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Acções Dinâmicas em Estruturas Offshore - RUN

1. 2 2 2200000 ae 1 21 Diferentes solu es de cabos de ancoragem 1 22 Alguns dos v rios tipos de funda es utilizados 1 23 Ancoragem de suc o 2 2 Sue 4 ore ak E E E E Wee eed 1 24 Esquema de implanta o de ncora de placa 1 25 Estado da tecnologia e lica desde a provada onshore at demonstra o flutuante 2 2 222000 1 26 Contrapartidas entre o avan o da profundidade e os custos envolvidos para as diferentes tecnologias existentes 1 27 Parque e lico offshore Horns Rev l 2000 1 28 Localiza o de alguns dos parques e licos offshore da Europa re VR VR VR RR Sa VR cr O pa xiii xiv NDICE DE FIGURAS 1 29 Turbinas e licas offshore em guas pouco profundas 31 1 30 Turbinas e licas offshore em profundidades de transi o 31 1 31 Exemplos de estruturas correntemente em funcionamento em profundidades de transi o 2 020 000 32 1 32 Turbinas e licas offshore em plataformas flutuantes 33 1 33 Designs pioneiros de plataformas flutuantes para turbinas e licas OSNO has oak a DES DE Dog eds AA DDS ah we RS 34 1 34 Distribui o territorial da energia e lica instalada em Portugal em 2007 a cect Bates CE O SR AS E E Ca 36 1 35 Quantidade de energia e lica produzida em Portugal por ano 36 1 36 Plataforma Windfloat a instalar em Portugal 38 1 37 Perspectivas de cresci
2. De modo a que a estrutura esteja sujeita ao m nimo de excita o poss vel o projectista deve tentar que a frequ ncia natural da estrutura se afaste o mais poss vel da gama de frequ ncias das ondas 92 Pode ainda para minimizar os deslocamentos das plataformas ser feito um estudo bastante comum na industria naval em termos de Response Amplitude Operators RAO 91 1 3 2 Tipos de Plataformas Flutuantes As diferentes configura es de plataformas flutuantes podem variar bastante como mostra a figura 1 19 Geralmente na escolha de design da plataforma determinante a forma como a mesma vai conseguir manter o seu equilibro est tico Floating Wind Turbine Concepts Mooring Line Buoyancy Stabilized Stabilized Barge with catenary T ey mooring line Figura 1 19 Tr s conceitos fundamentais de aquisi o de estabilidade est tica de uma plataforma flutuante Da esquerda para a direita Spar Buoy TLP e Barge 17 2RAO s o fun es matem ticas geralmente em fun o da frequ ncia utilizadas para determinar o efeito que o mar ter nos movimentos caracter sticos segundo os graus de liberdade de uma embarca o ou corpo flutuante 18 CAP TULO 1 INTRODU O Obviamente outros factores ir o pesar tamb m na determina o dos tamanhos e formas do design final Deste modo podemos classificar as plataformas flutuantes em tr s categorias fundamentais consoante o principio fisico fundamental que usam pa
3. Figura 1 32 Turbinas e licas offshore em plataformas flutuantes 1 Dutch tri floater 2 Spar buoy com cabos de ancoragem a duas alturas do balastro 3 TLP de tr s bra os da Glosten Associates 4 TLP em bet o com ncora de gravidade 5 Prot tipo de spar buoy da Sway 40 59 73 ser implementada mas o facto de ser o primeiro projecto do g nero levou a custos acrescidos para recrutamento e forma o de recursos humanos especializados e desenvolvimento de infra estruturas de suporte para constru o do modelo transporte e implanta o e para monitoriza o custos esses que n o se repetir o em constru es futuras do modelo Deste modo as projec es da Statoil sugerem que os custos futuros poder o vir a ser competitivos com as estruturas fixas ao fundo usadas em guas superficiais como as funda es de gravidade ou monopilares 73 Apresentam se nas figuras 1 32 e 1 33 designs inovadores de plataformas flutuantes que contribu ram para o desenvolvimento tecnol gico da rea Os mais relevantes s o referidos com maior pormenor nos par grafos seguintes 74 Hywind um design de uma plataforma com balastro SPAR oriundo da Noruega com 3 cabos de ancoragem Neste momento existe j um prot tipo escala real instalado em 2009 tendo ficado 2 anos em per odo experimental Os movimentos a que est sujeita apresentam se como o principal ponto fraco deste design 60 90 Sway tamb m um design noruegu s ma
4. 1 1 1675 363 7054 34450 137800 7069 1 3 1867 402 7089 38570 154200 8790 1 4 1523 201 7063 20920 131200 10070 1 5 981 214 6964 23530 84350 5468 1 6a 3155 1019 7365 86510 255100 9473 2 1 2201 1074 7067 86640 176600 25970 2 3 1481 296 6975 20470 127000 2310 6 1 3652 1676 7149 139300 299200 2690 6 2 8244 7421 9242 500300 508700 172700 6 3 3048 2719 7177 226400 248500 11510 7 1 2281 2019 7020 171100 196200 11410 Tabela 4 5 Valores m ximos dos esfor os na base da torre instalada na TLP obtidos para cada um dos DLC 4 1 5 Deslocamentos no Topo e Momentos de Segunda Ordem Nesta sec o s o apresentados os valores obtidos nas simula es do FAST para os deslocamentos no topo da torre na direc o x fore aft e na direc o y side to side S o ainda apresentados os valores de c lculo dos esfor os a introduzir na an lise devido a imperfei es geom tricas e momentos de segunda ordem indicados na parte 1 1 do Euroc digo 3 23 136 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS DLC Deslocamento Topo Imperfei es Momentos 22 Ordem de m dy m Ho KN Ay KN Mz KN m My kN m 1 1 1 58 0 47 178 64 2129 7139 1 3 1 58 0 56 178 72 2511 7143 1 4 1 22 0 23 140 39 1051 5483 1 5 0 99 0 20 117 36 911 4463 1 6a 2 39 0 71 261 88 3181 10794 2 1 2 30 0 74 252 91 3344 10383 2 3 1 20 0 17 139 33 789 5411 6 1 2 54 1 19 277 137 5356 11467 6 2 2 80 3 04 304 328 13709 12653 63 2 19 1 78 241 198 8014 9887 7 1 1 69 1 47
5. AUG IA 500 550 600 650 700 500 550 600 650 700 500 550 600 650 700 Easting UTM29 ED50 km Easting UTM29 EDSO km Easting UTM29 ED50 km Figura 2 18 Distribui o das velocidades do vento na Galiza e Norte de Portugal a uma altura de 50 metros 39 Na concep o de um mapa representativo do potencial e lico de uma dada regi o s o utilizados modelos num ricos de mesoescala uma vez que se torna necess rio simular a variabilidade espacial e temporal da evolu o do escoamento na superf cie terrestre de forma a caracterizar estatisticamente a climatologia dos processos f sicos relativos orografia da regi o 61 s0 sooo asooo a000 EEE MODOS i0000 m0000 200009 250000 300009 350000 4000 a h 10m b h 60m c h 80m Figura 2 19 Distribui o das velocidades do vento ao longo da Costa Portuguesa a diversas alturas de refer ncia h em metros 32 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 75 Em Portugal o recurso e lico offshore apresenta valores interm dios A Costa Portuguesa caracterizada por velocidades m dias do vento a 100 m de altura da ordem dos 8 m s como se pode ver por observa o das figuras 2 17 2 18 e 2 19 sendo estes valores superiores s velocidades do vento registadas em terra 22 2 2 5 Energia e Pot ncia Extra da do Vento Para a capta o da energia contida no vento necess ria a exist ncia de um fluxo permanente e razoavelmente forte de vento Actualmente
6. es dos esfor os actuantes na base da torre est o de acordo com a varia o dos valores registados de movimentos da plataforma Numa turbina e lica onshore a torre de sustenta o encontra se encastrada ao solo pelo que os deslocamentos e acelera es ao n vel do solo provocados por um sismo geram esfor os na base da torre Por analogia os movimentos e acelera es das plataformas v o gerar tamb m esfor os na base da torre de sustenta o uma vez que esta se encontra encastrada plataforma acompanhando por isso os seus movimentos O DLC 6 2 foi sem sombra de duvidas o mais gravoso para ambas as plataformas O desalinhamento entre o rotor e a direc o principal do vento desalinhamento entre a direc o principal do vento e a de ondas e correntes e ainda a considera o de ventos muito fortes combinados com um estado de mar extremo levaram a que ambas as plataformas tivessem movimentos elevados para este DLC e consequentemente esfor os elevados tamb m Como seria de esperar para uma estrutura esbelta encastrada na base e com grandes esfor os horizontais no topo os esfor os condicionantes seriam os momentos flectores Sendo os valores de momento torsor excep o do DLC 6 2 irrelevantes face aos momentos flectores O aumento de momento torsor neste DLC faz todo o sentido Como os ventos rotor e ondas podem estar 144 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS desalinhados podemos ter o caso das ondas influenciarem
7. o Referente ao eixo de rota o podemos classificar as turbinas e licas como sendo de eixo de rota o vertical e de eixo de rota o horizontal 8 CAP TULO 1 INTRODU O a Turbina e lica eixo de rota o b Turbina e lica eixo de rota o horizontal vertical 22 43 Figura 1 8 Turbinas e licas com diferentes eixos de rota o 22 43 No decorrer deste trabalho trataremos unicamente das turbinas com eixo horizontal de 3 p s uma vez que s o mais eficientes e s o as nicas a serem instaladas offshore 22 As turbinas de rotor de eixo horizontal apesar de serem as mais eficientes necessitam de sistemas mec nicos bastante mais complexos que as de eixo vertical Normalmente dividem se em 3 grupos r pidos 2 a 3 p s velocidade m dia 3 a 6 p s e lentas 6 a 24 p s 61 muito raro encontrar turbinas de eixo vertical em funcionamento A turbina de eixo vertical da figura 1 8 a uma m quina do tipo Darrieus Normalmente estas turbinas t m duas ou tr s p s em forma de C As turbinas de eixo vertical apresentam como vantagens a sua simplicidade de concep o a insensibilidade direc o do vento dispensando mecanismos de orienta o direccional e a possibilidade de instala o do equipamento junto ao solo Como inconvenientes deste tipo de turbinas temos as baixas velocidades do vento junto base a sua incapacidade de auto arranque e a necessidade de utiliza o de espias de
8. EDS Renato Miguel da Costa David Alves Licenciado em Ci ncias da Engenharia Civil 36 a Sonvisa Non gt c es Din micas em Estruturas Offshore Torres E licas em Plataformas Flutuantes Disserta o para obten o do Grau de Mestre em Engenharia Civil Perfil de Estruturas Orientador Corneliu Cismasiu Doutor Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa J ri Presidente Ant nio Manuel Pinho Ramos Arguente Rodrigo Moura Gon alves FACULDADE DE CIENCIAS E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA Novembro de 2011 Copyright Renato Miguel da Costa David Alves FCT UNL e UNL A Faculdade de Ci ncias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa t m o direito perp tuo e sem limites geogr ficos de arquivar e publicar esta disserta o atrav s de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado e de a divulgar atrav s de reposit rios cient ficos e de admitir a sua c pia e distribui o com objectivos educacionais ou de investiga o n o comerciais desde que seja dado cr dito ao autor e editor Agradecimentos Pois que aproveita ao homem se ganhar o mundo inteiro e perder a sua vida Mateus 16 26 N o poderia come ar estes agradecimentos de outra forma que n o fosse a dirigi los para os meus pais Ana Margarida Osvaldina da Costa David e Val rio Afonso Alves Fora
9. torres e licas instaladas em plataformas flutuantes como ser referido na sec o 1 4 estando sujeitas a variad ssimas ac es como ilustra a figura 1 6 wake turbulence __ 4 4 lightning amp icing tidal amp storm surge depth variation marine currents amp tides soil scour mechanics earthquake ad Figura 1 6 Ac es externas a que est o sujeitas as turbinas e licas offshore 17 No decorrer deste trabalho ser dado maior foco s ac es do vento ondas e correntes visto serem as ac es predominantes e com maior probabilidade de ocorr ncia no local de estudo escolhido como ser explicado na sec o 1 6 1 2 TURBINAS E LICAS 7 1 2 Turbinas E licas 1 2 1 Caracteriza o As turbinas e licas podem ser caracterizadas de acordo com diversos factores dos quais se destacam 22 e Localiza o e Eixo de rota o e Posi o das p s em rela o ao vento e Tipo de torre Localiza o Quanto localiza o podemos classific las em duas categorias distintas por um lado temos as turbinas implantadas em terra que recebem a designa o de onshore por outro temos as implantadas no mar designadas de offshore a Turbina e lica onshore b Turbina e lica offshore Figura 1 7 Diferentes localiza es poss veis para turbinas e licas 43 No decorrer deste trabalho trataremos apenas das turbinas localizadas em mar ou seja das turbinas Offshore Eixo de Rota
10. 6 3a e 7 1a em que s o consideradas condi es do mar severas e regimes de vento turbulentos o IEC61400 3 requer 6 simula es para cada condi o de vento ondas e alinhamento 5Ambos os programas s o de distribui o gratuita e tal como o FAST disponibilizados pela NREL no seu website Todos os inputs introduzidos no c digo FAST ser o melhor explicados em 3 5 e descritos um a um em A 1 Seeds ou RandomSeeds s o valores utilizados para iniciar um processo de cria o de uma s rie de n meros aleat rios Neste caso as seeds de ondas s o respons veis pela cria o de s ries temporais de ondas que respeitem os par metros H e T inseridos e as seeds de vento s o respons veis pela cria o de s ries temporais de vento turbulento que respeitem o par metro Vru inserido 3 3 IEC 61400 3 ESTADOS LIMITES LTIMOS 111 da direc o do rotor com o vento yaw com varia es nas seeds de vento e mar Foram consideradas 3 varia es de seeds para o DLC 1 6a e 2 varia es de seeds para os DLC 6 1a 6 2a 6 3a e 7 1a tendo sido efectuadas um total de 45 simula es para o DLC 1 6a 54 simula es para o DLC 6 1a 81 simula es para o DLC 6 2a 54 simula es para o DLC 6 3a e 54 simula es para o DLC 7 1a e Para os DLC 2 1 e 2 3 o IEC61400 3 requer 12 simula es de 10 minutos para cada condi o de vento e ondas com varia o nas seeds de vento e mar e 6 simula es de 1 minuto para cada condi o de vento e
11. AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Normalmente apresentam se as caracter sticas das p s atrav s das representa es gr ficas CL f a e Cp f a Estas representa es s o obtidas atrav s de ensaios e medidas exaustivas efectuadas em t nel de vento e devem ser fornecidas pelo fabricante 22 29 De um modo geral o comportamento dos perfis em fun o do ngulo de ataque a pode ser dividido em tr s zonas de funcionamento conforme se mostra na tabela seguinte ngulo de Ataque Regime 15 lt a lt 15 Linear 15 lt a lt 30 Desenvolvimento de Perda Stall 30 lt a lt 90 Trav o Tabela 2 4 Regimes de funcionamento das p s A fim de extrair do vento a m xima pot ncia poss vel a p deve ser dimensionada para trabalhar com um ngulo de ataque tal que a rela o entre a sustenta o e o arrastamento seja maxima 22 2 2 7 Sistemas de Controlo As curvas de pot ncia para os diferentes modelos de m quinas dispon veis no mercado s o normalmente obtidas pelos fabricantes atrav s de testes de campo entre outros m todos padr o de teste Para uma melhor compreens o desta curva de pot ncia conv m estar familiarizado com as seguintes defini es 64 e cut in wind speed o valor m nimo de velocidade do vento para o qual a turbina e lica come ar a produzir valores m nimos aceit veis de energia e rated wind speed o valor de velocidade de vento apartir do qual a turbi
12. Engenharia no Instituto Superior de Engenharia de Lisboa 2002 87 Veldkamp Herman Frederik Chances inWind Energy A Probabilistic Approach to Wind Turbine Fatigue Design Tese de Doutoramento DUWIND Delft University Wind Energy Research Institute 2006 88 Ventura Manuel Filipe Projecto de Navios Regras e Regulamentos In Sec o Autonoma de Energia Naval Instituto Superior T cnico volume II 2004 89 Wallrapp Oskar Introduction to Flexible Multibody Dynamics Munich University of Applied Sciences Hochschule M nchen 2006 90 Wanga C M T Utsunomiyab S C Weec e Y S Chooc Research on Floating Wind Turbines a Literature Survey The IES Journal Part A Civil amp Structural Engineering 3 4 11 Novembro 2010 91 Wayman E N PD Sclavounos S Butterfield J Jonkman e W Musial Coupled Dynamic Modeling of Floating Wind Turbine Systems In NREL CP 500 39481 Massachusetts Institute of Technology and National Renewable Energy Laboratory March 2006 92 Wilson James F Dynamics of Offshore Structures John Wiley amp Sons Inc 2003 93 Withee Jon E Fully Coupled Dynamic Analysis of a Floating Wind Turbine System Tese de Doutoramento Massachusetts Institute of Technology 2002
