Dissertação
Otimização multiobjetivo do layout de parques eólicos offshore via algoritmos evolucionários utilizando um modelo analítico de esteira de turbulência
Autor
Ribeiro, Anderson de Moura
Institución
Resumen
With the growing demand for renewable energy sources, the wind energy industry shows
promise with great growth prospects. Factors such as the wind turbine layout and the
intermittency of the winds (direction and speed) play an important role in the performance of wind farms due to the wake effect. In addition to the layout, the wind turbine
type also directly interferes in wind farm performance. The optimization considering both
factors as decision variables results in power gains and lower cost of energy, compared to
optimizations considering only the wind farm layout, as shown in the literature. The
present work applies this methodology and contributes with an approach that aims to
reduce the number of different wind turbine types, thus performing a trade-off between
wind farm performance gain without wind farms having too many different wind turbine
types, which leads to logistical problems of installation, operation and maintenance. It
was applied analytical wake models in conjunction with evolutionary algorithms for the
multiobjective optimization of the wind farm layout considering also the wind turbine
type. Two multiobjective problems are formulated and treated with two different approaches. The first one, a novel proposal of this research, limits the number of different
wind turbine types, which is treated as one more objective; while the second one does
not limit the choice of the number of different turbine types. We compared the sets of
results obtained with and without the approach proposed in this work, and observed,
in the two case studies, that the results obtained using the methodology proposed here
presented a reduced number of different turbine types and competitive results in terms
of the economic and performance objectives for the wind farms. Finally, it was applied a
multi-criteria decision maker to extract the results from the obtained set. Com a crescente demanda por fontes de energia renov´aveis, o setor e´olico offshore se
mostra promissor com grandes perspectivas de crescimento. Fatores como o layout dos
aerogeradores e a intermitˆencia dos ventos (dire¸c˜ao e velocidade) tˆem um papel importante
no desempenho dos parques devido ao efeito de esteira (wake). Al´em do layout, os tipos
de turbinas tamb´em interferem diretamente no desempenho do parque. A otimiza¸c˜ao considerando ambos fatores como vari´aveis de decis˜ao resulta em ganhos de potˆencia e menor
custo de energia, em rela¸c˜ao a otimiza¸c˜oes considerando apenas o layout, conforme mostra
a literatura. O presente trabalho aplica esta metodologia e contribui com uma abordagem
que visa reduzir o n´umero de diferentes tipos de turbinas, realizando assim um trade-off
entre o ganho de desempenho sem que os parques e´olicos tenham demasiados modelos
diferentes de aerogeradores, o que gera problemas log´ısticos de instala¸c˜ao, opera¸c˜ao e
manuten¸c˜ao. Utilizou-se modelos anal´ıticos de esteira de turbulˆencia em conjunto com
algoritmos evolucion´arios para a otimiza¸c˜ao multiobjetivo do layout de parques e´olicos
considerando tamb´em os tipos de turbinas. Dois problemas multiobjetivo s˜ao formulados
e tratados com duas abordagens. A primeira, proposta inovadora desta pesquisa, limita
o n´umero de modelos de aerogeradores diferentes, que ´e tratado como mais um objetivo;
enquanto a segunda n˜ao limita a escolha do n´umero de turbinas diferentes. Comparou-se
os conjuntos de resultados obtidos com e sem a abordagem proposta no presente trabalho,
e observou-se, nos dois estudos de caso analisados, que os resultados obtidos utilizando
a metodologia aqui proposta apresentou um n´umero reduzido de modelos diferentes de
turbinas e resultados competitivos em termos dos objetivos de cunho econˆomico e de
performance dos parques. Por fim, aplicou-se um tomador de decis˜ao multi-crit´erio para
extra¸c˜ao dos resultados do conjunto obtido. FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais