Análise dinâmica linear de aerogeradores offshore

Monografia (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2013.A energia eólica apresenta-se, atualmente, como uma das fontes de energia em rápido desenvolvimento e implementação em todo o mundo. O projeto, construção e manutenção dos chamados parques eólicos ainda apresentam muitos desafios para os engenheiros e pesquisadores. Neste contexto, encontram-se os chamados aerogeradores offshore: turbinas eólicas instaladas no mar próximas à costa que, entre outras vantagens, aproveitam o fato do vento nestas regiões ser mais intenso e consistente com menor turbulência. Uma das concepções deste tipo de aerogerador é a turbina eólica flutuante. Este tipo de sistema estrutural pode ser representado por um modelo discreto de pêndulo invertido. A estrutura de um aerogerador flutuante, por causa de sua geometria e elevada altitude, pode experimentar vibrações excessivas causadas pelo seu próprio funcionamento e, também, pela força do vento. Uma solução para o problema de vibrações excessivas, que tem sido estudada por vários pesquisadores nos últimos anos, é o controle estrutural. Um dos dispositivos de controle estrutural, já extensivamente estudado e implementado na prática, é o Amortecedor de Massa Sintonizado (AMS). O AMS é projetado como um dispositivo massa-mola-amortecedor que é sintonizado numa frequência específica para transferir energia vibracional do sistema principal para a massa auxiliar que vibra fora de fase. Uma geometria alternativa para o AMS é o absorvedor de vibração pendular. O período natural deste dispositivo depende do comprimento do seu cabo, e pode ser considerado como um oscilador linear apenas quando as amplitudes de vibração são pequenas. Este trabalho estuda o comportamento dinâmico de um aerogerador offshore modelado como um pêndulo invertido. Além disso, como este tipo de pêndulo é originalmente instável, é proposto um controle proporcional para estabilizar seu comportamento. Como um segundo passo, um absorvedor pendular de massa-mola é acoplado na estrutura principal do sistema para reduzir a vibração excessiva, entretanto, para este segundo caso, o sistema principal é considerado inicialmente estável. São realizadas simulações numéricas para definir os parâmetros do AMS que aprimoram a performance do dispositivo de controle. Entretanto, dispositivos passivos apenas trabalham apropriadamente dentro da faixa de frequência considerada no projeto, e as forças do vento são excitações aleatórias. Melhores resultados seriam alcançados se um sistema de controle robusto fosse desenvolvido. Este estudo servirá como base para a proposição de um dispositivo semi-ativo.Wind energy presents itself, nowadays, as one of energy sources in rapid development and implementation all over the world. The project, building and maintenance of called wind farm still present lots of challenges for engineers and researches. In this context, offshore wind turbine are found: wind turbines installed on ocean next to coast which, between other advantages, gets benefit of more intense and consistent wind with less turbulence in these regions. One of conceptions from this kind of wind turbine is the floating. This kind of structural system can be analyzed like a discrete model of inverted pendulum. The floating wind turbine structure, because of its geometry and great height, can experience excessive vibrations caused by its own functioning and, also, by wind forces. A solution to the problem of excessive vibrations that has been studied by many researchers in the last few years is structural control. One of the earliest structural control devices, already extensively studied, is the Tuned Mass Damper (TMD). The TMD is designed as a mass-spring-dashpot device that is tuned to a specific structural frequency to transfer the vibrational energy from the main system to the auxiliary mass that vibrates out of phase. An alternative geometry for the TMD is the pendulum vibration absorber. The natural period of this device depends on the length of its cable, and can be considered as a linear oscillator only when the vibrational amplitudes are small. This work studies the dynamic behavior of offshore wind turbines modeled as an inverted pendulum. Besides, as this type of pendulum is originally unstable, it is proposed a proportional control to stabilize its behavior. As a second step, a mass-spring pendulum absorber is attached to the main system in order to reduce the excessive vibrations, however, for this second case, the main system is considered initially stable. Numerical simulations are performed to define TMD parameters that improve the control device performance. However, passive devices only work properly for the design frequency range, and wind forces are random type of excitations. Better results would be achieved if a robust control is developed. This study will serve as a basis for the proposition of a semi-active device