13. Hau Erich Wind Turbines Fundamentals Technologies Application Economics Springer 22 edi o 2006 45 Henderson A R Design Methods for Offshore Wind Turbines at Exposed Sites OWTES Hydrodynamic Loading on Offshore Wind Turbines Relat rio T cnico Delft University of Technology Section Wind Energy Mar o 2008 46 IEC 61400 1 2005 Wind Turbines Part 1 Design Requirements 2005 47 IEC 61400 3 2009 Design Requirements for Offshore Wind Turbines 2009 48 Johannessen Kenneth Trond Stokka Meling e Sverre Hayer Joint Distribution for Wind and Waves in the Northern North Sea In Proceedings of the Eleventh 2001 International Offshore and Polar Engineering Conference Statoil 2001 49 Jonkman B J TurbSim User s Guide Version 1 50 August 2009 50 Jonkman J S Butterfield W Musial e G Scott Definition of a 5 MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development Relat rio T cnico National Renewable Energy Laboratory 2009 51 Jonkman Jason Development of Fully Coupled Development Aeroelastic and Hydrodynamic Models for Floating Offshore Wind Turbinesfor Turbines IEA Annex XXIII OCIEA OC3 Meeting 2005 52 Jonkman Jason Overview of the HydroDynHydrodynamics Module In Design Codes Workshop at NTNU Trondheim National Renewable Energy Laboratory September 2010 53 Jonkman Jason e Jr Marshall L Buhl FAST User Guide Relat rio T cnico National Renewable Energ
14. INESC INETI DER ISO IST MIT NAO NOK NREL OC3 OWEZ OWTES RCWEAF RECOFF UE UNL xxi Germanischer Lloyd International Electrotechnical Comission Instituto Hidrogr fico Portugu s Intergovernmental Maritime Organization Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores Instituto Nacional de Engenharia Tecnologia e Inova o Departamento de Energias Renov veis International Organization for Standardization Instituto Superior T cnico Massachucets Institute of Tecnology North Atlantic Oscillation Coroas Norueguesas National Renewable Energy Laboratory Offshore Code Comparison Colaboration Offshore Windfarm Egmond aan Zee Offshore Wind Turbines at Exposed Sites Research Centre for Wind Energy and Atmospheric Flows Recommendations for Design of Offshore Wind Turbines Uni o Europeia Universidade Nova de Lisboa S mbolos Q Qeurr Qi Qrug ngulo de ataque da p Expoente de corrente Factor de indu o axial Coeficiente de rugosidade da superf cie 8 ngulo de passo da p a Ay n x t Par metro de pico do espectro Passo da frequ ncia Eleva o da superf cie da onda no espa o x e no tempo t xxii INDICE DE TABELAS n x z t Eleva o da superficie de onda em z ao longo do tempo t e do espa o x 0 Pequeno ngulo de rota o de Roll Pitch A Comprimento de onda A Par metro de escala da turbul ncia IEC61400 1 Awave Comprimento de onda u Par metro de profundi
15. INTRODU O ventoinha possa provocar nas outras ventoinhas Ao passar pelo rotor o vento provoca diversos efeitos de entre os quais se pode destacar o efeito de esteira ver sec o 2 2 1 Deste modo tem de ser garantido um espa amento m nimo ver figura 1 38 entre turbinas e licas para que o vento captado pelo rotor de uma turbina n o esteja instabilizado por ter passado anteriormente pelo rotor de outra O distanciamento deve se ainda a quest es de seguran a em caso de acidente Tamb m os cabos de ancoragem especialmente quando s o cabos em caten ria por se estenderem por centenas de metros ver sec o 1 3 4 exigem que as plataformas estejam suficientemente distanciadas para que os cabos de diferentes plataformas n o se possam entrela ar Os fundos oce nicos portugueses caracterizam se pela sua irregularidade morfol gica 14 Pelo que em reas de algumas centenas de metros podem experimentar se grandes diferen as de profundidade Assim sendo a profundidade estudada para a MIT NREL TLP de 200 metros e para a ITI Energy Barge de 150 metros contando que num campo e lico as profundidades das diversas plataformas instaladas podem variar As profundidades estudadas bastante acima dos 50 metros de profundidade em que a plataforma windfloat ser instalada devem se ainda poss vel necessidade futura das plataformas serem colocadas em dist ncias maiores da costa ver figura 1 37 onde os ventos s o mais fort
16. Os graus de liberdade das plataformas flutuantes utilizadas como suporte a estrutura e lica seguem os conhecimentos provenientes da industria petrol fera e da engenharia naval Assim temos tr s graus de liberdade de transla o Surge Sway e Heave que representam os movimentos de transla o ao longo do eixo X y e Z respectivamente e tr s graus de liberdade de rota o Roll Pitch e Yaw que representam a rota o em torno dos eixos x y e z respectivamente 91 Observando a figura 1 18 constatamos que a origem do sistema de coordenadas se localiza sobre o centro de gravidade da plataforma no plano xy sendo que a coordenada z 0 coincide com a superf cie do mar calmo SWL Still Water Level 91 Figura 1 18 Sistema de coordenadas e graus de liberdade das plataformas flutuantes 91 Durante as an lises efectuadas no decorrer deste trabalho o vento as ondas e a corrente ser o assumidos como estando alinhados com o eixo x propagando se no sentido positivo do eixo Feita excep o aos casos em que por imposi o do 1 3 PLATAFORMAS FLUTUANTES 17 IEC 61400 3 47 a possibilidade de desalinhamento MIS misalignment destes factores com a plataforma tem de ser testada 91 Al m da plataforma flutuante conferir flutua o suficiente de modo a suportar o peso da torre e da turbina e lica deve ainda garantir que os seus movimentos sobretudo os de pitch roll e heave sejam restringidos aos limites aceit veis 72
17. e Profundidade d m dist ncia entre o n vel de refer ncia da gua do mar SWL at ao solo e Numero de onda k 2 rad s inverso do comprimento de onda e Eleva o da superf cie x y t eleva o da superf cie da onda em z ao longo do tempo t e do espa o x 5A representa o deste par metro na figura 2 29 considera uma situa o em que t 0 como indica a pr pria figura 2 3 CONCEITOS RELATIVOS AO MAR 87 Par metros de Interesse na Abordagem Probabil stica Para uma melhor compreens o da abordagem probabil stica descrita na sec o 2 3 4 importa introduzir os par metros seguintes 4 e Altura significativa H m m dia do ter o mais elevado das alturas de onda que foram registadas durante o per odo de observa o Corresponde aproximadamente avalia o visual da altura das ondas e Altura m xima Hmaz m m xima altura de onda registada durante o per odo de observa o e Per odo m dio T s m dia dos per odos observados no registo Representa o per odo t pico das ondas registadas durante o per odo de observa o e Per odo maximo Tmax s m ximo per odo de onda registado durante o per odo de observa o e Per odo de pico T s per odo correspondente banda de frequ ncia com o m ximo valor de densidade espectral E representativo das ondas mais energ ticas presentes no registo 2 3 2 Comportamento do Mar em Per
18. es de vento falhas do sistema e ou avarias preconizadas em ambas as normas s o id nticas tendo a IEC61400 3 acrescentado imposi es devido ao mar uma vez que se destina a estruturas offshore Design initiated Site specific external conditions 6 12 y Design basis for offshore wind turbine ra b e g IEC 61400 1 standard RNA design wind turbine class ag v RNA design Design situations and load cases 7 4 t Load and load effect calculations 7 5 y Limit state analyses 7 6 Pe Support structure design lt Structural integrity OK gt r E N Design completed j Ni Figura 3 2 Procedimento de c lculo de acordo com IEC61400 3 47 A figura 3 2 mostra o procedimento de c lculo para uma turbina e lica offshore de acordo com o IEC61400 3 Uma vez que as estruturas de suporte foram definidas em 3 1 e o design da turbina RNA Rotor Nacelle Assembly foi definido em 3 2 de acordo com o esquema segue se a defini o das combina es de ac es 2Nas normas utilizadas IEC61400 1 46 e IEC61400 3 47 estas combina es de ac es v m referidas em ingl s como Design Load Cases DLC pelo que deste ponto para a frente sempre que quisermos referir combina o de ac es escreveremos apenas DLC 3 3 IEC 61400 3 ESTADOS LIMITES LTIMOS 107 utilizadas Design Situations and Load
19. lt Van H H Vhub 1 3 ETM NSS COD UNI Vin lt Vhub lt Vout H E H Vhub 1 4 ECD NSS MIS wind Vaud V 2m s A E H Vpub direction change 1 5 EWS NSS COD UNI Vin lt Vhub lt Vout H E H Vhub 1 6a NTM SSS COD UNI Vin lt Vhub lt Vent Hs ElHs sss Vhub NTM NSS falha do sistema 2A Vin lt Vhub lt Vout H E Hs Vnws COD UNI gt varia o pitch p EOG NSS 3 casos de B Way We se De A IDa NV COD UNI falha el ctrica Vore e rajada 6 1a EWM ESS MIS MUL Varia o do Yaw Vhub k x Vref H ka x F550 8 0 8 EWM ESS Falha El ctrica 6 2a Vie k x Vref ee ko x A550 MIS MUL gt 90 lt Yaw lt 90 EWM ESS Variagao Extrema 6 3a Vaud ki x Vi H k x Hg MIS MUL do Yaw 20 0 20 71a EWM ESS MIS MUL Pa presa Vhub k x Vi H ka x Ha Yaw 8 0 8 Tabela 3 8 Combina es de ac es do IEC61400 3 consideradas na an lise 3 3 2 N vel do Mar e Correntes Relativamente aos ELU considerados deve referir se que a norma IEC61400 3 considera diferentes n veis de gua desde o HSWL que corresponde ao n vel de 3 3 IEC 61400 3 ESTADOS LIMITES LTIMOS 109 gua mais elevado at ao LSWL que corresponde ao n vel de gua mais baixo Nesta an lise tal como noutras n o foi considerada a varia o do n vel de gua considerando se assim a gua sempre ao n vel m dio MSL 55 65 67 As correntes foram previamente referidas na sec o 2 3 6 tendo
20. m s 0 475 Alturas de Onda m 12 2 Per odos de Pico seg AND 80420 9 Direc o do Vento o6 0 8 8 Direc o de Corrente e Ondas P SO 80 Randseeds Consideradas 2 Outras Condi es Turbina n o est em funcionamento sendo testadas 3 direc es de yaw Tabela 3 19 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 6 1a Neste DLC s o testadas as possibilidades do rotor n o estar bem alinhado com a direc o principal do vento atrav s da altera o do ngulo e a possibilidade da direc o principal de ondas e corrente estar desalinhada com a direc o do vento alterando se o ngulo 2 A turbina n o se encontra em funcionamento estando o rotor parado Deste modo n o h produ o de energia Todas as p s se encontram em regime de trav o dispostas no seu ngulo de ataque m ximo de 90 A simula o tem uma dura o de 60 minutos por imposi o da norma IEC61400 3 uma vez que considerado um estado de mar extremo ESS 128 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO 3 5 9 Valores Utilizados no DLC 6 2a Neste DLC como em todos os DLC 6 xa o modelo de vento utilizado o EWM que se caracteriza por uma velocidade de vento extrema DLC 6 2a Condi es de Vento EWM Velocidades de Vento m s 47 5 Condi es do Mar ESS Velocidades de Corrente m s 0 475 Alturas de Onda m 12 2 Per odos de Pico seg 4 2 8 5 9 9 Direc o do Vento p 0 22 5
21. necessariamente a zona de impacto aquando da instala o 72 a ncora de Carga Vertical b Estaca Cravada por Suc o c ncora de Placa Figura 1 22 Alguns dos v rios tipos de funda es utilizados 72 Os tipos de funda es mais comuns incluem a ncora por gravidade ncora convencional ncora de carga vertical estaca cravada por suc o ncora de placa estaca torpedo e estaca de grout Estas funda es ser o descritas de seguida 72 85 ncora por Gravidade Gravity Base Anchor As ncoras de gravidade baseiam se no peso para garantirem for as resistentes A sua for a resistente igual diferen a entre o seu peso e a sua flutua o Deste modo o material a utilizar pode ser pouco dispendioso mas conv m que seja o mais denso poss vel Para al m disso para conseguir as capacidades resistentes necess rias a quantidade de material a utilizar ser massiva Este tipo de funda es pode ser usado em sistemas de ancoragem com cabos traccionados na vertical 72 ncora Convencional Drag Embedded Anchor A ncora convencional instalada por arrasto por meio de uma embarca o que respons vel por lan ar 1 3 PLATAFORMAS FLUTUANTES 23 e puxar a ncora 85 A forma da ncora e o seu peso leva a que esta quando o cabo est a ser puxado se insira mais profundamente no terreno 72 Esta solu o utilizada para casos em que os movimentos t picos de arrasto de uma ncora ao longo
22. o 2 44b obtendo se a equa o generalizada 2 46 84 96 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE fa Ca 3 Pagua D Mu U u U 2 46 Em que u representa a velocidade da part cula devido onda e U representa a velocidade da corrente ambas as velocidades em m s 2 3 7 Equilibrio Est tico das Plataformas Como foi visto na sec o 1 3 2 as plataformas flutuantes adquirem a sua estabilidade essencialmente por tr s formas distintas e Peso de Balastro e Cabos de Ancoragem e rea de Flutua o h Figura 2 35 Diagrama que mostra as for as verticais actuantes numa TLP e que provocam momentos de pitch 93 2 3 CONCEITOS RELATIVOS AO MAR 97 Estas formas de adquirir a estabilidade prendem se com tipos de momentos distintos 91 e Devido rea plana de flutua o e Devido localiza o do centro de flutua o e Devido in rcia e localiza o do centro de massa e Devido aos esfor os dos cabos de ancoragem A figura 2 35 mostra uma plataforma que adquire a estabilidade com recurso aos factores referidos afectada de uma pequena rota o de pitchYroll representada por 9 Serve assim de auxilio compreens o de alguns destes factores por ilustrar 93 e Os centros de gravidade Cc e de flutua o Cg da turbina e lica exemplificada e A for a de flutua o F Buoyancy e A for a gravitica mio 9 e As for as nos cabos de ancoragem podendo os mesmos
23. o s o mais do que adapta es para o mar de designs comprovados na industria onshore com sistemas el ctricos melhorados e protec es anti corros o Muitas vezes colocadas sobre estruturas robustas em bet o como monopilares funcionando assim no fundo como turbinas onshore colocadas em ambiente marinho 73 Apenas dois fabricantes de turbinas a Siemens e a Vestas contribu ram substancialmente para a capacidade offshore at 2008 No entanto actualmente t m vindo a aparecer muitas outras turbinas disponiveis comercialmente Destas novas turbinas offshore que t m surgido h a destacar os fabricantes Repower Systems AG e a Multibrid que instalaram comercialmente turbinas de 5MW no Projecto Alpha Ventus na Alemanha 73 1 4 ESTADO DA ARTE 35 A Sinovel entrou no mercado comercial offshore em 2009 com o modelo SL3000 marcando a entrada da China na fabrica o de turbinas e licas offshore Mais recentemente a General Electric reentrou no mercado estando o seu modelo de 4MW ainda em desenvolvimento na Europa 73 De acordo com descobertas no projecto UpWind fundado pela UE e liderado pelo Ris DTU Laborat rio Nacional de Energia Sustent vel da Dinamarca num futuro pr ximo a industria conseguir produzir turbinas com 8 a 10 MW e di metros de rotor de 150m 73 36 CAP TULO 1 INTRODU O 1 5 Caso Portugu s 1 5 1 Situa o Actual Em Portugal devido sua situa o geogr fica e geomorfologia para al m
24. odos Temporais Longos A an lise descritiva de longos per odos temporais das ondas em parte similar mesma an lise para o vento Tal como o vento era predominantemente descrito pela sua velocidade V sendo a turbul ncia 17 um factor a ter em conta tamb m as ondas podem ser essencialmente caracterizadas pela sua altura H sendo o per odo de onda T um par metro importante para a an lise A distribui o de alturas de onda H num local pode ser ajustada por uma distribui o de Weibull tal como foi referido para a velocidade de vento Vi No entanto a altura de onda deve ser medida simult neamente com o per odo de onda para que se possa utilizar uma distribui o de probabilidade conjunta ou utilizar gr ficos de dispers o exemplo na figura 2 3 de forma a definir quais as combina es de H e T com maior probabilidade de ocorr ncia 27 Para a instala o deste tipo de estruturas os dados das condi es do local devem ser t o fieis realidade quanto poss vel no entanto na hip tese de n o existirem b ias de medi o no local especificado podem ser usadas medi es de locais pr ximos 45 Deste modo e uma vez que n o existem b ias de medi o no local especificado foram utilizados os dados fornecidos pelo Instituto Hidrogr fico Portugu s IH 88 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE para a b ia ond grafo de Leix es indicados na tabela 2 5 Os dados foram calculados pe
25. rio n o s melhorar as caracter sticas t cnicas das estruturas e equipamentos como instal los em locais de mais dif cil implanta o como o mar onde o vento tem maior potencial Esta disserta o tem assim o intuito de estudar a hip tese de implanta o de equipamentos e licos recentes instalados em plataformas flutuantes num local offshore especifico dadas as condicionantes conhecidas do local utilizando normas e software que tem vindo a surgir com o avan o neste campo Palavras chave Energia E lica Ac es Din micas Estruturas Offshore FAST NREL IEC 61400 3 EN 1993 1 6 Abstract The necessity to find clean and renewable energies lead to an investment rising in this field at a global level In order to convert the wind energy into a competitive and cost effective source of energy it is necessary to develop better equipments and structures as well as implant them into more aggressive environments like the sea where the wind has a greater potential This dissertation has the intention to study the hypothesis of installing recent wind turbines suported on floating structures into a specific offshore location given the known conditionings of the site using standards and software that have emerged with the progresses in this field Keywords Wind Energy Dynamic Actions Offshore Structures FAST NREL IEC 61400 3 EN 1993 1 6 vii ndice de Mat rias Copyright Agradecimentos Resumo Abstract ndice de
