 2014 IEEE.

Fractional order control on a wind turbine benchmark

This paper is about a hierarchical structure with an event-based supervisor in a higher level and a fractional-order proportional integral (FOPI) in a lower level applied to a wind turbine. The event-based supervisor analyzes the operation conditions to determine the state of the wind turbine. This controller operate in the full load region and the main objective is to capture maximum power generation while ensuring the performance and reliability required for a wind turbine to be integrated into an electric grid. The main contribution focus on the use of fractional-order proportional integral controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. Comparisons between fractional-order pitch control and a default proportional integral pitch controller applied to a wind turbine benchmark are given and simulation results by Matlab/Simulink are shown in order to prove the effectiveness of the proposed approach.

Fractional order control on a wind turbine benchmark

This paper is about a hierarchical structure with an event-based supervisor in a higher level and a fractional-order proportional integral (FOPI) in a lower level applied to a wind turbine. The event-based supervisor analyzes the operation conditions to determine the state of the wind turbine. This controller operate in the full load region and the main objective is to capture maximum power generation while ensuring the performance and reliability required for a wind turbine to be integrated into an electric grid. The main contribution focus on the use of fractional-order proportional integral controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. Comparisons between fractional-order pitch control and a default proportional integral pitch controller applied to a wind turbine benchmark are given and simulation results by Matlab/Simulink are shown in order to prove the effectiveness of the proposed approach.

Fuzzy, integer and fractional-order control: application on a wind turbine benchmark model

This paper presents a comparison between proportional integral control approaches for variable speed wind turbines. Integer and fractional-order controllers are designed using linearized wind turbine model whilst fuzzy controller also takes into account system nonlinearities. These controllers operate in the full load region and the main objective is to extract maximum power from the wind turbine while ensuring the performance and reliability required to be integrated into an electric grid. The main contribution focuses on the use of fractional-order proportional integral (FOPI) controller which benefits from the introduction of one more tuning parameter, the integral fractional-order, taking advantage over integer order proportional integral (PI) controller. A comparison between proposed control approaches for the variable speed wind turbines is presented using a wind turbine benchmark model in the Matlab/Simulink environment. Results show that FOPI has improved system performance when compared with classical PI and fuzzy PI controller outperforms the integer and fractional-order control due to its capability to deal with system nonlinearities and uncertainties. © 2014 IEEE.

Offshore wind turbine simulation: multibody drive train. Bacl-to-back NPC (Neutral Point Clamped) converters: Fractional-order control

This paper is on offshore wind energy conversion systems installed on the deep water and equipped with back-to-back neutral point clamped full-power converter, permanent magnet synchronous generator with an AC link. The model for the drive train is a five-mass model which incorporates the dynamic of the structure and the tower in order to emulate the effect of the moving surface. A three-level converter and a four-level converter are the two options with a fractional-order control strategy considered to equip the conversion system. Simulation studies are carried out to assess the quality of the energy injected into the electric grid. Finally, conclusions are presented. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

On a self-start Darrieus wind turbine: blade design and field tests

This paper is about a design of an urban area Darrieus VAWT, having self-start ability due to an innovative profile design named EN0005, avoiding the need of extra components or external electricity feed-in. An approach is presented to study the ability of a blade profile to offer self-start ability. Methodologies applied for the blade body and for profile development are reported. Field tests and main conclusions are presented to persuade for the arrangement of this design. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Supervisory control of a variable speed wind turbine with doubly fed induction generator

This paper is on an onshore variable speed wind turbine with doubly fed induction generator and under supervisory control. The control architecture is equipped with an event-based supervisor for the supervision level and fuzzy proportional integral or discrete adaptive linear quadratic as proposed controllers for the execution level. The supervisory control assesses the operational state of the variable speed wind turbine and sends the state to the execution level. Controllers operation are in the full load region to extract energy at full power from the wind while ensuring safety conditions required to inject the energy into the electric grid. A comparison between the simulations of the proposed controllers with the inclusion of the supervisory control on the variable speed wind turbine benchmark model is presented to assess advantages of these controls. (C) 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Electromagnetic transients analysis of lightning overvoltages on wind power plants

As wind power generation undergoes rapid growth, lightning and overvoltage incidents involving wind power plants have come to be regarded as a serious problem. Firstly, lightning location systems are discussed, as well as important parameters regarding lightning protection. Also, this paper presents a case study, based on a wind turbine with an interconnecting transformer, for the study of adequate lightning and overvoltage protection measures. The electromagnetic transients circuit under study is described, and computational results are presented.

Simple thermodynamics of jet engines

We use the first and second laws of thermodynamics to analyze the behavior of an ideal jet engine. Simple analytical expressions for the thermal efficiency, the overall efficiency, and the reduced thrust are derived. We show that the thermal efficiency depends only on the compression ratio r and on the velocity of the aircraft. The other two performance measures depend also on the ratio of the temperature at the turbine to the inlet temperature in the engine, T-3/T-i. An analysis of these expressions shows that it is not possible to choose an optimal set of values of r and T-3/T-i that maximize both the overall efficiency and thrust. We study how irreversibilities in the compressor and the turbine decrease the overall efficiency of jet engines and show that this effect is more pronounced for smaller T-3/T-i.

