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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Heloisa de Castro Beraldo
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Franzini, Guilherme Rosa (President)
Fiorentin, Thiago Antonio
Simos, Alexandre Nicolaos
Title in Portuguese
Contribuições à análise dinâmica de torres de turbinas eólicas.
Keywords in Portuguese
Análise não linear
Cenário offshore
Energia eólica
Estruturas offshore e onshore
Excitação de suporte
Modelo de ordem reduzida
Turbinas
Abstract in Portuguese
A geração de energia por meio de turbinas eólicas tem ganhado mais espaço no Brasil desde 2002 como alternativa na diversificação da matriz energética. A energia eólica é uma fonte renovável e de menor impacto ambiental, se comparada com a construção de usinas hidroelétricas e termoelétricas. No entanto, o posicionamento de parques eólicos depende, principalmente, da incidência constante de ventos, o que limita a localização de tais estruturas. Dessa forma, no intuito de aumentar a geração de energia elétrica, é possível posicionar torres eólicas sobre plataformas flutuantes, onde algumas condições de operação podem ser mais favoráveis do que aquelas encontradas em terra. Tanto estruturas onshore como offshore podem ser solicitadas por movimentos oscilatórios em sua base, devido às ações sísmicas e hidrodinâmicas, respectivamente, levando ao aparecimento de um rico comportamento dinâmico. Portanto, faz-se necessário avaliar a resposta dinâmica de uma torre de turbina eólica por meio de simulações numéricas. Esse é o cenário no qual esta dissertação é enquadrada. Inicialmente realizam-se estudos sobre a influência do momento de inércia à rotação da massa na extremidade livre (conjunto rotor e a nacele) e a rotação da torre e da plataforma flutuante na frequência natural do sistema. Para tais análises, elaboram-se modelos de ordem reduzida (MOR) simplificados e também aqueles baseados no Método dos Elementos Finitos. Após os estudos, desenvolve-se um MOR não linear descritivo de uma torre, com dois graus de liberdade, a saber, os deslocamentos axial e lateral. Obtém-se a formulação analítica para uma torre de turbina eólica genérica, com carregamentos na extremidade livre e excitação forçada e paramétrica na base. As equações de movimento são particularizadas para duas configurações de torre e consideramse diferentes excitações de suporte na base. Obtém-se simulações numéricas do modelo e verifica-se a possibilidade de ressonância clássica e paramétrica em um cenário offshore.
Title in English
Contributions to the dynamic analysis of a wind turbine towers.
Keywords in English
Non-linear analysis
Offshore and onshore scenario
Reduced order-model
Support excitation
Wind turbine towers
Abstract in English
Since 2002, it can be noticed a marked increase in the use of wind energy in Brazil. Such increase may be explained by the fact that wind energy can be an alternative source in the diversification of the energy matrix, besides being a renewable, clean and with less environmental impact if compared to the construction of hydroelectric and thermoelectric plants. However, the position of wind farm depends, mainly, on constant wind, which creates constraints regarding the location of these structures. So, in order to increase the energy generation, it is possible to deploy wind towers on offshore platforms, where the conditions for energy generation may be better than those found onshore. The both onshore and offshore structures can be subjected to oscillatory motions at the base of the tower, due to the seismic and hydrodynamics loads, respectively. These actions can lead to a rich dynamic behavior. Thus, it is necessary to evaluate the dynamic behavior of a wind turbine tower by means of numerical simulations. Firstly, studies related to rotation moment of inertia of the mass at the free end (set rotor and nacelle) and the rotation of the floating platform and the tower are evaluated, according to the natural frequency. Therefore, simplified reduced order model (ROM) and finite element model are designed. After these studies, a nonlinear ROM of the tower, with two degrees of freedom, namely, axial and lateral displacements, is made. The generic analytical formulation is obtained, excited by a load at its top and a forced and parametric base excitation. The equations of motion are particularized for two tower configurations, under differents support excitation at its base. The numerical simulations of the model is obtained and the possibility of classical and parametric resonance in an offshore scenario is verified.
 
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Publishing Date
2019-10-21
 
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