26. vel aleat ria ser a altura da onda 85 No caso concreto o programa de c lculo FAST obt m a varia o no tempo da velocidade do vento e da altura da onda atrav s de espectros de densidade em cujos par metros que os definem s o fornecidos pelo utilizador recorrendo a transformadas inversas de Fourier o Fouer a Transform y iL E J tire on frequency Time Domain Frequency Domain Inverse ee Fourier Transform Figura 2 2 Conversao de dominio do tempo para frequ ncia e vice versa com recurso a transformadas de Fourier 84 Os espectros de densidade s o o resultado da transposi o dos processos do dom nio do tempo para o dom nio da frequ ncia Essa transposi o pode ser realizada com aux lio da transformada de Fourier A transposi o de fun es no dom nio da frequ ncia para o dom nio do tempo pode ser realizada com o aux lio da transformada inversa de Fourier 84 Estas convers es ilustradas na figura 2 2 materializam se nas equa es 2 1 11 00 S f a t x e Pt tdt 2 1a 00 z t i S f x e df 2 1b Em que S f a fun o que define o espectro de densidade x t a fun o que define o processo no dominio do tempo i a unidade imagin ria f a frequ ncia e t o tempo Os processos estoc sticos podem ainda classificar se como discretos ou cont nuos consoante o conjunto de valores de uma dada realiza o finito ou n o Muitos dos processos cont nu
27. 04 0 09 0 14 0 19 0 24 Alturas de Onda m 1 8 2 6 3 2 3 7 4 2 Per odos de Pico seg 7 1 8 5 9 9 Direc o do Vento 4 0 Direc o de Corrente e Ondas age Randseeds Consideradas 2 Tabela 3 15 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 1 5 Tal como sucedia no DLC anterior a turbina encontra se a produzir energia normalmente durante os 60 segundos de dura o da simula o deste DLC 3 5 5 Valores Utilizados no DLC 1 6a Neste DLC utilizado o mesmo modelo de vento do DLC 1 1 De facto o DLC 1 6a s diverge do DLC 1 1 no estado de mar considerado A norma IEC61400 3 exige que para o DLC 1 6 seja simulado um estado de mar severo SSS DLC 1 6a Condi es de Vento NTM Velocidades de Vento m s 4 9 14 19 24 Condi es do Mar SSS Velocidades de Corrente m s 0 04 0 09 0 14 0 19 0 24 Alturas de Onda m 2 6 3 5 4 1 4 6 5 1 Per odos de Pico seg 4 2 8 5 9 9 Direc o do Vento 4 0 Direc o de Corrente e Ondas p Randseeds Consideradas 3 Tabela 3 16 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 1 6a A turbina encontra se a produzir energia normalmente durante os 60 minutos de dura o da simula o deste DLC A norma exige que a dura o da simula o seja de pelo menos 60 minutos sempre que sejam considerados estados de mar severos SSS ou extremos ESS 126 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO 3 5 6 Valores Utilizados no DLC 2 1 Este DLC em rela o
28. 1 0 9 Tabela 3 9 Coeficientes parciais de seguran a considerados no IEC61400 3 Assim para os DLC 1 x e 6 x o valor do factor parcial de seguran a aplicado aos esfor os da base da torre foi o correspondente a uma situa o Normal e para os DLC 2 x e 7 x o valor do factor parcial de seguran a aplicado aos esfor os da 112 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO base da torre foi o correspondente a uma situa o Anormal A abordagem utilizada na an lise efectuada nesta disserta o foi a abordagem 2 Os esfor os finais obtidos atrav s da simula o dos DLC considerados e posteriormente afectados pelo coeficiente parcial de seguran a respectivo encontram se tabelados na sec o B 1 Approach 1 Approach 2 Characteristic load Characteristic load Dynamic and or non linear analysis Multiply by load factor Characteristic load effect Design load Multiply by load factor Dynamic and or non linear analysis Design load effect Design load effect Figura 3 3 Procedimento de c lculo de acordo com IEC61400 3 3 4 AC ES CONSIDERADAS NA AN LISE 113 3 4 Ac es Consideradas na An lise 3 4 1 Vento e Corrente Observando a coluna correspondente velocidade do vento na tabela 3 8 constatamos que muitas vezes a norma IEC61400 3 especifica valores de velocidades entre a velocidade de vento em que a turbina come a a funcionar e a velocidade em que esta se desliga Vin lt Vhub lt Vout OU para o caso em an l
29. 135 4 5 Esfor os na base datorreinstaladanaTLP 135 4 6 Deslocamentos no topo da torre instalada na ITI 136 4 7 Deslocamentos no topo da torre instalada na TLP 136 4 8 Valores das imperfei es geom tricas ooa 138 4 9 Classifica o de uma sec o tubular de acordo com o EC 3 1 1 145 4 10 Par metros de encurvadura utilizados na an lise 152 Lista de Abreviaturas Siglas e Simbolos Abreviaturas CM Centro de Massa COB Center of Buoyancy Centro de Flutua o COD Co Directional Codireccional IEC61400 3 DLC Design Load Case Combina o de Ac es EC3 Euroc digo 3 ECD Extreme Coherent Gust with Direction Change Modelo de Rajada Extrema com Altera o de Direc o IEC61400 1 ECM Extreme Current Mode Modo de Corrente Extrema IEC61400 3 ELU Estado Limite Ultimo EOG Extreme Operating Gust Modelo de Rajada Extrema IEC61400 1 ESS Extreme Sea State Estado de Mar Extremo IEC61400 3 ETM Extreme Turbulence Model Modelo de Turbul ncia Extrema IEC61400 1 EWM Extreme Wind Speed Model Modelo de Velocidade de Vento Extrema 1EC61400 1 EWS Extreme Wind Shear Modelo de Vento de Corte IEC61400 1 F A Fore Aft Frente e Tr s deslocamento na direc o do eixo x FFT Finite Fourier Transform Transformadas Finitas de Fourier GDL Grau de Liberdade HSWL Highest Sea Water Level Nivel Mais Alto das Aguas do Mar IEC61400 3 IFFT Inverse Fin
30. 2 2 representa os valores sugeridos por alguns autores para diferentes locais Tempel 84 Ronold 78 parametro local offshore costa onshore Mar do Norte c 11 3 9 7 3 8 426 k 2 2 2 1 76 1 708 Tabela 2 2 Par metros da distribui o de Weibull k e c sugeridos por diferentes autores 78 84 Os dois par metros referidos mas sobretudo o par metro k t m grande influ ncia na distribui o de probabilidades de Weibull como se pode ver na figura 2 10 Um valor mais elevado de k como 2 5 ou 3 indicativo de um local onde a varia o hor ria em torno da m dia anual pequena Um valor mais baixo de k como 1 5 ou 1 2 indica uma maior variabilidade em torno da m dia 16 66 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE k e 125 e 15 0 4 25 10 Probability density Ep _ A 15 20 25 Wind speed m s 0 5 10 Figura 2 10 Altera o da distribui o de velocidades com a altera o do par metro k 16 Distribui o de Probabilidade de Rayleigh A distribui o de Rayleigh n o mais do que um caso especial da distribui o de Weibull no qual o factor de forma igualado a dois k 2 Este valor um valor bastante caracter stico e representativo de uma grande variedade de locais 16 22 Como se pode ver pela figura 2 11 a distribui o densidade probabilidade de Rayleigh oferece para valores de velocidade m dia do vento mais ele
31. 733 227 China 18 928 49 5 USA 40180 20 4 USA 5115 13 4 Germany 27 214 13 8 india 2139 5 6 Spain 20 676 10 5 Spain 1 516 4 0 India 13 065 6 6 Germany 1 493 3 9 Italy 5 797 29 France 1 086 2 8 France 5 660 29 UK 962 25 UK 5 204 2 6 taly 948 25 Canada 4 009 2 0 Canada 690 1 8 Denmark 3 752 1 9 Sweden 604 1 6 Rest of the world 26 749 13 6 Rest of the world 4 785 12 5 Total TOP 10 170 290 86 4 Total TOP 10 33 480 87 5 World Total 197 039 100 World Total 38 265 100 0 a Capacidade acumulada de energia e lica b Capacidade de energia e lica instalada por instalada por pa s at Dezembro de 2010 pa s durante o ano de 2010 Figura 1 2 Potencial de energia e lica instalado em 2010 43 Para al m do maior potencial que a explora o e lica offshore apresenta podemos ainda evidenciar outras vantagens 55 e O vento sopra com mais for a e consist ncia offshore como mostra a figura 1 3 apresentando menos intensidade de turbul ncia do que onshore e Otamanho do equipamento n o condicionado por restri es de estrada ou caminho de ferro se puder ser fabricada junto costa 4 CAP TULO 1 INTRODU O e O efeito visual e sonoro podem ser evitados se as turbinas forem instaladas suficientemente longe da costa e A grande extens o do mar dispon vel evita que se ocupem terrenos que por vezes t m restri es utiliza o e que podem assim ser usados para outros fins e 120 E 7 m s at 80 m E A 2
32. 78 O facto de n o se dispor desse tipo de dados impossibilita ainda que t cnicas como hindcast sejam aplicadas Quando esses dados simult neos obtidos por medi es in situ fossem introduzidos obter se a um gr fico com as velocidades de vento nas abcissas e as alturas de onda nas ordenadas ou vice versa como mostra o exemplo da 8 Hindcast um m todo estat stico em que valores passados conhecidos ou estimados s o utilizados no modelo de forma a estimar novos valores que estejam de certo modo adequados aos valores conhecidos 114 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO figura 3 4 GQ a O oO N a N U o m sec a a oaou Hs m Figura 3 4 Exemplo de registo de medi es simult neas de H e Vy 78 Na figura 3 5 foi utilizada uma distribui o de Weibull referida na sec o 2 2 2 por ser a que melhor se adequa aos valores medidos podendo ainda ser usada uma distribui o lognormal dependendo dos casos 48 78 Ambas se adequam geralmente bastante bem por serem distribui es de m ximos RE LTr idolo el ee ZPA RA 0 10 2 so 40 5 Figura 3 5 Exemplo de compara o das probabilidades de ocorr ncia e da fun o densidade probabilidade de Weibull 48 3 4 AC ES CONSIDERADAS NA AN LISE 115 Como foi previamente referido os valores simult neos de H e V sao desconhecidos Sendo conhecidos somente os valores m dios de velocidade do vento na zona
33. Cases 7 4 do IEC61400 3 A defini o das combina es de ac es utilizadas sera evidenciada com maior destaque nos par grafos seguintes A tabela 3 8 sumariza as caracter sticas consideradas em cada DLC utilizado na an lise 3 3 1 Combina es de Ac es DLC De acordo com Jonkman 55 para esta an lise preliminar em que se procura somente saber se os elementos de suporte da estrutura resistem s ac es impostas n o necess rio correr todos os DLC impostos pela norma Acrescenta ainda que de acordo com a sua experi ncia e com a pr tica geral da industria em turbinas e licas onshore e offshore fixas ao fundo os estados limites de fadiga podem n o ser considerados nesta fase Isto porque uma an lise de fadiga s considerada ap s se verificar que a estrutura resiste de facto a Estados Limites ltimos ELU primeiramente mais relevantes como o de plastifica o ou o de encurvadura Seguindo ainda as indica es de Jonkman 55 de entre os DLC preconizados no IEC61400 3 n o foram considerados os DLC 3 x 4 x e 5 x Estes DLC referem se respectivamente a sequ ncias de inicio de funcionamento da turbina turbina a desligar se de modo normal e turbina a ter de ser desligada de emerg ncia O motivo pelo qual n o foram considerados estes DLC prende se com o facto do sistema de controlo da turbina implementado no FAST n o se encontrar programado para considerar automaticamente sequ ncias de inicio e fim de fu
34. Discuss o dos Resultados 131 4 1 Apresenta o de Resultados 20004 131 4 1 1 Energia Produzida sia ia sede st ag A oe Era eee a ES 131 4 1 2 IFIEQU NCIAS ops ga ES rp en E DE 131 4 1 3 Deslocamentos das Plataformas 134 4 1 4 Esfor os na Base da Torre 135 4 1 5 Deslocamentos no Topo e Momentos de Segunda Ordem 135 4 2 An lise e Discuss o dos Resultados 140 4 2 1 Energia Produzida so ease aca doa a 140 4 2 2 Frequ ncias sra E nasa gees fear e 140 4 2 3 Deslocamentos das Plataformas 142 4 2 4 Esfor os na Base da Torre 2 143 4 2 5 Verifica o de Seguran a saoao a a 144 4 2 6 Euroc digo 3 1 6 Seguran a e Estabilidade de Estruturas de CASCA i aese e e utar re aaia aE A Be E ese es 146 5 Conclus es 153 51 lt CONCIUS ES 7 a mn aa N oe e eaa ER a eS 153 5 2 LiMmtac es rl oret ni aa a a paT we OR o a Sake 155 5 3 Trabalho Futuro ssas mas wae g 0 e eaa a Saa e AE a 156 Bibliografia 157 A Valores Utilizados nas Combina es de Ac es 165 A 1 Design Load Cases IEC61400 3 anaana aa 165 B Outputs do Fast 183 B 1 Outputs do Fast tt oaa eo i oat a apr bs a es eee 183 C Verifica o de Seguran a da Base da Torre 253 C 1 Verifica o de Seguran a de acordo com o Euroc digo 3 253 ndice de Figuras 1 1 reas offshore para produ o de energia e lica a uma dist ncia entre 10 a 30 kms da co
35. Estruturas Offshore 51 2 1 Conceitos Introdut rios sus se ais paia a eke ee AR 51 2 1 1 Processos Estoc sticos e Transformadas de Fourier 51 2 1 2 Valor Esperado Condicional 54 24 3 Multibody Dynamics us pata ce eet Aa ee ER 56 2 2 Conceitos Relativos Ao Vento ooa oaoa 59 2 2 1 Caracteriza o e Efeitos do Vento 59 2 2 2 Distribui o das Velocidades do Vento em Per odos Temporais Longos sais ss a aa a 64 2 2 3 Distribui o da Velocidade do Vento em Per odos Temporais CUROS ud dee satel dat aaa a ae q Ge Moet ae ae 67 2 2 4 O Vento Offshore em Portugal 73 2 2 5 Energia e Pot ncia Extra da do Vento 75 2 2 6 Ac es Exercidas nas P s naaa aa 78 2 2 7 Sistemas de Controlo use asma ae ed e a 80 2 3 Conceitos Relativos AoMar 200000024 0s 85 2 3 1 Par metros a Considerar 20005 85 2 3 2 Comportamento do Mar em Per odos Temporais Longos 87 2 3 3 Comportamento do Mar em Per odos Temporais Curtos Abordagem Determin stica 88 2 3 4 Comportamento do Mar em Per odos Temporais Curtos Abordagem Probabilistica 91 2 3 5 Carregamentos Hidrodin micos Sobre Estruturas 93 23 6 GOMES uso dos coy echt ey ab e E ee we ok A 94 2 3 7 Equilibrio Est tico das Plataformas 96 3 Modelo de C lculo 99 3 1 Caracter sticas das Plataformas Analisadas 99 3 1 1
36. ITI Energy Barge Platform 100 3 1 2 MING NREL TER o ema ae Bae pe eich cuando 102 3 2 Caracter sticas da Torre de Suporte 104 3 3 IEC 61400 3 Estados Limites ltimos 106 3 3 1 Combina es de Ac es DLC 107 3 3 2 N veldo Mare Correntes 2000 108 3 3 3 Simula o das Combina es de Acg es 110 3 3 4 Coeficientes Parciais de Seguran a 111 3 4 Ac es Consideradas na An lise oaoa 113 3 4 1 Vento e Corrente aaao Pa AE o A 113 gde Alurade Onda ss s se d o e ae haere ie oe ee 113 3 4 3 Condi es Extremas e Severas aoaaa 117 3 4 4 Periodo M dio e Periodo de Pico 119 3 5 Inputs d FaSt ss a esse eroa ca casa aa a EA A O 121 3 5 1 Valores Utilizados no DLC 1 1 123 3 5 2 Valores Utilizados no DLC 1 3 124 3 5 3 Valores Utilizados no DLC 1 4 2 2 2 00 124 NDICE DE MAT RIAS xi 3 5 4 Valores Utilizados no DLC 1 5 2 125 3 5 5 Valores Utilizados no DLC 1 6a 125 3 5 6 Valores Utilizados no DLC 2 4 126 3 5 7 Valores Utilizados no DLC 2 3 126 3 5 8 Valores Utilizados no DLC 6 1a 127 3 5 9 Valores Utilizados no DLC 6 2a 4 128 3 5 10 Valores Utilizados no DLC 6 3a 128 3 5 11 Valores Utilizados no DLC 7 1a 129 4
37. Mahatma Gandhi N 16 2 Esq 502 Lisbon P 1600 PT TRUSS TOWER October 2010 27 Cheng Po Wen A Reliability Based Design Methodology for Extreme Responses of Offshore Wind Turbines Tese de Doutoramento DUWIND Technische Universiteit Delft 2002 28 Cismasiu Corneliu Identifica o das Frequ ncias Pr prias de uma Estrutura Utilizando a Transformada Finita De Fourier FFT Trabalho Pr tico Din mica de Estruturas FCT UNL 2009 BIBLIOGRAFIA 159 29 Correia Tiago Rodrigues Zica Problemas de Estruturas em Torres E licas Tese de Mestrado Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa 2010 30 Costa Mariana e Rita Esteves Clima de Agita o Mar tima na Costa Oeste de Portugal Continental Relat rio T cnico Instituto Hidrogr fico Portugu s 2008 31 Costa Mariana Raquel Silva e Jo o Vitorino Contribui o Para o Estudo do Clima de Agita o Mar tima na Costa Portuguesa Relat rio T cnico Instituto Hidrogr fico Portugu s 2001 32 Costa Paulo Pedro Miranda e Ana Estanqueiro Development and Validation of the Portuguese Wind Atlas Proceedings of the European Wind Energy Conference 2006 33 Cruz Jo o M B P e Ant nio J N A Sarmento Energia das Ondas Introdu o aos Aspectos Tecnol gicos Econ micos e Ambientais Enclave 2004 34 DNV RP C205 Environmental Conditions and Environmental Loads 2007 35 EEA Europe s Onshore and Offshore Wind Ene
38. Offshore ni Vuinb 85 m s at 60 m Z 02 mm Ed NY 40 50 60 70 80 90 Mean annual wind speed vy m s Figura 1 3 Compara o entre a capta o de energia onshore e offshore tendo em conta a altura da torre 65 Obviamente existem tamb m desvantagens associadas explora o offshore das quais se destacam 55 e Os valores investidos para a constru o dos equipamentos s o significativamente superiores devido necessidade de adaptar a turbina ao ambiente marinho e das complica es adicionais das funda es da estrutura de suporte da instala o e desmantelamento e As instala es tornam se menos acess veis o que aumenta os custos de opera o e manuten o podendo aumentar o tempo que as maquinas ficam paradas em caso de avaria e Perdas de energia na liga o da rede terra e Para al m da ac o do vento as estruturas est o sujeitas s ac es das ondas e corrente aumentando assim a complexidade do projecto H factores ainda n o referidos que requerem ser tidos em conta antes da instala o deste tipo de turbinas 29 e Profundidade do mar um elemento essencial para o projecto e Velocidade m dia do vento pelo menos superior a 7 m s 1 1 ENQUADRAMENTO DO TEMA 5 e Estudo do tipo de terreno no fundo do mar an lise geol gica e Estudo dos ventos e direc es de ventos dominantes no local e Estudo da altura de onda e per odo