Power converter topologies for wind energy conversion systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation

This paper presents new integrated model for variable-speed wind energy conversion systems, considering a more accurate dynamic of the wind turbine, rotor, generator, power converter and filter. Pulse width modulation by space vector modulation associated with sliding mode is used for controlling the power converters. Also, power factor control is introduced at the output of the power converters. Comprehensive performance simulation studies are carried out with matrix, two-level and multilevel power converter topologies in order to adequately assert the system performance. Conclusions are duly drawn.

Controlo de um gerador hidroeléctrico utilizado na recuperação de energia numa conduta de abastecimento de água

O presente trabalho pretende contribuir para a melhoria da eficiência dos sistemas de transporte e distribuição de água, possível de conseguir através da recuperação de energia potencial que, em certas situações, existe em excesso em condutas gravíticas. Sendo uma questão já abordada em diversos estudos, as poupanças de energia a que poderá conduzir, justificam a análise de todas as oportunidades, em especial no nosso País, cuja dependência energética do exterior é bem conhecida. Todavia, a implementação de soluções que recorrem à instalação de turbinas em condutas de abastecimento de água, causam naturalmente alguma apreensão às respectivas entidades gestoras, uma vez que pode pôr em causa a integridade das condutas e, em consequência, o abastecimento de água. Neste contexto, o estudo de modelos de controlo específicos para os referidos equipamentos poderá ser um contributo para a implementação mais alargada das soluções de melhoria da eficiência de sistemas de abastecimento de água, através da instalação de geradores hidroeléctricos, que terão a dupla função de controlo de caudal e produção de energia. O estudo e simulação dos modelos de controlo contidos neste trabalho permite concluir que é possível garantir a segurança das condutas e produzir energia eléctrica com turbinas nelas instaladas. Interessa assim aprofundar este tipo de estudos de forma a conseguir modelos de controlo que, com as premissas indicadas, possibilitem a optimização da produção de energia.

Sistema de accionamento de pás móveis para turbina de impulso

A actual dependência mundial dos combustíveis fósseis e a crescente necessidade de redução do seu consumo têm culminado em novas directrizes de gestão de recursos de energia. A utilização de recursos energéticos renováveis apresenta-se como um caminho vital para o desenvolvimento sustentável da nossa sociedade. Assim sendo, a energia das ondas surge como potencial fonte de energia que muitos autores afirmam como sendo um dos sectores com maior potencial energético por metro quadrado de área. Contudo, esta ainda é uma tecnologia muito recente, que ainda evidencia uma grande diversidade de conceitos e que ainda se encontra numa fase inicial de demonstração. É neste contexto que foi criado o projecto CORES que visa desenvolver uma turbina de impulso com pás guia de posição variável, no âmbito do desenvolvimento de novos dispositivos e componentes para produção de energia através das ondas do mar. Neste trabalho será desenvolvido um sistema de accionamento de pás móveis para a turbina de impulso, tendo como principal objectivo o fabrico de um protótipo. Assim sendo, será realizado o desenvolvimento, dimensionamento e análise dos seus elementos móveis, bem como do sistema de actuação que melhor se adeqúe e permita um correcto funcionamento do conjunto.

Concepção de uma pequena turbina eólica destinada ao segmento doméstico (simplificação e análise aerodinâmica das pás)

O trabalho que se apresenta incide sobre o estudo aerodinâmico das pás de uma turbina eólica de pequeno porte, com vista à simplificação geométrica, de forma a que estas sejam baratas e de fácil concepção. A teoria da quantidade de movimento do elemento de pá (BEMT), que é o modelo de referência para o projecto e análise aerodinâmica das pás das turbinas eólicas, foi utilizada neste trabalho de forma a projectar e analisar aerodinamicamente as pás da turbina. Sendo assim, desenvolveu-se um programa computacional em MATLAB, denominado de “Turbina”, de forma a implementar a teoria BEM. Introduzindo os dados dos parâmetros de projecto no programa (potência requerida, o número de pás, velocidade do vento, a TSR e o tipo de perfil alar), obtêm-se os parâmetros geométricos das pás (distribuição da corda ao longo da envergadura, o raio da pá e a distribuição da torção da pá), os parâmetros aerodinâmicos e de desempenho. Uma pá ideal foi calculada e de seguida foi modificada de forma a obter-se uma pá simples e menos carregada aerodinamicamente. Introduzidas as modificações na geometria da pá ideal, obtiveram-se duas configurações distintas. Uma configuração linear, onde a distribuição da corda e do ângulo de torção se tornam lineares, e outra configuração bi-linear, onde a distribuição da corda continua linear mas o ângulo de torção se torna bi-linear, isto é, a pá é composta por dois troços onde cada troço apresenta uma distribuição linear do ângulo de torção geométrica. As conclusões demonstram que a configuração bi-linear é uma boa alternativa a configuração ideal, apresentando uma redução do desempenho do rotor de 2.8% para um aumento do raio da pá em 1.41%, para se obter a mesma potência da configuração ideal. A análise aos perfis alares, utilizados neste trabalho, foi efectuada a partir dos programas comerciais ICEM e FLUENT. De forma a automatizar a análise de CFD, três programas foram desenvolvidos utilizando a linguagem de programação “C”. Os programas são denominados de “Malha2D”, “Calcula_Coeficientes” e “Plot_Graficos”. Finalmente, um estudo paramétrico foi feito de forma a avaliar a influências das variáveis de projecto no desempenho geral da turbina.