Análise dinâmica de torres de geradores eólicos sob carregamento aleatório do vento

Abstract

Nos últimos anos a utilização de energias renováveis e limpas cresceu substancialmente. No Nordeste Brasileiro, em 2017, ela representou 50% do abastecimento em energia. O Brasil é um país de enorme potencial gerador e neste contexto, o projeto de torres de aerogeradores merece um destaque especial no impacto de custos e segurança na viabilidade econômica de empreendimentos. Avaliar esforços e deslocamentos tanto nas pás, torres e fundações é de vital importância para o correto projeto de tais estruturas. Este trabalho propõe uma metodologia para avaliar o comportamento dinâmico de aerogeradores levando em conta o efeito da ação do vento em seus componentes estruturais (torre, nacele e pás). Este comportamento é importante principalmente para a correta avaliação das componentes flutuantes de esforços que surgem devido à condição aleatória do vento. Para isto, um modelo de geração de sinais de velocidade do vento correlacionados no tempo e no espaço é adotado. Este, segue uma Densidade Espectral de Potência usual de von Kárman que possui parâmetros como intensidades de turbulência e desvios padrões das flutuações da velocidade do vento nas três direções, perfil de velocidades com a altura, e coeficientes de decaimento da coerência com a distância entre os pontos de ação do vento. É investigada se a análise feita no domínio do tempo e diretamente no domínio da frequência está adequada quanto ao tempo de simulação e ao esforço computacional na avaliação dos valores RMS de sinais de aceleração e deslocamentos em pontos específicos do aerogerador, assim como reações nas fundações. O modelo proposto do aerogerador leva em conta os perfis de esforços como cortantes, momentos fletores e torsores. A implementação foi realizada em ambiente e linguagem de programação Matlab com rotinas próprias para visualização de grandezas de interesse de forma sistematizada. Uma metodologia no domínio do tempo pelo Método de Newmark para a integração é utilizada nas simulações no tempo. Para as simulações no domínio da frequência, a integração direta das densidades espectrais de potências das grandezas de interesse (deslocamentos, acelerações, etc) pelo método dos trapézios é empregado. Resultados para uma simulação típica são investigados e comparadas em situações diversas de velocidade de vento e parâmetros para a simulação da estrutura. Resultados obtidos indicam similaridades quanto a frequências naturais, modos de vibração além de amplitudes de vibração com casos relatados na literatura.

In recent years, the use of renewable and clean energy has grown substantially. In the Northeast of Brazil, in 2017, it accounted for 50% of the energy supply. Brazil is a country with enormous generating potential and in this context, the project of wind turbine towers deserves a special highlight in the impact of costs and safety on the economic viability of ventures. Evaluating loads and displacements in both blades, towers and foundations is of vital importance for the economic design of such structures. This work proposes a methodology to evaluate the dynamic behavior over time of wind turbines taking into account the effects of wind on its structural components (tower, nacelle and blades). This behavior is important mainly for the correct evaluation of the floating components of stresses that arise due to the random wind condition. For this, a model of generation of wind velocity signals correlated in time and space is adopted. This follows a usual von Karman Power Spectral Density which has parameters such as turbulence intensities and standard deviations of the wind speed fluctuations in the three directions, velocity profile with height, and decay coefficients of the coherence with the distance between the points of wind action. It is investigated whether the time domain and frequency domain analysis are adequate in terms of simulation time and computational costs for the evaluation of RMS values of acceleration and displacement signals at specific points of the wind turbine as well as base reactions. The proposed model of the wind turbine takes into account the aerodynamic profiles of the blades and the actions generated in the tower in the lateral direction due to the longitudinal wind. Finite elements of the (three-dimensional) type of bars are used to obtain loads such as shear, bending moments and torsion. The implementation was performed in Matlab environment and programming language with routines for visualization of quantities of interest in a systematized way. A time domain methodology by the Newmark Method for integration is used in time simulations. For the simulations in the frequency domain, the direct integration of specific power spectral densities (displacements, accelerations, etc.) by the trapezoidal rule is employed. Results for a typical simulation are investigated and compared in different situations of wind speed and parameters for the simulation of the structure. The obtained results present similarities regarding natural frequencies, main modes of vibration as well as vibration magnitude with cases reported in the literature.