39. Os ventos utilizados nas simula es foram criados pelo Turbsim e pelo ECwind O turbsim foi utilizado para criar modelos de vento turbulentos ETM EWM e NTM O IECwind foi usado para criar modelos de vento determin sticos ECD EOG e EWS As combina es de ac es definidas no IEC61400 3 exigem um grande n mero de simula es para cada caso Devido morosidade das simula es e ao facto de ser uma an lise preliminar n o v o ser consideradas todas as possibilidades sendo no entanto analisadas todas as situa es mais gravosas De seguida explicam se assim as exig ncias de simula o da norma e as realmente utilizadas na an lise e De acordo com o IEC61400 3 para os DLC 1 1 e 1 3 s o necess rias 6 simula es de 10 minutos para cada condi o de vento e ondas a variar as seeds de vento e as seeds de ondas Foram feitas 3 em vez de 6 simula es de 10 minutos para cada caso Tendo assim sido feitas um total de 45 simula es para cada um dos DLC referidos e Para os DLC 1 4 e 1 5 o IEC61400 3 requer 6 simula es de 1 minuto para cada condi o de vento e ondas a variar as seeds das ondas N o s o feitas varia es de seeds de vento pois os modelos de vento determin sticos usados n o requerem utiliza o de seeds Das 6 simula es de 1 minuto para cada caso foram feitas apenas 2 o que resultou num total de 108 simula es para o DLC 1 4 e 120 simula es para o DLC 1 5 e Para os DLC 1 6a 6 1a 6 2a
40. a 0 a equa o 4 9 pode ser reduzida a 5 ke z k 1 gt z sii 4 12 Ox Rd Tx0 Rd Para que fosse efectuada a verifica o ao estado limite de encurvadura com recurso equa o 4 11 a estrutura em an lise foi considerada como sendo de classe A para as seguintes toler ncias especificadas no EC 3 1 6 e 8 4 2 Uniformidade de di metro da sec o e 8 4 3 Excentricidade acidental e 8 4 4 Cavidades Os par metros de interac o de encurvadura encontram se definidos em D 1 6 1 do EC 3 1 6 como mostram as equa es 4 13 ky 1 25 0 5X2 4 13a kr 1 75 0 25 4 13b Os valores resistentes a encurvadura sao definidos em 8 5 2 1 do EC 3 1 6 de acordo com as equa es 4 14 4 2 AN LISE E DISCUSS O DOS RESULTADOS 151 o Rk Cra gt Cenk pois ym 1 4 14a YM1 Tx0 Rk Teo pa O Toph pois Yr 1 4 14b YM1 Os valores caracteristicos de tensao devido a encurvadura sao de acordo com 8 5 2 3 do EC 3 1 6 fun o do factor de redu o de encurvadura x e do valor caracter stico de tens o de ced ncia do a o fy de acordo com as equa es 4 15 Ox Rk Xa Syk 4 15a re ee 4 15b O valor do factor de redu o de encurvadura definido em 8 5 2 4 do EC 3 1 6 de acordo com as equa o 4 16 Os valores de x x obt m se respectivamente consoante estejamos a fazer uma an lise na direc o meridional ou na direc o tangencial de
41. a o b Torre c nica em bet o c Torre cil ndrica em a o Figura 1 12 Turbinas e licas com diferentes estruturas de torre 43 um item estrutural de grande porte e de elevada contribui o no custo inicial do 12 CAP TULO 1 INTRODU O sistema usada na maioria das torres uma forma tubular de sec o circular oca de modo a minimizar o impacto visual e a terem uma forma mais aerodin mica sendo normalmente constru das em diversos tro os de a o ou bet o que s o montados no local com a ajuda de equipamentos e m quinas adequadas 29 As torres em treli a apresentam custos mais reduzidos funda es mais ligeiras e efeito de sombra da torre atenuado no entanto t m vindo a ser progressivamente abandonadas especialmente devido ao seu maior impacto visual 29 Estas torres n o s o utilizadas offshore devido maior exposi o dos seus elementos estruturais aos efeitos da corros o que um ambiente agressivo como o marinho apresenta 29 Rotor O rotor o componente do sistema e lico respons vel pela capta o da energia cin tica dos ventos transformando a em energia mec nica de rota o O aumento de produ o energ tica do sistema e lico est relacionado com o di metro do rotor como mostra a figura 1 13 e como ser referido com maior pormenor em 2 2 5 Di metro do Rotor 5 000 kw 124m 2 000 kW 1980 1985 1990 1995 2000 2003 Figura 1 13 Rela o do aumento do rotor com a
42. a restante estrutura 64 Efeito de Esteira Outro aspecto a considerar o chamado efeito de esteira Uma vez que uma turbina e lica produz energia mec nica a partir da energia do vento incidente o vento que sai da turbina tem um conte do energ tico muito inferior ao do vento que entrou na turbina 22 1 A Rada El ctrica Espa amento t pico oo 1 5 a3 vezes o di metro do rotor _ Subesta o do parque Instala o de apoio S NN Espa amento t pico 8 a 10 vezes o di metro do rotor Transformadores direc o do vento dominante Figura 2 8 Espa amento entre turbinas num parque e lico devido ao efeito de esteira 36 De facto na parte de tr s da turbina forma se uma esteira de vento turbulento e com velocidade reduzida relativamente ao vento incidente 22 por esta raz o que a coloca o das turbinas dentro de um parque e lico deve ser efectuada de modo criterioso habitual espa ar as turbinas de uma dist ncia entre cinco e nove di metros na direc o preferencial do vento e entre tr s e cinco di metros na direc o perpendicular Mesmo tomando estas medidas a experi ncia mostra que a energia perdida devido ao efeito de esteira nos parques e licos de cerca de 5 22 64 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE 2 2 2 Distribui o das Velocidades do Vento em Per odos Temporais Longos A distribui o de velocidades do vento em per od
43. ainda a considera o de ventos muito fortes combinados com um estado de mar extremo levou a que este DLC fosse o mais gravoso para ambas as plataformas tanto em termos de esfor os como de movimenta o Apesar da TLP ter tido um desempenho superior ITI a conclus o a retirar prende se com o facto de independentemente da instala o da turbina de 5 MW ocorrer numa ou noutra plataforma a torre utilizada n o re ne segundo as diversas partes do Euroc digo 3 utilizadas nesta disserta o 23 24 25 153 154 CAP TULO 5 CONCLUS ES condi es suficientes para resistir aos esfor os obtidos atrav s das simula es do FAST de acordo com as especifica es do IEC61400 3 para as caracter sticas especificas do local a instalar Esta falta de requisitos da torre prende se sobretudo com o facto das caracter sticas geom tricas e resistentes da torre terem sido adoptadas por transposi o das caracter sticas de uma torre a instalar onshore com um aumento de cerca de 30 da espessura original n o tendo havido preocupa o pela ac o combinada de esfor os 50 Oferecem se v rias solu es para este caso como e Aumento da espessura da torre e Aumento do di metro da torre e Altera o da sec o transversal e Altera o do coeficiente de amortecimento de 1 considerado automaticamente na an lise pelo FAST e Utiliza o de um a o com uma classe de resist ncia superior Obviamente que qualquer altera
44. as alturas de onda H s o introduzidos nas simula es em separado consideraram se as mesmas probabilidades de ocorr ncia das velocidades de vento obedecendo equa o 3 2 Para relacionar as velocidades de vento Vw com as alturas de onda Hs utilizou se novamente a equa o 3 3 No entanto os valores dos par metros a b e d foram alterados para 0 197 1 238 e 0 8932 respectivamente Estes valores foram obtidos por tentativa de modo a que o gr fico representativo de E Hs sss Vi se comportasse da forma pretendida Com estas altera es aos par metros da equa o 3 3 obtivemos o gr fico da figura 3 6 correspondente a E Hs sss V 118 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO 0 90 0 80 0 70 0 60 0 50 0 40 0 30 Probabilidade de Ocorr ncia 0 20 Probabilidade Fde Ocorr ncia 0 10 0 00 i onm ono a in o q a a a a 5 116 5 246 5 374 5 498 5 620 5 739 5 855 5 970 NION nam Omano ST o a a SaAamn vo a a N C ah an s an ta ny lt N oo o oS w a a N Velocidade do Vento m s Altura de Onda m a Fun o densidade de Weibull demonstrando b Fun o densidade de Weibull demonstrando a probabilidade de ocorr ncia das velocidades a probabilidade de ocorr ncia das alturas de de vento no local para estado de mar severo onda no local para estado de mar severo Figura 3 8 Probabilidade de ocorr ncia de velocidades de vento e alturas de onda no loc
45. da zona mar tima e costeira apenas nas montanhas a velocidade e a regularidade do vento suscept vel de aproveitamento energ tico A maior parte dos locais com essas caracter sticas situam se a norte do rio Tejo e a sul junto Costa Vicentina e Ponta de Sagres 68 E A Ea ee Ano MW 17 a A Pay fls eS eee 2000 100 A od 2001 131 A the a Pot ncia Instalada A a mot 2002 195 dy 4 A a ade Me 2003 296 A 4 rata reat 2004 522 A A ve Dez 2007 2005 1022 SS e 2006 1716 5 xo 2007 2150 Peewee Blur a 5 ada Macianai da Tranapanto 2008 2862 um SOE 2009 3537 k ue lt 2010 8702 Figura 1 34 Distribui o territorial da Figura 1 35 Quantidade de energia e lica instalada em Portugal em energia e lica produzida em 2007 68 Portugal por ano em MW 43 O EOLOS 2 0 a base de dados do potencial e lico do vento em Portugal Foi desenvolvido pelo INETI DER e apresenta as caracter sticas f sicas e energ ticas do escoamento atmosf rico num conjunto de 57 locais O software VENTOS utilizado para simula o computacional do comportamento do escoamento do vento sobre solos complexos com ou sem arboriza o Foi desenvolvido pela FEUP numa colabora o entre o Instituto de Engenharia Mec nica e Gest o Industrial o INESC Porto e o Research Centre for Wind Energy and Atmospheric Flows RCWEAF Ambas as ferramentas descritas s o importantes 1 5 CASO PO
46. da torre bastante pr ximo do di metro da coluna da plataforma onde a torre assenta Deste modo procura manter se uma certa continuidade estrutural levando a uma minimiza o da concentra o de esfor os em reas criticas da estrutura onde os momentos flectores s o mais elevados 77 Projectos na FCT UNL Os Doutores Chastre Rodrigues e V lter L cio professores da FCT UNL desenvolveram uma nova solu o para torres e licas e postes de grande dimens o 26 mais f cil de transportar e mais econ mica O sistema estrutural concebido treligado em bet o pr fabricado Recorrendo ao conhecimento na rea da pr fabrica o em bet o conceberam uma solu o de torre assente sobre diversos pilares que se montam por fases e que sendo mais leves tornam a estrutura mais ligeira A solu o tem a vantagem de permitir a r pida constru o de torres de grande altura utilizando elementos facilmente transport veis O sistema treli ado traduz se ainda numa grande liberdade de escolha da geometria da torre no sentido da sua optimiza o estrutural tanto em termos de resist ncia como de controlo da sua oscila o natural 9 O projecto recebeu o pr mio BES Inova o na categoria de Novos Materiais e Processos Industriais tendo sido submetido um pedido de patente 26 40 CAP TULO 1 INTRODU O 1 6 Motiva o Segundo Maciel 63 um dos respons veis do projecto Windfloat e como ilustrado na figura 1 37 a industr
47. diz se estoc stico ou de natureza aleat ria 11 Refer ncias como vibra es aleat rias conjunto de valores aleat rios an lise de s ries temporais ou processos estoc sticos podem ser v rias formas de mencionar um mesmo fen meno Muitas vezes a no o de processo estoc stico serve tamb m para caracterizar fen menos aleat rios O estudo dos fen menos aleat rios pressup e a utiliza o da teoria dos processos estoc sticos a qual por sua vez se baseia na teoria da probabilidade 11 A utiliza o de processos estoc sticos apresenta ainda in meras vantagens para construir modelos representativos das ac es s smicas e da correspondente resposta das estruturas Sendo que qualquer caracter stica de resposta das estruturas pode ser objecto de c lculo ao n vel de processos estoc sticos 42 Os processos estoc sticos podem ser classificados como 11 e Processos estacion rios s o aqueles em que as propriedades estat sticas n o variam com o tempo ex vibra es induzidas por uma m quina a funcionar em regime permanente e Processos n o estacion rios s o caracterizados por terem as suas propriedades estat sticas a variar com o tempo ex vibra es induzidas por vento ondas ou sismo No processo de um sismo a vari vel aleat ria ser a acelera o do sismo no processo do vento a vari vel aleat ria ser a velocidade do vento e no processo 2 1 CONCEITOS INTRODUT RIOS 53 de ondas a vari
48. duas turbinas de 5 MW a uma 32 CAP TULO 1 INTRODU O profundidade de 45 metros no Mar do Norte apoiadas em estruturas em treli a denominadas geralmente por estruturas jacket ver figura 1 31 73 Figura 1 31 Exemplos de estruturas correntemente em funcionamento em profundidades de transi o 73 O projecto Alpha Ventus na Alemanha que foi completado em Novembro de 2009 utiliza tamb m o tipo de estruturas da figura 1 30 Apesar das profundidades em que as estruturas foram instaladas serem pouco superiores aos 30 metros Constam do projecto 6 turbinas de 5 MW da Repower com estrutura em tripod e 6 turbinas de 5 MW da Multibrid com estrutura em jacket perfazendo um total de 60 MW instalados que tornam este projecto no maior projecto instalado em profundidades de transi o at ao momento 73 1 4 4 Turbinas E licas Offshore em Plataformas Flutuantes Em Junho de 2009 a empresa norueguesa Statoil juntou se Siemens para instalarem o primeiro prot tipo escala real de uma turbina e lica flutuante O per odo de testes tem uma dura o esperada de 2 anos sendo o projecto uma demonstra o do conceito do design Hywind do qual falaremos de seguida 73 O investimento da Statoil na concep o constru o e testes foi de cerca de 400 milh es de Coroas Norueguesas NOK o equivalente a cerca de 60 milh es de euros Este valor leva a crer que este tipo de tecnologias demasiado cara para 1 4 ESTADO DA ARTE 33
49. estar em extens o Fextension ou contrac o Feontraction Tendo tudo isto em considera o podemos definir a equa o que define o momento de equilibro de pitch roll em rela o ao centro do sistema de coordenadas para uma plataforma cil ndrica que adquire a sua estabilidade sobretudo devido rea de flutua o e ao peso do balastro de acordo com a equa o 2 47 91 como o caso da plataforma ITI em an lise nR S Morig m 0 gt 0 F Buoyancy 2B 0 Mio 9 26 0 PAO 0 2 47 Em que de acordo com a Lei de Arquimedes F Buoyancy definida de acordo com a equa o 2 48 em que Vsbmerso representa o volume submerso da plataforma FBuoyancy pg Veubmerso 2 48 Ainda sobre a equa o 2 47 conv m referir que a primeira parcela se refere ao momento devido localiza o do centro de flutua o a segunda parcela refere se ao momento devido in rcia e localiza o do centro de massa e a terceira parcela se refere ao momento devido rea plana de flutua o da plataforma Para o caso da plataforma TLP ter o de ser adicionados equa o os momentos devidos aos cabos de ancoragem representados na figura 2 35 por Fertension Fcontraction 93 Cap tulo 3 Modelo de C lculo Os objectivos desta disserta o prendem se com a verifica o de seguran a da torre de uma turbina e lica bem como a compara o do comportamento das duas plataformas flutuantes distintas onde a turbina e lica foi inst
50. ncias muito baixas como mostra a figura 4 8 4 2 AN LISE E DISCUSS O DOS RESULTADOS 141 3 5 2 qa E 25 o 2 v O15 24 Rotor amp qa ca PR 15t natural frequency 0 0 2 0 4 0 6 Frequency Hz Figura 4 8 Exemplo de valores caracter sticos de frequ ncias para um caso gen rico 84 O objectivo de uma an lise prim ria em termos de frequ ncias passa por garantir que as frequ ncias pr prias da estrutura se afastam tanto quanto poss vel das frequ ncias mais energ ticas dos factores externos a que estar sujeita Ventos Espectro de Densidade de Kaimal Foram testadas cinco velocidades de vento notando se que com o aumento da velocidade de vento h uma aumento da energia associada s frequ ncias mais baixas O facto das frequ ncias do vento serem t o baixas leva a que s as movimenta es de surge sway e de yaw para a plataforma ITI estejam perto da zona mais energ tica do espectro de frequ ncias No caso de TLP apenas as de surge sway se encontram mais pr ximas da banda de frequ ncias mais energ tica Mares Espectro de Densidade de Pierson Moskowitz As ondas apesar de menos energ ticas t m frequ ncias mais pr ximas das frequ ncias caracter sticas do movimento da plataforma O movimento de heave da ITI encontra se na banda de frequ ncias mais energ tica dos mares pelo que se espera que a plataforma seja bastante excitada para esse movimento Tamb m as rot
