Influência do controle estrutural na otimização de torres de sustentação de aerogeradores

Abstract

A energia eólica é baseada no fluxo do ar na atmosfera, onde a energia cinética do vento é capturada pelas pás do aerogerador e posteriormente convertida em trabalho de eixo no rotor para se obter energia elétrica no aerogerador. A principal característica da energia eólica é que essa fonte de energia é limpa, renovável e causa poucos impactos ambientais. Os aerogeradores normalmente são dispositivos de eixo horizontal, onde as turbinas estão convencionalmente posicionadas na extremidade superior da torre de sustentação do aerogerador. As torres de sustentação dos aerogeradores são estruturas flexíveis, esbeltas e expostas a vibrações excessivas provenientes da interação entre o vento e a estrutura. Deste modo um projeto de torre eólica deve considerar a análise dos efeitos estáticos e dinâmicos. No presente trabalho será executada a análise de uma torre de sustentação de aerogerador com dimensões teóricas por meio do software ANSYS R13.0 e da mesma torre com a integração de um sistema de controle. Para os dois casos será feito um estudo de otimização em busca do menor volume a fim de avaliar a influência do sistema de controle sobre o resultado ótimo do projeto. O processo de otimização estrutural da torre foi realizado devido a notória importância da torre, no custo total do aerogerador, podendo alcançar até 30% do custo total do aerogerador. O modelo da torre proposto, foi modelado com elemento de viga sem as pás do rotor e a utilização de um elemento de massa concentrada na extremidade superior da torre para representar a nacele do aerogerador. Neste trabalho foram executadas análises estruturais estática, modal e transiente, assim como processos de otimização em cada um desses regimes. O dispositivo de controle estrutural utilizado neste trabalho será um pêndulo, que consiste essencialmente de um sistema massa-mola-amortecedor, que será conectado a estrutura da torre e sintonizado em uma frequência particular de interesse, com o objetivo de fazer o dispositivo vibrar fora de fase com o movimento causado pela interação vento-estrutura, e assim transferir a energia vibratória para o próprio pêndulo.