Análise dinâmica estrutural de aerogeradores sob a ação do vento

Abstract

A crescente demanda por energia e a conscientização da sociedade quanto à preservação dos recursos naturais tem feito com que a utilização de fontes de energia renováveis seja cada vez mais desenvolvida e recorrente. Uma destas fontes é o vento, explorado para a geração de energia através da implantação de aerogeradores, também conhecidos como turbinas ou torres eólicas, que em conjunto formam os parques eólicos. Os aerogeradores são estruturas, normalmente dotadas de pás que captam a força do vento e, por meio de um gerador, convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. Para a implantação de torres eólicas, além de se conhecer a viabilidade econômica e em termos de segurança, é importante conhecer e avaliar esforços e deslocamentos que poderão ocorrer nas pás, na torre e nas fundações. Diante disso, este trabalho propõe uma ferramenta para pré-avaliar o comportamento dinâmico de aerogeradores sujeitos à ação do vento. Conhecer este comportamento é importante especialmente devido à natureza aleatória do vento. Para simulação da ação do vento é adotado um modelo de geração de sinais de velocidade do vento correlacionados no tempo e no espaço, o qual segue uma densidade espectral de potência de von Kármán com parâmetros como intensidade de turbulência, desvio padrão de turbulência, perfil de velocidade média de acordo com a altura e coeficientes de decaimento para correlação conforme a distância entre os pontos de ação do vento. A implementação da estrutura e das condições simuladas é realizada em ambiente e linguagem de programação Matlab. Simulações com diferentes condições de vento (velocidade média e outros parâmetros) são realizadas e para cada uma é feita a análise nos domínios do tempo e da frequência. Verifica-se o tempo de simulação e o esforço computacional na avaliação dos valores RMS (Root Mean Square) de sinais de aceleração e deslocamentos em pontos específicos do aerogerador, assim como reações nas fundações. Resultados obtidos indicam que para simulações longas o método do domínio da frequência se mostra mais eficiente. O parâmetro do vento com maior impacto nos resultados foi a velocidade média, seguido do expoente da camada limite atmosférica.

The growing energy demand and the society's awareness regarding the preservation of natural resources has made the use of renewable energy sources increasingly developed and recurrent. One of these sources is the wind, exploited for power generation through the installation of wind turbines, also known as wind towers, which in groups form wind farms. The wind turbines are structures, normally equipped with blades that capture the wind force and, through a generator, convert the kinetic energy of the wind into electrical energy. For the deployment of wind towers, in addition to knowing the viability in terms of economy and safety, it is important to know and evaluate stresses, forces and displacements that may occur in the blades, tower and foundations. Therefore, this work proposes a tool to pre-evaluate the dynamic behavior of wind turbines subjected to the action of the wind. Knowing this behavior is especially important due to the random nature of the wind. For the simulation of the wind action, a model of generation of wind speed signals correlated in time and space is adopted, which follows a von Kármán Power Spectral Density with parameters such as turbulence intensity, turbulence standard deviation, average wind speed profile according to the height and decay coefficients for correlation in accordance to the distance between the wind action points. The implementation of the simulated structure and conditions is performed in Matlab programming language and environment. Simulations with different wind conditions (mean speed and other parameters) are carried out and for each one an analysis is made in the time and frequency domains. The simulation time and the computational effort are verified in the evaluation of the RMS (Root Mean Square) values of acceleration and displacement signals in specific points of the wind turbine, as well as reactions in the foundations. Obtained results indicate that for long simulations the frequency domain method presents itself to be more efficient. The wind parameter with the greatest impact on the results was the average speed, followed by the exponent of the atmospheric boundary layer.