51. o American Petroleum Institute API Det Norske Veritas DNV Germanischer Lloyd GL International Electrotechnical Commission IEC e International Organization for Standardization ISO Sao indicadas como de refer ncia uma vez que sao as mais respeitadas na concep o de novos modelos por parte de projectistas e industria e por serem as que mais activamente t m participado no processo de evolu o da industria 44 CAP TULO 1 INTRODU O atrav s do lan amento de normas e pr ticas recomend veis 80 Apesar das normas e pr ticas recomend veis offshore referidas anteriormente conferirem boas bases de procedimento para dimensionamentos respeitando a seguran a de acordo com Veldkamp 87 estas normas s o ainda pouco especificas possibilitando a utiliza o de diferentes procedimentos e tendo ainda lacunas em alguns campos como a probabilidade de falha Em 2007 Saigal et al 80 elaboraram um estudo comparativo de normas bastante completo em que consideram as pr ticas recomend veis da API 10 como bastante completas para estruturas offshore fixas ao fundo No entanto os autores salvaguardam o facto de visto serem pr ticas recomend veis para a industria petrol fera e apesar de preverem as ac es de vento ondas corrente e sismo n o serem totalmente utiliz veis na industria e lica devido s diferentes tipologias empregues nas duas industrias As regras e regulamentos para turbinas e licas onshore s o j abr
52. o nas caracter sticas da torre levar nos ia como mostra a figura 3 2 a adaptar tamb m a plataforma de suporte e a refazer todas as simula es e verifica es de seguran a necess rias num processo que preferencialmente seria iterativo em busca do valor ptimo Para al m das implica es econ micas que as altera es estruturais previamente referidas implicariam tamb m o comportamento da estrutura seria afectado N o s ter amos uma altera o do peso com implica es entre outros aspectos no equilibro hidroest tico das plataformas como ter amos ainda altera es na rigidez da pr pria estrutura facto esse que altera as frequ ncias naturais da estrutura podendo em alguns casos aproximar s frequ ncias naturais da estrutura s frequ ncias de excita o do mar Carece ainda de ser dito que mais do que aumentar a resist ncia da torre importa afastar as frequ ncias pr prias da estrutura plataforma torre turbina o mais poss vel das frequ ncias de excita o do mar de modo a diminuir os deslocamentos da plataforma e consequentemente os esfor os na torre 5 2 LIMITA ES 155 5 2 Limita es Ap s tiradas as conclus es deste trabalho acad mico conv m referir algumas limita es associadas an lise efectuada Foram calculados apenas os estados limites ltimos n o houve qualquer averigua o aos estados limites de fadiga Tal facto deveu se morosidade desse tipo de an lises e ao fact
53. onda harmonica simples 86 2 30 Limites de utiliza o das diferentes teorias de onda 89 2 31 rbita das part culas do fluido de acordo com a teoria de Airy 91 2 32 Espectro de densidade de ondas de JONSWAP para diferentes Valores DE Seres di a a e a a a hes a BOR ode tans 92 2 33 Torre esbelta vertical sujeita a carregamentos hidrodin micos 93 2 34 Possibilidades de varia o da velocidade da corrente com a profundidade ARDE RAR RR RR ated RO RR PR ted 95 2 35 Diagrama que mostra as for as verticais actuantes numa TLP e que provocam momentos de pitch aoaaa 96 3 1 Diferentes plataformas em an lise o oo 99 3 2 Procedimento de c lculo de acordo com IEC61400 3 47 106 3 3 Procedimento de c lculo de acordo com IEC61400 3 112 3 4 Exemplo de registo de medi es simult neas de Hs e Vy 114 3 5 Exemplo de compara o das probabilidades de ocorr ncia e da fun o densidade probabilidade de Weibull 114 3 6 Valores obtidos para o valor esperado condicional de H em fun o de Vo ore ey ed ida a ha GRE E he DE e es Bee ES eee 116 3 7 Probabilidade de ocorr ncia de velocidades de vento e alturas de onda no local para condi es normais 117 3 8 Probabilidade de ocorr ncia de velocidades de vento e alturas de onda no local para condi es severas 4 118 3 9 Ficheiros de input e de output do FAST 121
54. part culas de gua na direc o vertical w x t Acelera o das part culas de gua na direc o vertical Velocidade total do vento em fun o de z e t na direc o vertical Fun o que define o processo no dom nio do tempo Vari vel aleat ria bidimensional discreta z Referencial ou coordenada vertical xxvi NDICE DE TABELAS zo Comprimento de rugosidade zg Dist ncia vertical entre o centro de flutua o Cg e a cota zero do referencial za Distancia vertical entre o centro de gravidade Cc e a cota zero do referencial zr Cota de refer ncia Grandezas Unidades e Sub unidades Graus Gb Gigabytes GW Gigawatts Hz Hertz kg Quilograma kms Quil metros kN Quilonewton kNm Quilonewton metro m Metros n m s Metros por segundo MN Meganewton MW Megawatts N Newton rpm Rota es por minuto seg Segundos ton Toneladas W Watt Cap tulo 1 Introdu o 1 1 Enquadramento do Tema As fontes de energia n o renov veis como o carv o petr leo g s natural e nuclear t m ao longo das ultimas d cadas vindo a ser utilizadas como as principais fontes de energia escala global Este fen meno acentua se principalmente nos pa ses mais desenvolvidos onde por for a do crescimento econ mico da industrializa o e de um estilo de vida cada vez mais citadino h uma necessidade abrupta de obten o de energia em abund ncia e a pre os economicamente competitivos 33 Periodicament
55. pot ncia do gerador 64 o componente mais caracter stico de um sistema e lico sendo composto pelas p s pelo cubo hub e pelo cone A sua configura o influencia o rendimento global do sistema quer pelo tamanho e forma das p s quer pelo ngulo de ataque das p s 61 O cone uma pe a constru da normalmente no mesmo material que a cabina nacelle cujos objectivos s o assegurar uma forma mais aerodin mica e proteger o cubo e os seus mecanismos das ac es clim ticas 1 2 TURBINAS E LICAS 13 O cubo hub uma estrutura met lica de alta resist ncia que para al m de apresentar os rolamentos para a fixa o das p s tamb m acomoda os mecanismos e motores para o ajuste do ngulo de ataque das p s 29 Figura 1 14 Montagem dos elementos interiores do cubo 43 Embora existam turbinas com cubos fixos habitualmente possibilitado que o cubo do rotor possa baloi ar Teetering Hub isto que apresente um ngulo de inclina o relativamente vertical Tilt Angle de forma a acomodar os desequil brios resultantes da passagem das p s em frente torre 22 Cabina Nacelle A cabina o local onde se encontram alojados os constituintes do aerogerador ilustrados na figura 1 15 Low speed shaft Generator Gearbox Hub Bearings Main frame High speed shaft Figura 1 15 Constituintes do aerogerador 64 14 CAP TULO 1 INTRODU O O gerador converte a energ
56. rea de influ ncia destas estruturas igualmente reduzida Actualmente s o das estruturas mais utilizadas em e licas offshore Um caso bastante conhecido da sua utiliza o o campo e lico de Horns Rev 73 A funda o de gravidade a alternativa mais comum ao monopilar apesar da sua sensibilidade s condi es do fundo oc anico Estas solu es foram j utilizadas com sucesso em campos e licos offshore na Dinamarca em Nysted e Samsg e mais recentemente na Holanda no campo e lico de Thornton Bank 73 A funda o em balde de suc o suction bucket n o foi ainda instalada comercialmente no entanto tem sido desenvolvida pesquisa significante nesse campo 73 1 4 ESTADO DA ARTE 31 Suction Bucket Figura 1 29 Turbinas e licas offshore em guas pouco profundas 73 1 4 3 Turbinas E licas Offshore em Profundidades de Transi o Como foi dito anteriormente existem apenas 2 projectos implementados em profundidades de transi o deste modo algumas das estruturas da figura 1 30 referem se a projectos conceptuais n o tendo sido ainda implementadas Spaceframe Talisman Jacket or Energy Truss Concept Guyed Tube Figura 1 30 Turbinas e licas offshore em profundidades de transi o 73 A empresa Talisman Energy foi respons vel por implantar as primeiras turbinas offshore em profundidades de transi o no projecto Beatrice Este projecto de demonstra o caracterizou se pela instala o de
57. referidos na sec o 2 2 4 e que ser o considerados para a an lise com valores entre os 8 m s e os 9 m s T m se ainda os valores m dios de H 2 05m e T 6 7s fornecidos pelo IH e referidos na sec o 2 3 2 De acordo com Ronold 78 e atrav s da an lise probabilista que fez com os dados simult neos de H e V recolhidos no parque e lico de Horns Rev quando uma distribui o de Weibull se adequa bem aos valores de vento para uma dada altura de onda Ujo H pode utilizar se a fun o probabilidade acumulada de Weibull para a representa o tal que Fino ulHs 1 el 3 2 Em que u representa a velocidade de vento considerada e os par metros k e c s o par metros da distribui o de Weibull indicados em 2 2 2 Tempel 84 sugere na sua tese de doutoramento alguns valores a considerar para esses par metros consoante o local a analisar Por seu turno Ronold 78 obteve valores experimentais atrav s dos dados recolhidos no parque e lico de Horns Rev no Mar do Norte Considerou se que uma m dia entre os valores apresentados por Tempel para zonas offshore e os valores obtidos por Ronold seriam os melhores valores a utilizar na an lise ver tabela 3 10 Foi considerada a m dia destes valores para que n o fossem seguidos somente os valores sugeridos por Ronold por terem sido obtidos atrav s das leituras do Mar do Norte condi es bastante mais agrestes do que as de Portugal e para que n o se seguissem so
58. registado para o DLC 6 2 de 1 8 metros muito elevado 4 2 AN LISE E DISCUSS O DOS RESULTADOS 143 quando comparado com os valores m ximos obtidos para os outros DLC As ondas de per odo longo tendem a ser maiores e mais fortes percorrendo maiores dist ncias enquanto as ondas de per odos mais curtos tendem a ser menores e menos energ ticas Constatou se que a TLP era bastante mais sens vel a per odos de onda curtos especialmente quando testada em mares extremos em que o per odo de onda m dio foi considerado de 3 segundos Por outro lado a ITI parece comportar se pior para os per odos de onda m dia maiores tendo sido obtidos os maiores valores para o per odo de onda m dia de 7 segundos Tais ila es n o podem ser tiradas por observa o das tabelas 4 2 e 4 3 no entanto uma an lise de todos os dados presentes na sec o B 1 permite a comprova o destes factos A proximidade das frequ ncias pr prias dos movimentos das zonas mais energ ticas dos espectros de densidade de Pierson Moskowitz com varia o no per odo de pico T como se constata por observa o das figuras 4 3 e 4 4 parecem explicar os referidas diferen as de comportamento para os diferentes deslocamentos das plataformas analisadas 4 2 4 Esfor os na Base da Torre Tamb m neste campo a plataforma da ITI se evidenciou pela negativa ao ter esfor os na base da torre de sustenta o da turbina bastante superiores aos da plataforma TLP As varia
59. sendo disponibilizado sob a forma de draft uma vez que ainda n o cumpre todos os passos de aprova o requiridos para se tornar numa norma internacional O objectivo do WG3 passa por criar uma norma internacional que especifique os requisitos t cnicos para assegurar a seguran a do sistema e componentes da turbina incluindo as suas estruturas de suporte 80 1 7 2 Softwares Dispon veis As turbinas e licas offshore s o sistemas bastante sofisticados que podem ser analisados somente atrav s da adop o de modelos interdisciplinares As quatro categorias essenciais envolvidas na sua an lise s o a aerodin mica a din mica estrutural a hidrodin mica e a din mica dos solos As disciplinas referidas abordam os eventos ocorridos a n vel do rotor da torre da sub estrutura e das funda es respectivamente 65 Os programas de c lculo utilizados para calcular estas estruturas s o denominados por c digos num ricos aero hydro servo elastic Estes programas 46 CAP TULO 1 INTRODU O de c lculo s o interdisciplinares utilizando os c digos num ricos mais avan ados nas reas de 60 e Ac es aerodin micas exercidas no rotor nacelle p s e torre aero e Sistemas de regula o e funcionamento do rotor servo e Ac es hidrodin micas da plataforma flutuante e ancoragens hydro e Elasticidade estrutural contabilizando os diferentes materiais que comp e o sistema elastic A grande maioria dos c digos aer
60. sido considerada a sua ac o na an lise para todos os DLC simulados A norma IEC61400 3 considera correntes normais NCM para os DLC 1 x e 2 x e correntes extremas ECM para os DLC 6 x e 7 x Tal considera o deve se ao facto das correntes estarem de certo modo associadas ao estado do mar Nesta an lise foram consideradas correntes normais NCM para todos os DLC simulados uma vez que que as correntes sub superficiais teriam mais relev ncia para uma an lise aos cabos e n o tanto para a an lise pretendida A acrescentar a isto pesa o facto de muitos autores n o considerarem sequer as correntes nas suas an lises 55 67 As correntes normais s o compostas pela conjun o das correntes superficiais geradas por influ ncia do vento 6 4 2 2 da IEC61400 3 e as correntes formadas por quebra de ondas em zonas costeiras 6 4 2 3 da IEC61400 3 Assim a diferen a entre as correntes normais NCM e as correntes extremas ECM prende se com o facto das correntes extremas inclu rem uma terceira componente de correntes relativa s correntes sub superficiais 6 4 2 1 da IEC61400 3 Uma vez que para todos os DLC foram consideradas NCM a componente sub superficial das correntes n o foi considerada Em adi o visto n o nos encontrarmos numa zona costeira a componente de correntes formadas por quebra de ondas n o foi tamb m considerada por indica o da norma Deste modo interessa saber como foram consideradas as correntes superfi
61. suporte 22 Posi o das P s em Rela o ao Vento Nas turbinas de eixo de rota o horizontal as p s podem posicionar se de 2 formas em rela o ao vento Se o vento incidir na parte frontal da turbina de frente para as p s classificamos a turbina como sendo Upwind Se o vento incidir na parte traseira da turbina por tr s das p s classificamos a turbina como sendo Downwind 1 2 TURBINAS E LICAS 9 A observa o da figura 1 9 poder tornar a distin o destes dois tipos bastante mais esclarecedora Upwind Downwind V mm e n N 1 K VENTO gt gt VENTO gt 1 V H Pi E Figura 1 9 Distin o entre turbinas Upwind e Downwind 61 No decorrer deste trabalho iremos focar nos sobretudo nas turbinas do tipo Upwind Este tipo de turbinas o mais correntemente utilizado apresentando como principais vantagens o facto do vento incidir frontalmente em rela o s p s Deste modo o vento s passa pela torre ap s ter passado a rea de varrimento do rotor pelo que n o h dist rbio da torre no fluxo de vento No entanto ao passar primeiro pelas p s do rotor o fluxo de vento perturbado provocando vibra es na torre de suporte A acrescentar a isto a passagem peri dica das p s pela torre causa pulsa es de bin rio na turbina e lica Al m disto a necessidade nestas turbinas de um mecanismo de orienta o direccional provoca uma maior carga na torre comparativamente
62. tem uma densidade p as coordenadas verticais s o definidas pelo eixo z orientado com o sentido positivo para cima e a origem est localizada no n vel de refer ncia da gua do mar SWL A express o que define a eleva o da superf cie da onda no espa o x e no tempo t de acordo com o modelo de Airy dada por 92 n x t Acos kx wt 2 33 Em que a frequ ncia angular compat vel com a solu o do modelo est relacionada com o numero de onda k sendo definida pela equagao 2 34 62 w gk tanh kh 2 34 Invocando todas as suposi es em que se baseia o modelo de Airy e resolvendo as equa es diferenciais que delas adv m com recurso s condi es de fronteira do problema podem ser deduzidas as express o que traduzem a velocidade das part culas na direc o horizontal u x t e vertical w x t representadas nas equa es 2 35 92 27 A coshlk z d T sinh kd 2r A sinhlk z d w x t T inl kd sin ka wt 2 35b u x t cos kx wt 2 35a Derivando as express es da velocidade das part culas obtemos as acelera es das part culas definidas pelas equa es 2 36 472 A coshlk z d x t T Sina sin kx wt 2 36a 47 A sinh k z T sinh kd w x t cos ka wt 2 36b A Teoria Linear caracteriza se pela forma sinusoidal da superf cie da onda e pela rbita circular el ptica das part culas do fluido Em guas profun
63. verticais n o sendo previs vel que se arraste O processo de instala o pode usar uma ncora de suc o para penetrar no terreno ou ser por crava o com aux lio de martelos nunca por arrasto como as ncoras convencionais 72 85 Estaca Torpedo Torpedo Embedded Anchor A estaca torpedo foi criada para ser instalada por queda livre em argilas moles Trata se de uma estaca de a o tubular de ponta c nica preenchida com uma mistura de sucata de a o de v rias dimens es e bet o cuja dosagem efectuada com o objectivo de atingir a maior massa espec fica poss vel Para a sua instala o apenas necess rio um rebocador para realizar o transporte e o lan amento 85 Uma combina o entre as estacas torpedo e a as ncoras de placa que como se disse anteriormente podem rodar quando aplicada tens o fazendo com que a sua ponta penetre mais profundamente poderia ser a solu o mais econ mica para turbinas e licas com sistemas de ancoragem com cabos na vertical 72 Estaca de Grout Drilled and Grouted Pile Todas as solu es anteriores pressup em que o solo re ne as condi es necess rias para permitir que a ncora seja introduzida no fundo marinho Se for encontrada rocha a solu o mais eficiente para prender a ncora perfurar a rocha e introduzir grout no 1 3 PLATAFORMAS FLUTUANTES 25 oe o oo A 5 vt RESTO o RC Sees Sin ERR Soe SD aero er gt ot Se Soe o y
64. vez mais turbinas e forma o de um campo e lico offshore Dominant Wind Direction Onshore Grd o 8 g E j Figura 1 36 Plataforma Windfloat a instalar em Portugal 74 77 A zona da Agu adoura na P voa do Varzim foi escolhida em detrimento de outras zonas testadas como por exemplo o Algarve devido a ter condi es de mar e vento mais apropriadas a provocar menos constrangimentos na zona costeira e devido a existir nessa zona um parque de ondas conhecimento das caracter sticas de ondas do local exist ncia de infraestruturas de suporte como estaleiros 63 De acordo com a Principle Power a plataforma flutuante Windfloat est preparada para suportar uma turbina e lica at 10MW 77 A visualiza o da tabela 1 2 e da figura 1 36 permite a compreens o de algumas das caracter sticas desta plataforma flutuante A tecnologia WindFloat consiste numa plataforma estabilizada por colunas de gua com balastro e um sistema de ancoragem com cabos em caten ria O seu 1 5 CASO PORTUGU S 39 design foi pensado para que a estrutura possa ser totalmente constru da onshore e rebocada depois para a sua localiza o final 77 Turbinas Instal veis 3 6 10MW Di metro do Rotor 120 150m Altura da hub 80 90m Peso da Nacelle 225 315ton Peso da Torre 180 315ton Profundidade gt 50m Cabos de Ancoragem 4 6 Tabela 1 2 Caracter sticas Principais da Plataforma Windfloat 77 O di metro da base
65. x e 7 x os sistemas de controle de pitch e torque do gerador encontram se desligados as p s encontram se com o seu ngulo de ataque a 90 regime de trav o e a 3 5 INPUTS DO FAST 123 nacelle est presa em ngulos definidos de yaw As seguintes situa es foram simuladas recorrendo informa o do manual do programa 53 e Desligar sistemas de controle o sistema de controle de pitch ligado ou desligado atrav s do input PCMode enquanto o sistema de controle de torque ligado ou desligado atrav s do input VSContr1 ambos constam do input file do FAST e Alterar ngulos de pitch os ngulos de pitch s o alterados atrav s dos comandos TPitManS v TPitManE v e BiPitchF v em que v pode ser subsituido por 1 2 ou 3 para distinguir as diferentes p s TPitManS v tempo de inicio da manobra de sobreposi o de pitch TPitManE v tempo de fim da manobra de sobreposi o de pitch B1PitchF v valor de pitch que se pretende obter no fim da manobra de sobreposi o e Alterar ngulos de yaw os ngulos de yaw s o alterados atrav s dos comandos TYawManS TYawManE NacYawF TYawManS tempo de inicio da manobra de sobreposi o de yaw TYawManE tempo de fim da manobra de sobreposi o de yaw NacYawF valor de yaw que se pretende obter no fim da manobra de sobreposi o 3 5 1 Valores Utilizados no DLC 1 1 Com recurso ao Turbsim s o criados ficheiros de s ries de tempo de vento par
66. 189 166 6620 7635 Tabela 4 6 Valores m ximos de deslocamento no topo da torre instalada na ITI obtidos para cada um dos DLC e contabiliza o dos momentos de segunda ordem e das imperfei es DLC Deslocamento Topo Imperfei es Momentos 22 Ordem dz m dy m Ha KN Hy KN Mo KN m M kN m 1 1 0 82 0 22 99 38 988 3691 1 3 0 91 0 24 109 39 1071 4094 1 4 0 80 0 15 98 30 663 3625 1 5 0 51 0 16 67 31 718 2291 1 6a 1 53 0 51 172 67 2283 6891 2 1 1 03 0 49 121 65 2196 4648 2 3 0 78 0 14 96 30 635 3537 6 1 1 78 0 80 198 97 3592 8032 6 2 2 37 2 37 259 259 10677 10704 63 1 47 1 30 167 148 5844 6652 7 1 1 21 1 00 140 118 4517 5474 Tabela 4 7 Valores m ximos de deslocamento no topo da torre instalada na TLP obtidos para cada um dos DLC e contabiliza o dos momentos de segunda ordem e das imperfei es 4 1 APRESENTA O DE RESULTADOS 137 Os valores obtidos para os deslocamentos no topo da torre pelo FAST foram medidos em rela o ao centro geom trico da posi o indeformada da torre deste modo n o contabilizam a transla o como mostra a figura 4 5 Qx ol 3 Hh surge sway Figura 4 5 Medi o dos deslocamentos no topo da torre Imperfei es Geom tricas De acordo com o EC 3 1 1 em 5 3 2 7 o efeito das imperfei es pode ser substitu do por um sistema horizontal de for as equivalentes como mostra a figura 4 6 initial sway imperfections initial bow imperfections i i
67. 4 1 Espectro de densidade de ventos de Kaimal e frequ ncias naturais CA sso Err lin Matec ig Ra dane SS aed DADE a Ss O COR io E a 132 4 2 Espectro de densidade de ventos de Kaimal e frequ ncias naturais CATE acca taste se cs a BE Se cg ack es a dE ea tee CR al 132 4 3 Espectro de densidade do mar de Pierson Moskowitz e frequ ncias naturais da dll e etitcds tag adhe aoe a oe la a aad 133 4 4 Espectro de densidade do mar de Pierson Moskowitz e frequ ncias naturais da TLR saca aa ams as ta ed NES age eee a 133 4 5 Medi o dos deslocamentos no topo datorre 137 4 6 Substitui o das imperfei es geom tricas por um sistema equivalente de for as horizontais 137 4 7 Representa o esquem tica dos momentos de segunda ordem 138 Xvi INDICE DE FIGURAS 4 8 Exemplo de valores caracter sticos de frequ ncias para um caso QENENCO als pd Sega as SO ate do Wt SE Su A E 141 4 9 Dimens es a considerar de uma sec o tubular de acordo com o ECOS Tais o OS SR E CA SM EA 9 a 145 4 10 Tens es axiais prescritas no Anexo A do Euroc digo 3 1 6 146 4 11 Tens es de corte prescritas no Anexo A do Euroc digo 3 1 6 147 4 12 Distribui o de tens es na casca provocadas por momentos flectores 148 4 13 Distribui o de tens es na casca provocadas por esfor os IFANSVEISOS tue dee ee a o RD Ea E OY a ee a aN 148 4 14 Distribui o de tens es na casca provocadas pela combina o do
68. 5 MW seriam instalados offshore 43 De acordo com a Associa o Portuguesa de Energias Renov veis APREN h no entanto inten es do governo de rever os valores apresentados Comiss o Europeia devido crise econ mica e press o nos pre os da electricidade 43 A EDP a empresa de fornecimento de energia l der em Portugal e com papel influente em toda a Pen nsula Ib rica estando ainda presente no Brasil e a crescer fortemente na energia e lica nos EUA e UE 63 Tem e continuar assim a ter um papel bastante importante no investimento na industria e lica sendo respons vel pelo projecto da Turbina E lica Flutuante Offshore que est a ser implementado em Portugal Projecto Windfloat Projecto Windfloat O Projecto Windfloat consiste num investimento da EDP que contratou a Principle Power para a implementa o da sua plataforma flutuante ao largo da costa portuguesa no norte do pa s na zona da Agu adoura O projecto divide se em tr s fases 63 74 e 12 Fase Prot tipo lan ada para o mar uma plataforma com uma turbina de 2 MW da Vestas que estar ligada rede e ficar em fase de testes a 38 CAP TULO 1 INTRODU O 5 kms da costa durante um per odo de pelo menos 12 meses e 22 Fase Pr Comercial S o lan adas para o mar mais plataformas com turbinas de 5 MW perfazendo um total de 15 MW a 25 MW consoante seja um total de 3 ou 5 turbinas e 32 Fase Comercial Instala o de cada
69. A F f i t Fi a i Mean wind speed c Abs Na Wot l o I d _ Time Figura 2 15 Varia o da velocidade do vento por efeito de uma rajada e ilustra o dos par metros que a caracterizam 84 a Amplitude b Tempo de Eleva o c Varia o M xima da Rajada d Tempo de Lapso O factor de rajada G t usado posteriormente para converter a velocidade m dia do vento U em velocidade m xima da rajada de dura o t como mostra a equa o 2 22 Uzust t G xU 2 22 pea A 0 ene A 20 CS a we 2 5 turbulence _ d a p i A TN 0 turbulence Gus factor G l1 h l0 min 5min 2min lmin Ws 10s 5s 3s ls Gust duration Figura 2 16 Factor de rajada obtido pela formula o de Wieringa para diferentes dura es t e intensidades de turbul ncia longitudinal 7 16 de referir que as diferentes normas existentes estabelecem diferentes express es para definir a Intensidade de turbul ncia segundo a direc o longitudinal lateral e vertical 1 Iy Iw 16 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 73 2 2 4 O Vento Offshore em Portugal Como se viu na sec o 1 5 1 o EOLOS 2 0 desenvolvido pelo INETI uma base de dados bastante completa e de acesso livre As informa es contidas v o do impacto ambiental e liga es rede el ctrica at ao potencial e lico e an lise econ mica de 57 locais em Portugal Continental Interessam no entanto para
70. A 0 5295 0 24 274 Tower S S 3 0617 0 52 2 Tower F A 2 9756 0 01 Tabela 3 3 Frequ ncias naturais obtidas para a estrutura na plataforma ITI e compara o com as exibidas na tabela 3 2 Dispotitivo para aproveitamento da energia das ondas mais informa o sobre este assunto e energia das ondas em 33 102 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO 3 1 2 MIT NREL TLP A MIT NREL TLP como o nome indica uma TLP tension leg platform pelo que foi dimensionada para manter se equilibrada com recurso a cabos de ancoragem traccionados Deste ponto da disserta o em diante a MIT NREL TLP que pode ser vista na figura 3 1 a ser referenciada somente por TLP S o apresentadas na tabela 3 4 algumas caracter sticas desta plataforma 66 67 Di metro da Plataforma m 18 Altura de Bet o m 12 6 Draft m 47 89 Deslocamento de Agua m 12 180 Massa Total incluindo balastro kg 8 6 x 10 CM abaixo do SWL m 40 61 Inercia de Roll em torno do CM kg m 571 6 x 10 Inercia de Pitch em torno do CM kg m 571 6 x 108 Inercia de Yaw em torno do CM kg m 361 4 x 10 Profundidade m 200 Raio de Influ ncia m 27 0 Comprimento do Cabo sem estar Traccionado m 151 7 Dist ncia aos Cabos de Ancoragem m 27 0 Comprimento de Cabo em Contacto com o Fundo Oce nico m 0 Di metro do Cabo m 0 0809 Massa Distribu da do Cabo kg m 116 0 Rigidez Extensional do Cabo N 1500 x 10 Tabela 3 4 Sum rio das
71. Direc o do Vento 4 0 4 8 Direc o de Corrente e Ondas B p OR Randseeds Consideradas 2 Outras Condi es Uma das p s est presa com ngulo de ataque de 0 e as outras 2 em regime de trav o Tabela 3 22 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 7 1a A turbina n o se encontra em funcionamento estando o rotor parado A diferen a deste DLC consiste na considera o de uma avaria em que uma das p s est presa no ngulo de ataque de 0 contrariando as outras p s que se encontram como suposto em regime de trav o com o ngulo de ataque a 90 Cap tulo 4 Discuss o dos Resultados 4 1 Apresenta o de Resultados 4 1 1 Energia Produzida S o apresentados neste cap tulo os valores m dios de energia produzida pelo gerador da turbina para os DLC 1 x e 2 x estabelecidos no IEC61400 3 referentes s situa es em que se encontra em funcionamento ITI M dia da Energia Produzida pelo Gerador em kW DLC 1 1 DLC1 3 DLC1 4 DLC1 5 DLC16a DLC21 DLC 2 3 3521 0 3520 9 4139 6 3508 3 3530 7 21843 2568 8 TLP M dia da Energia Produzida pelo Gerador em kW DLC 1 1 DLC1 3 DLC1 4 DLC1 5 DLC16a DLC21 DLC2 3 3544 8 3551 9 4246 1 3531 8 3556 5 2198 7 2668 7 Tabela 4 1 M dia da energia produzida pelo gerador instalado nas duas plataformas testadas para cada DLC kW 4 1 2 Frequ ncias Numa primeira abordagem foram comparadas as frequ ncias naturais das plataformas em an lis
72. Distribui o de tens es na casca b Distribui o de tens es na casca provocadas por Fr provocadas por Fy Figura 4 13 Distribui o de tens es na casca provocadas por esfor os transversos Combinando os carregamentos ilustrados nas figuras 4 12 e 4 13 s o obtidos os carregamentos e tens es representados na figura 4 14 4 2 AN LISE E DISCUSS O DOS RESULTADOS 149 Mr M M A a p SE RA E Pel aff F m 4 R a J Ms i gt E NA D N O W y A c N D e Na A a E T T 4 a Ok a Distribui o x de tens es na casca b Distribui o de tens es na casca provocadas por Mr provocadas por R Figura 4 14 Distribui o de tens es na casca provocadas pela combina o dos esfor os actuantes nas direc es consideradas Da observa o da figura 4 14 podem considerar se dois pontos em que os valores das tens es podem ser m ximos ponto C onde o assume o valor m ximo devido a Mr e ponto D onde 7 assume o valor m ximo devido a R Por uma quest o de simplicidade de c lculo as verifica es dos estados limites LS1 e LS3 foram efectuadas somente para o ponto C e para o ponto D evitando se a procura de um ponto interm dio que conjugasse os efeitos de Mp e R para cada combina o de ac es As tens es meridionais e tangenciais nos pontos referidos s o definidas pelas equa es 4 6 TO Tir TV A E na ojn ofu 4 6a TP r T
73. FTWARE DE REFER NCIA 45 e ISO 19903 Fixed Concrete Offshore Structures 2004 e DNV OS C101 Design of Offshore Steel Structures General LRFD method 2004 e DNV OS C103 Structural Design of Column Stabilized Units LRFD method 2004 e DNV OS C401 Fabrication and Testing of Offshore Structures 2004 e ISO 19901 Specific Requirements for Offshore Structures 2003 e ISO 19900 General Requirements for Offshore Structures 2002 e API RP 2A WSD Recommended Practice for Planning Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms Working Stress Design 1993 Necessidade do IEC61400 3 A grande maioria das normas apresentadas anteriormente s o ou para turbinas e licas onshore ou para plataformas offshore para a industria petrol fera Deste modo visto as turbinas e licas offshore n o serem iguais s turbinas onshore e uma vez que as necessidades das estruturas de suporte das turbinas e licas diferem das necessidades da industria petrol fera existe a necessidade por parte da industria de uma norma abrangentemente aceite que cubra os requisitos de dimensionamento que estas estruturas apresentam 76 Neste contexto surge como resposta o IEC61400 3 que procura servir se de uma comunh o entre a experi ncia da energia e lica com a experi ncia das plataformas petrol feras offshore para a cria o de uma norma o mais completa poss vel 76 O 1EC61400 3 est ainda em desenvolvimento pelo WG3 Working Group 3 da ISO
74. Figuras ndice de Tabelas Lista de abreviaturas siglas e s mbolos 1 Introdu o 1 1 Enquadramento do Tema 2 2 000 0 1 2 Turbinas E licas sa aa aed E as Sa ah Bi ee Anka 12241 Caracteriza o ssa ot yg ae Bi Soe Be eS 1 2 2 Componentes n nasais ci pbivig card na ithe Se he eres 1 3 Plataformas Flutuantes 2000 1 3 1 Graus de Liberdade das Plataformas Flutuantes 1 3 2 Tipos de Plataformas Flutuantes 1 3 3 Compara o entre Plataformas Flutuantes 1 3 4 Cabos de Ancoragem 22020 000 1 3 5 Funda es ok A era E hh een A Ro gd nee 1 4 Estado daiane uia ua ee a AR Shake es 1 4 1 Breve Resumo Hist rico da Energia E lica Offshore 1 4 2 Turbinas E licas Offshore em guas Pouco Profundas 1 4 3 Turbinas E licas Offshore em Profundidades de Transi o 1 4 4 Turbinas E licas Offshore em Plataformas Flutuantes 1 5 CASO PONUQUES Pitanga feir o Sus ae tale rd ee sie re tetas 1 5 1 Situa o Actual vase wea a cee aoa a ap S58 Vl Pe what 1 5 2 Panorama Futuro aaa aaa 1 6 IMOLVA O as a ah a RA ad e oe E E a E 1 7 Normas e Software de Refer ncia 1 7 1 Normas e Regulamentos em Vigor 1 7 2 Softwares Dispon veis 22 04 vii xiii xvii xix NDICE DE MAT RIAS xX 1 7 3 FAST Fatigue Aerodynamics Structures and Turbulence 48 2 Ac es Din micas sobre
75. HORE Stall Regulation O controlo de stall um sistema passivo em que a perda aerodin mica das p s controlada atrav s do seu desenho que s tem efeito para velocidades elevadas do vento As p s do rotor s o fixadas no ngulo de passo e n o podem girar em torno de seu eixo longitudinal 61 O ngulo de passo escolhido de forma a que para velocidades de vento superiores velocidade nominal o escoamento em torno do perfil da p do rotor se afaste da superf cie da p reduzindo as for as de sustenta o e aumentando as for as de arrasto A diminui o das for as de sustenta o e o aumento das for as de arrasto agem contra um aumento da pot ncia do rotor como se pode concluir a partir da figura 2 26 61 Para evitar que o efeito de stall ocorra em todas as posi es radiais das p s ao mesmo tempo o que reduziria significativamente a pot ncia do rotor as p s possuem uma pequena tor o longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito Apesar de ser um controlo simples e robusto possui um dimensionamento aerodin mico complexo 61 For ade Arrasto Forcade Sustenta o Direc o do vento Figura 2 26 For as de arrasto fazem a p travar e sustenta o fazem a p girar 61 Pitch Controlled O controlo de passo um sistema que normalmente necessita da informa o vinda do controlador do sistema Sempre que a pot ncia nominal do gerador ultrapassada devido a um au
76. LO 1 INTRODU O Das energias renov veis mais correntemente utilizadas destacam se a h drica a das ondas a solar e a e lica Todas elas apresentam pontos contra e a favor no entanto a que se tem desenvolvido mais nos ltimos anos e onde tem havido maior investimento a e lica 35 De facto a energia e lica actualmente vista como uma das mais promissoras fontes de energia renov veis sendo caracterizada por uma tecnologia madura desenvolvida principalmente na UE e nos EUA Estando as tecnologias onshore num estado de matura o bastante avan ado torna se cada vez mais comum avistar turbinas e licas como parte da paisagem rural quer em pequenos grupos de 4 a 5 turbinas como cada vez mais em grandes parques e licos com 40 a 50 turbinas Isto not rio em Portugal e Espanha mas principalmente noutros pa ses europeus em cuja aposta nesta fonte de energia come ou mais cedo como s o os casos da Alemanha Dinamarca ou Holanda 43 Esta aposta nas energias renov veis fortemente motivada pela exist ncia de directivas Europeias como a Directiva 2001 77 CE do Parlamento Europeu e do Conselho de 27 de Setembro de 2001 conhecida como Directiva das Renov veis ou protocolos mundiais como o famoso Protocolo de Quioto 22 Offshore areas Err a d for wind energy generation p 5 EN K in the 10 30 km distance ie oat from the coast Sea areas up to 20 m depth Sea areas up to 50 m depth Exclusive economic zon
77. Morais Produ o E lica e Enquadramento T cnico Econ mico em Portugal Tese de Mestrado Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 2009 62 Lopes Miguel Filipe Pinho Experimental Development of Offshore Wave Energy Converters Tese de Doutoramento Instituto Superior T cnico 2010 63 Maciel Jo o Gon alo The WindFloat Project EDP Inova o Maio 2010 64 Manwell J F J G McGowan e A L Rogers Wind Energy Explained Theory Design and Application Wiley 22 edi o 2009 65 Marino Enzo An Integrated Nonlinear Wind Waves Model for Offshore Wind Turbines Tese de Doutoramento Faculty of Engineering University of Florence 2010 66 Matha D e J Jonkman A Quantitative Comparison of the Responses of Three Floating Platforms In NREL CP 500 4672 National Renewable Energy Laboratory and Universitat Stuttgart 2010 67 Matha Denis Model Development and Loads Analysis of an Offshore Wind Turbine on a Tension Leg Platform with a Comparison to Other Floating Turbine Concepts Tese de Mestrado University of Colorado Boulder 2009 68 MEI DGEG Energias Renov veis em Portugal Minist rio da Economia e da Inova o Direc o Geral de Energia e Geologia Outubro 2007 69 Moler Cleve Numerical Computing with MATLAB cap tulo 8 Society for Industrial and Applied Mathematics 2004 70 Montgomery Douglas C e George C Runger Applied Statistics and Probability for Engineers cap t
78. Nea r Nes Cos L lt onz Nes Nes Ne Figura 4 6 Substitui o das imperfei es geom tricas por um sistema equivalente de for as horizontais 23 O valor de foi obtido de acordo com 5 3 2 3 do EC 3 1 1 como mostrado de seguida Qo X Ap X Am 4 1a 138 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS do 4 1b N S j Qh mas lt an lt 1 0 4 1c 2 3 1 an 05 1 5 4 1d m Na tabela 4 8 s o mostrados os valores utilizados para o c lculo e os valores obtidos com as equa es 4 1 S Valores Utilizados Valores Obtidos m h Po Ah Am Q 1 87 6 0 005 0 214 1 0 00333 Tabela 4 8 Valores utilizados e obtidos para o c lculo das imperfei es de acordo com 5 3 2 3 do EC 3 1 1 O valor de eo a foi considerado por simplifica o na direc o x como metade do deslocamento do topo d e na direc o y como metade do deslocamento do topo dy Momentos de 2 Ordem Para al m das for as calculadas pelo FAST h ainda a considerar os momentos de segunda ordem em x e y na base da torre Vea Ves x e a A y Figura 4 7 Representa o esquem tica dos momentos de segunda ordem 4 1 APRESENTA O DE RESULTADOS 139 Estes momentos s o provocados pelas cargas actuantes no topo e em que o bra os da for a ser o os deslocamentos do topo da torre A figura 4 7 ilustra isso com melhor exactid o Para o c lculo dos momentos de segunda ordem
79. Propriedades da MIT NREL TLP 66 67 Esta plataforma surge na decorr ncia de colabora es entre o MIT e a NREL A plataforma cil ndrica com um balastro com bet o e um sistema de ancoragem composto por quatro pares de cabos traccionados Cada par de cabos est ligado plataforma atrav s de quatro pernas horizontais que se situam na base da plataforma como se pode ver na figura 3 1 66 Apesar desta plataforma garantir o seu equilibro principalmente atrav s do seu sistema de cabos ancorados verticais traccionados tem ainda amortecimento inercial e hidrost tico suficiente para garantir a estabilidade da estrutura durante o transporte e fixa o no local estabelecido com a torre e a turbina j montadas 91 Foi corrida a an lise linear do FAST de acordo com todas as prescri es indicadas no manual 53 tendo sido posteriormente feita uma an lise modal As frequ ncias naturais para os modos principais da estrutura encontram se exibidas na tabela 3 5 3 1 CARACTER STICAS DAS PLATAFORMAS ANALISADAS Modo Frequ ncia Hz Modo Frequ ncia Hz Platform Surge 0 0165 Platform Roll 0 2229 Platform Sway 0 0165 Platform Pitch 0 2211 Platform Heave 0 4375 Platform Yaw 0 0972 1 Tower S S 0 5745 1 Tower F A 0 6311 2nd Tower S S 3 1491 2nd Tower F A 3 0578 103 Tabela 3 5 Frequ ncias naturais da estrutura com a plataforma TLP 67 As frequ ncias naturais obtidas para os modos principais da estrut
80. RTUGU S 37 para a avalia o do potencial energ tico da energia do vento em Portugal Continental 68 Portugal um dos pa ses lideres em termos de penetra o de energia e lica com 17 1 das suas necessidades energ ticas cobertas por quase 4000 MW de produ o e lica instalada em 2010 como se pode ver na figura 1 35 De acordo com a Directiva das Energias Renov veis da Uni o Europeia o objectivo passa por conseguir que a percentagem de consumo el ctrico proveniente da energia e lica chegue aos 31 at 2020 perfazendo um total de 6875 MW de energia e lica instalada 43 Durante o ano de 2010 foram adicionados rede el ctrica portuguesa 345 MW de energia proveniente de fonte e lica elevando a capacidade instalada para os valores registados na figura 1 35 Esse acr scimo deveu se ao surgimento de 21 novos campos e licos A maior concentra o de torres e licas existentes e planeadas situam se sobretudo a norte do pa s como se pode ver na figura 1 34 1 5 2 Panorama Futuro No in cio do ano 2010 o governo portugu s lan ou uma estrat gia para a energia nacional indicando a pot ncia de 8500 MW de energia e lica instalada como a meta a atingir at 2020 dos quais 500 MW seriam instalados offshore No entanto o plano apresentado Comiss o Europeia de acordo com as Directivas de Energia Renov vel da Uni o Europeia contabilizava apenas 6875 MW de energia e lica instalada como meta para 2020 dos quais somente 7
81. S X anchor follower anchor installed Figura 1 24 Esquema de implanta o de ncora de placa 83 furo Forma se assim uma estaca similar em tamanho e forma s ncoras de carga vertical Este tipo de funda es mais confi vel e pode suportar esfor os verticais muito mais elevados do que as ncoras de carga vertical No entanto os seus custos s o elevados pois a sua instala o requer a utiliza o de maquinaria pesada 72 26 CAP TULO 1 INTRODU O 1 4 Estado da arte Como foi previamente referido a profundidade um factor determinante pelo que as diferentes alturas consideradas podem ser consultadas na figura 1 25 As guas pouco profundas s o o local escolhido para a maioria dos projectos offshore actuais havendo apenas 2 projectos de estruturas em profundidades de transi o Existe neste momento apenas um projecto implantado projecto Hywind de demonstra o de design flutuante offshore O projecto Hywind foi lan ado em 2009 na Noruega 73 7 Proven Technology Demonstration Figura 1 25 Estado da tecnologia e lica desde a provada onshore at demonstra o flutuante 73 Para al m do projecto Hywind h que dar evid ncia ainda a outro projecto de torres e licas flutuantes offshore O Windfloat O projecto Windfloat da autoria da Principle Power e ser implantado em Portugal pela EDP como ser referido na sec o 1 5 Com o aumento da profundidade os custos
82. Tp e n o o per odo m dio T pelo que importa referir como foi feita a passagem de T para T A norma DNV RP C205 34 bastante completa neste tema No entanto e como estamos a seguir o IEC61400 3 vamos utilizar a abordagem especificada no seu cap tulo B4 que se baseia numa rela o aproximada equa o 3 5 5 7 T Ty x VIF 3 5a Quando utilizado o espectro de Pierson Moskowitz y 1 pelo que DEAR 3 5b Aplicando a equa o 3 5 aos tr s per odos m dios de onda 5 6 e 7 seg obtiveram se os respectivos per odos de pico 7 1 8 5 e 9 9 seg Refira se ainda que para o estado de mar severo SSS e para os estados de mar extremos ESS em vez de T 5seg gt Tp 7 1seg foi utilizado T 3seg gt Tp 4 2seg A utiliza o de menores per odos de pico teve como objectivo a cria o de espectros de densidade de frequ ncias de Pierson Moskowitz onde a zona mais energ tica do espectro correspondesse a frequ ncias mais altas Deste 120 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO modo a banda de frequ ncias mais energ tica das ondas ficou mais pr xima das frequ ncias caracter sticas de alguns movimentos das plataformas ex roll pitch da TLP como ser visto mais adiante nas sec es 4 1 2 e 4 2 2 de referir no entanto que em Leix es a observa o de per odos m dios de onda entre 3 e 5 segundos corresponde apenas a 14 4 de ocorr ncias 30 31 Quando ocorrem tempestades representadas nesta
83. VENTO 65 e Afun o de probabilidade deve ser de f cil associa o ao regime dos ventos que se deseja simular H duas distribui es de probabilidade que s o usualmente usadas em analises de vento a de Weibull e a de Rayleigh A de Rayleigh baseia se somente num par metro a velocidade m dia do vento U enquanto que a de Weibull se baseia em dois par metros caracter sticos pelo que pode representar melhor uma maior variedade de regimes de vento A Distribui o de Weibull por isso vastamente utilizada para modelar a distribui o de velocidades m dias do vento para per odos de 10 minutos a 1 hora 27 64 Distribui o de Probabilidade de Weibull O uso da fun o densidade probabilidade de Weibull requer o conhecimento de dois par metros um factor de forma k e um factor de escala c Ambos s o fun o da velocidade m dia do vento U e do desvio padr o da intensidade da turbul ncia oy 64 A distribui o densidade probabilidade de Weibull assim definida como p U C e E 2 10 Cc C A fun o probabilidade acumulada de Weibull assim definida como Pratas 2 11 Em que e k ec sao os factores de forma e escala respectivamente e U a velocidade do vento para qual se pretende saber a probabilidade de ocorr ncia poss vel obter os valores de k e c atrav s de express es anal ticas Justus 1978 emp ricas Lysen 1983 e gr ficas Rohatgi e Nelson 1994 64 A tabela
84. a definido por quatro elementos 84 Para as express es referentes aos espectros e integrais de escala nas direc es lateral e vertical consultar 16 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 71 e Amplitude e Tempo de eleva o e M xima varia o de rajada e Tempo de lapso As ac es do vento causadas por rajadas na estrutura da turbina s o assim afectadas por estes quatro factores 84 No entanto o factor mais importante a determinar numa rajada a sua velocidade 64 84 wind En S rd ar ty en 520 D 5 10 15 20 25 30 35 40 time 5 Figura 2 14 Diferen a entre uma rajada estoc stica s lido e uma rajada determin stica pontos 27 A rajada pode ocorrer a qualquer instante de um determinado intervalo de tempo Esta situa o usualmente representada por um factor de rajada G t que o racio entre a velocidade da rajada Ugust t e a velocidade m dia do vento U Este factor est dependente da dura o da rajada t e da Intensidade da Turbul ncia I 64 84 O gr fico da figura 2 16 resulta dos valores obtidos pela formula o de Wieringa usada para determinar o factor de rajada G t com uma determinada dura o t afectado por uma intensidade de turbul ncia longitudinal 7 64 84 A equa o 2 21 define a Formula o de Wieringa para determina o do factor de rajada Gt 1 04xLln 2 21 72 CAP TULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE MN SPE
85. a es roll pitch da ITI t m frequ ncias pr ximas da zona critica Todas as frequ ncias rotacionais roll pitch e yaw da TLP se encontram pr ximas da banda de frequ ncias mais energ tica das ondas 142 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS Deste modo expect vel que sejam obtidos valores mais gravosos para os movimentos referidos das referidas plataformas 4 2 3 Deslocamentos das Plataformas Como seria de esperar a TLP apresenta valores de deslocamento tanto de transla o como de rota o bastante inferiores aos valores de deslocamento da ITI Tal facto deve se sobretudo aos sistemas de ancoragem distintos das 2 plataformas como foi referido anteriormente Enquanto a ITI apresenta cabos de ancoragem em caten ria que permitem uma grande mobilidade da plataforma a TLP apresenta cabos verticais traccionados o que limita bastante os movimentos devido rigidez conferida Acredita se que para valores de pitch roll acima dos 10 a turbina possa perder efici ncia 91 Este apresenta se como o principal facto que explica a maior produ o de energia da turbina instalada na TLP face instalada na ITI Isto pois observando as tabelas 4 2 e 4 3 observamos que os valores de pitch e roll da plataforma ITI s o bastante superiores da TLP ultrapassando em muitos dos casos a fasquia dos 10 Uma TLP n o deve ainda exceder para os movimentos de pitch roll os 5 91 Nos DLC simulados o maior valor obtido para a TLP foi d
86. a o da 68 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE sua velocidade m dia 22 Este aspecto ilustrado nas figuras 2 5 e 2 12 A turbul ncia atmosf rica afecta a convers o de energia principalmente devido as varia es na direc o do vento contudo o seu impacto bastante mais significativo ao n vel dos esfor os a que a turbina fica submetida A componente vari vel do vento pode ainda conter energia significativa em frequ ncias pr ximas das frequ ncias de oscila o da estrutura da turbina e lica Estes motivos levam a que a turbul ncia seja considerada um factor determinante no projecto de turbinas e licas 22 O vento turbulento normalmente decomposto em tr s direc es longitudinal lateral e vertical A componente longitudinal acompanha a direc o proeminente do vento sendo designada por u z t A componente lateral horizontalmente perpendicular componente longitudinal sendo designada por v z t Por ultimo a componente w z t designa a componente vertical do vento turbulento 18 64 Uma medida utilizada para caracterizar a turbul ncia a intensidade da turbul ncia J definida como OU k 2 14 t T 2 14 Onde U representa a velocidade m dia do vento e cy representa o desvio padr o da turbul ncia definido atrav s dos valores da amostra pela equa o 2 15 Ns oy 2 u TU 2 15 Onde N representa o n mero total de medi es da amostra e u repre
87. a altura comprimento per odo e velocidade de propaga o Para al m destes par metros conv m referir a hidrodin mica inerente s plataformas flutuantes Esta pode ser separada em tr s categorias de estudo distintas radia o difrac o e hidrost tica 55 O problema da radia o est focado nas for as devidas movimenta o de um corpo r gido que flutua livremente ou for ado a movimentar se por ac o de for as externas 21 Para al m das for as devidas movimenta o existe ainda a contabiliza o de massa adicional devido acelera o e desacelera o do corpo que leva a que uma parte do volume circundante se mova tamb m uma vez que o corpo e o flu do n o podem ocupar o mesmo espa o simult neamente 67 A difrac o por sua vez foca se na for a exercida pelas ondas incidentes sobre estruturas fixas 84 Por fim a hidrost tica estuda as for as intervenientes em situa es em que o movimento n o considerado sendo inclu da nesta an lise a flutua o do corpo r gido 67 Importa portanto aprofundar e conhecer algumas teorias e par metros aplicados nestes campos 2 3 1 Par metros a Considerar Fundamentalmente existem duas formas distintas de descrever ondas superficiais determin stica e probabil stica 92 A forma determin stica utilizada para descrever ondas em per odos curtos de tempo recorrendo a teorias cl ssicas de ondas Estas teorias cl ssicas por seu tu
88. a o FAST que obede am s indica es prescritas na norma IEC61400 1 para o modelo de vento deste DLC NTM e aos inputs introduzidos pelo utilizador randseeds e velocidades de vento DLC 1 1 Condi es de Vento NTM Velocidades de Vento m s 4 9 14 19 24 Condi es do Mar NSS Velocidades de Corrente m s 0 04 0 09 0 14 0 19 0 24 Alturas de Onda m 1 8 2 6 3 2 3 7 4 2 Per odos de Pico seg Fe DBR O RS Direc o do Vento 0 Direc o de Corrente e Ondas oe Randseeds Consideradas 3 Tabela 3 12 Sumario dos valores introduzidos na analise do DLC 1 1 Durante os 10 minutos de dura o da simula o deste DLC a turbina encontra se a produzir energia normalmente 124 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO 3 5 2 Valores Utilizados no DLC 1 3 Este DLC diferencia se do anterior pelo modelo de vento utilizado Deste modo para o modelo de vento deste DLC ETM a intensidade de turbul ncia superior a considerada no modelo do DLC anterior NTM DLC 128 Condi es de Vento ETM Velocidades de Vento m s 4 9 14519 24 Condi es do Mar NSS Velocidades de Corrente m s 0 04 0 09 0 14 0 19 0 24 Alturas de Onda m 1 8 2 63 3 2 3 754 2 Periodos de Pico seg 7 1 8 5 9 9 Direc o do Vento 0 Direc o de Corrente e Ondas B Randseeds Consideradas 3 Tabela 3 13 Sumario dos valores introduzidos na analise do DLC 1 3 Tal como no DLC anterior a turbina encontra se a produzir en
89. a do fornecimento de energia turbina o que leva o sistema de seguran a a actuar e a orientar as p s para o ngulo m ximo de ataque de 90 de modo a parar o movimento do rotor Foram considerados tr s casos distintos para este DLC uma vez que temos dois eventos importantes a rajada forte e a falha el ctrica Consequentemente foram testados os casos em que a rajada ocorre antes em simult neo e ap s a falha el ctrica A turbina encontrava se a produzir energia normalmente at ocorrer a avaria simulada pelo que a produ o de energia n o se processa durante todo o intervalo de 10 minutos de dura o da simula o deste DLC 3 5 INPUTS DO FAST 127 DLC 2 3 Condi es de Vento EOG Velocidades de Vento m s 9 4 11 4 13 4 25 Condi es do Mar NSS Velocidades de Corrente m s 0 04 0 14 0 24 Alturas de Onda m 1 8 3 2 4 2 Per odos de Pico seg RS ee Oe Direc o do Vento o 0 Direcgao de Corrente e Ondas 0 Randseeds Consideradas 2 Outras Condi es Tr s situa es de falha el ctrica antes durante e depois da rajada Tabela 3 18 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 2 3 3 5 8 Valores Utilizados no DLC 6 1a O modelo de vento utilizado neste DLC EWM que se caracteriza por uma velocidade de vento extrema foi criado com recurso ao Turbsim DLC 6 1a Condi es de Vento EWM Velocidades de Vento m s 47 5 Condi es do Mar ESS Velocidades de Corrente
90. a espectros de densidade o FAST consegue simular as ac es din micas exercidas pelo vento e ondas na estruturas em an lise ao longo do tempo como mostra a figura 2 1 Deste modo o FAST utiliza o espectro de densidade e de Kaimal para a cria o de s ries temporais de vento maior destaque a este mat ria na sec o 2 2 3 e de Pierson Moskowitz para a cria o de s ries temporais de ondas maior destaque a este mat ria na sec o 2 3 4 Para a compreens o destas passagens entre dom nios de frequ ncia espectros de densidade e dom nios de tempo interessa referir o conceito de processos estoc sticos e a forma como estes m todos recorrem a transformadas de Fourier e transformadas inversas de Fourier para execu o dessas passagens 2 1 1 Processos Estoc sticos e Transformadas de Fourier Para um processo determin stico sabemos que para as mesmas condi es O processo se repetir sempre da mesma forma produzindo sempre os mesmos resultados finais Nessas condi es poss vel deduzir uma express o matem tica que traduza inequivocamente o acontecimento No entanto se 51 52 CAP TULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Kaimal z Turbulent wind Irregular sea s Hon anc Figura 2 1 Passagem dos espectros de densidade para valores temporais 65 cada uma das realiza es do processo diferirem entre si ainda que as condi es sejam id nticas ent o o processo
91. a jusante 2 do rotor figura 2 21 Este 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 77 factor definido pelas equa es 2 25 44 Vi Vo i 2 2 a V 2 25a V Vi 1 Qi 2 25b Seja o factor de indu o axial definido como mostram as equa es 2 25 o coeficiente de pot ncia Cp pode ser definido como 44 Cp 4a 1 a 2 26 O valor maximo de Cp determinado derivando a equa o 2 26 em ordem a a e igualando a zero Obt m se assim um valor m ximo de Cp 16 27 para um valorde a 1 3 44 as 06 Ideal power coefficient cp 0 0 2 04 06 08 10 Velocity ratio v2 v Figura 2 22 Gr fico da rela o entre coeficiente de pot ncia Cp e as velocidades antes V e ap s V2 a passagem do vento no rotor 44 Uma vez que Cp o factor adimensional que condiciona o rendimento do aerogerador a rela o expressa pela equa o 2 27 torna se v lida 44 64 Gosen 2 27 Nesta equa o Pm representa a pot ncia mec nica extra da do vento e P a pot ncia total dispon vel no fluxo de vento A pot ncia extra da do vento pela turbina e lica pode ser definida com recurso equa o 2 28 Esta equa o surge da combina o entre as equa es 2 24 e 2 27 1 3 Pm Par r U 2 vento Cp 2 28 78 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Ac o exercida sobre o rotor A ac o exercida pelo vento quando a turbina se encontra em funcioname
92. a outra no eixo das abcissas motivo pelo qual X Y uma vari vel aleat ria bidimensional discreta Posteriormente calculada a probabilidade dos acontecimentos em simult neo ou seja uma determinada probabilidade de ocorr ncia de um qualquer valor de X Y Hist rico Out 1999 gt Mar 2009 Ultimo Inverno Out 2009 gt Mar 2010 INDICE NAO 3 220 240 260 280 300 320 340 DIREC O M DIA Figura 2 3 Exemplo de gr fico de dispers o com a direc o m dia dos temporais representada nas abcissas e os padr es de circula o atmosf ricos representados nas ordenadas atrav s do NAO North Atlantic Oscillation 38 Como se utiliza mais do que uma vari vel aleat ria para al m da probabilidade conjunta interessa ainda distinguir a probabilidade de cada vari vel X e Y individualmente Deste modo 70 81 fx fxy 2 9 V ver 2 4a y fy u X fxy y V yEeR 2 4b As vari veis fx x e fy y representam as Fun es de Probabilidade Marginais de X e Y respectivamente 56 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Como foi previamente referido a velocidade do vento tem influ ncia na altura de onda pelo que as vari veis aleat rias X e Y podem ser consideradas dependentes Deste modo as probabilidades de ocorr ncia dos valores associados vari vel aleat ria X condicionam as probabilidades de ocorr ncia dos valores associadas a vari vel aleat ria Y Este conceito in
93. a perturba o ao escoamento quase estacion rio caracterizado por uma velocidade m dia 22 A zona mesometereol gica est associada a frequ ncias baixas correspondendo a maiores per odos de tempo estando relacionada com o movimento de grandes massas de ar ver a sec o 2 2 2 A zona micrometerol gica est associada a frequ ncias mais elevadas correspondendo a per odos muito curtos de tempo estando profundamente ligada a turbul ncia ver a sec o 2 2 3 22 2Classifica se como Quase Estacion rio no sentido em que as varia es s o lentas quando comparadas com as varia es associadas turbul ncia este assunto ser tratado com mais destaque em 2 2 2 e 2 2 3 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 61 Mesomete orological Micrometeorological Range Range Turbulence Spectral g Pe gap 4 Strong wind Period 1 year 4days 12hours 1 hour 1 minute 1 second Figura 2 6 Espectro de frequ ncias do vento ao longo de uma grande gama de valores de frequ ncia 84 Varia o da Velocidade com Altura Nos problemas relacionados com o aproveitamento da energia e lica frequente apresentar se a distribui o da velocidade com a altura utilizando se os modelos da Lei Exponencial e da Lei Logar tmica A Lei Exponencial o modelo mais simples apresentando assim a vantagem da sua f cil utiliza o Contudo os resultados obtidos n o possuem a mesma precis o da Lei Logar tmica 61 A Lei Exponencial e
94. a plataforma a rodar em z num sentido e o vento ao incidir no rotor influenciar o topo da torre de sustenta o a rodar no sentido de z oposto provocando assim elevados valores de tor o N o nos podemos esquecer que para al m dos esfor os obtidos atrav s das simula es temos ainda de contabilizar os esfor os devidos s imperfei es e momentos de 22 ordem referidos em 4 1 5 facto que torna os esfor os ainda mais gravosos 4 2 5 Verifica o de Seguran a A parte 3 1 do Euroc digo 3 24 especifica para torres mastros e chamin s Da an lise norma referida ser o de seguida enunciadas algumas das mais importantes obriga es estabelecidas De acordo com e 1 7 A conven o dos eixos da sec o transversal deve ser definida de acordo com o EC 3 1 1 e 3 1 1 As exig ncias e propriedades do a o estrutural devem estar de acordo com o EC 3 1 1 e 5 1 1 e 2 Os esfor os internos e momentos devem ser determinados utilizando uma an lise el stica global de acordo com o EC 3 1 1 algo que foi feito com recurso ao FAST e 6 1 1 Os coeficientes parciais de seguran a ymo e ym ser o iguais a 1 e 6 2 A classifica o das sec es transversais deve ser feita de acordo com 5 5 2 do EC 3 1 1 A grande maioria dos pontos referidos t m como refer ncia o EC 3 1 1 No EC 3 1 1 ainda indicado em 5 2 2 7a que Quando os efeitos de segunda ordem e as imperfei es em cada elemento est o tota
95. aboram se o espectros de densidade do vento para uma defini o mais focada A vantagem dos espectros baseia se no facto da informa o se encontrar disponibilizada no dom nio da frequ ncia Deste modo as faixas de frequ ncia associadas a um n vel superior de energia s o imediatamente identificadas possibilitando que a turbina possa ser projectada de modo a evitar que as frequ ncias caracter sticas dos seus modos pr prios de vibra o se situem nessas faixas 22 Os espectros de Von Karman e Kaimal s o os mais utilizados baseando se na velocidade m dia do vento U na intensidade de turbul ncia 7 e num integral de escala do comprimento do espectro Ly 84 ou Desvio Padrao da Turbul ncia m s Ly Integral de Escala do Comprimento m U Velocidade M dia do Vento m s f Frequ ncia Hz Tabela 2 3 Grandezas de interesse para os espectros de densidade do vento 84 O espectro de Von Karman da uma boa descri o da turbul ncia em t neis de vento enquanto o espectro de Kaimal d um melhor ajuste para observa es emp ricas de turbul ncia atmosf rica Acredita se que o espectro de Von Karman possa dar uma boa representa o da turbul ncia atmosf rica para altitudes superiores a 150 metros tendo no entanto algumas defici ncias em altitudes mais baixas 16 70 CAP TULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Von Karman SKarman f 2 16 Kaimal p 2 U ET S50 ke a f L
96. ada nao sofrem deforma es e por poderem ter associados a si massas localizadas No entanto negligenciar as deforma es de todos os corpos leva a uma incurs o em erros pelo que h a possibilidade de alguns corpos serem considerados flex veis deform veis 12 Os corpos r gidos s o unidos por meio de liga es H in meras possibilidades de elementos a considerar nas liga es desde sistemas de controle a 58 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE actuadores como mostra a figura 2 3 Estes elementos imp em ou introduzem dependendo dos casos restri es aos movimentos e carregamentos nos corpos do sistema 12 O FAST possibilita a considera o de um m ximo de 24 graus de liberdade GDL como mostra a figura 1 41 na sec o 1 7 3 O programa de c lculo possibilita ainda que de entre a totalidade dos GDL pass veis de considera o sejam considerados apenas os GDL relevantes para a an lise que se pretenda efectuar Excep o feita aos modos de flex o da torre e p s do rotor em todos os outros GDL poss vel a ocorr ncia de grandes deslocamentos sem perda de precis o do c digo FAST 55 As p s e a torre foram modelados como elementos flex veis sendo assumidos pequenas deforma es em cada elemento A flexibilidade desses membros foi definida atrav s da introdu o de diferentes valores de rigidez ao longo do desenvolvimento desses elementos Tamb m as propriedades de massa dos refe
97. adura cr ticas o factor C igual a 1 para cilindros de comprimento m dio Sendo um cilindro considerado de comprimento m dio para a an lise das tens es de corte quando se verifica a equa o 4 22 10 lt w lt 8 7 4 22 Para o caso considerado s o satisfeitas as equa es 4 20 e 4 22 estando os valores dos factores Cz C e w tabelados na sec o C 1 Com base nos valores dos factores C e C podem ser calculadas as tens es el sticas cr ticas de encurvadura o Rer Txo Rer definidas respectivamente em 1 2 1 3 e 1 4 1 3 do EC 3 1 6 refira se que nas equa es seguintes o m dulo de elasticidade do a o representado pela letra E t Ts Rer 0 605 E Ce 4 234 1 t Tx0 Rer 0 75 E C 4 4 23b W r Os par metros de encurvadura a 8 e 7 bem como da esbelteza relativa de esmagamento squash limite A encontram se definidos em D 1 2 2 do EC 3 1 6 para a direc o meridional e em D 1 4 2 do EC 3 1 6 para a direc o tangencial D 1 2 2 Par metros de encurvadura meridional Og Og Ne Axo 0 5 0 6 1 0 0 2 D 1 4 2 Par metros de encurvadura de corte Qr Br Nr Aro 0 75 0 6 1 0 0 4 Tabela 4 10 Par metros de encurvadura utilizados na an lise Encontram se reunidas as condi es necess rias verifica o do Estado Limite de Encurvadura do EC 3 1 6 atrav s da equa o 4 11 os valores obtidos est o tabelados na sec o C 1 Cap tulo 5 Conclus es 5 1 Conc
98. al para condi es severas Esta altera o procurou que para os mesmos valores de vento V associados as respectivas probabilidades de ocorr ncia fossem considerados valores de altura de onda H mais gravosos que representassem assim um estado de mar severo SSS A figura 3 8 d conta disto mesmo Note se que a m dia ponderada das velocidades de ventos V como seria de esperar manteve se em 8 8 m s enquanto que a m dia ponderada do valor de altura de onda aumentou para 3 4 m Os DLC 6 x e 7 x exigem ainda a utiliza o para o mar das grandezas H e Hsso e para o vento das grandezas V ef Vi e Vso Os valores dos par metros de convers o k e k2 encontram se definidos na tabela 3 11 de acordo com o disposto na norma IEC61400 3 Estado de Mar Extremo ESS Estado d Vento Extremo EWM k Ha m Hsso m k Vref m s Vi m s Vo m s 1 09 9 7 11 2 0 95 50 50 AO Tabela 3 11 Grandezas e parametros para EWM e ESS De acordo com 6 4 1 5 de IEC61400 3 para uma condi o de estado de mar extremo ESS Hs representa a altura de onda extrema com um per odo de recorr ncia de 1 ano e H so representa a altura de onda extrema com um per odo de recorr ncia de 50 anos Na nossa an lise H foi considerada igual ao valor maximo da altura de onda registada pelo IH para o local e previamente referido na sec o 2 3 2 assim assumimos H 9 7 m Quanto a H 59 foi considerado na nossa an lise que seria 15
99. alada Deste modo importa identificar as principais caracter sticas da turbina torre e plataformas Uma vez que qualquer rea geogr fica tem caracter sticas especificas que as distinguem das demais importa ainda definir as ac es escolhidas para simular t o fielmente quanto poss vel a zona de implanta o considerada 3 1 Caracter sticas das Plataformas Analisadas a MIT NREL TLP b ITI Energy Barge Platform Figura 3 1 Diferentes plataformas em an lise 66 99 100 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO Refira se que o termo draft descrito nas tabelas 3 1 e 3 4 refere se ao comprimento medido na vertical desde a linha de gua at ao limite inferior da plataforma Ainda nas tabelas 3 1 e 3 4 a dist ncia aos cabos de ancoragem medida na horizontal do centro de gravidade da plataforma at zona de liga o dos cabos plataforma e o raio de influ ncia das plataformas medido na horizontal do centro de gravidade da plataforma at ncora mais distante ver figura 1 21 3 1 1 ITI Energy Barge Platform A ITI Energy Barge Plataform como o nome indica uma plataforma flutuante do tipo barge embarca o Deste ponto da disserta o em diante a ITI Energy Barge Platform que pode ser vista na figura 3 1 b ser referenciada somente por ITI S o apresentadas na tabela 3 1 algumas caracter sticas desta plataforma 13 66 Dimens es da Plataforma C x L x Hj Pn 40 x 40 x 10 Dimens e
100. almente mais pesada e consequentemente mais cara de se construir Uma barge est geralmente mais susceptivel a maiores carregamentos das ondas o que prejudicar a resposta da estrutura 17 Como foi mencionado anteriormente o design da turbina influenciado pela escolha da plataforma Para al m disso as plataformas apoiam se em tr s categorias de estabiliza o pelo que tem de haver um equilibro das vantagens e desvantagens de cada categoria 1 3 4 Cabos de Ancoragem As plataformas flutuantes t m a particularidade de transmitir os seus esfor os por diferentes sistemas de ancoragem que por sua vez descarregam nas funda es Os sistemas de ancoragem s o formados por diferentes tipos de cabos de ancoragem 85 Os tipos de cabos de ancoragem podem ser de ancoragem em caten ria catenary mooring com cabos traccionados taut leg mooring e com ancoragem vertical vertical tension leg mooring Os cabos de ancoragem verticais s o por 20 CAP TULO 1 INTRODU O a Ancoragem em caten ria e em cabos b Ancoragem vertical 92 traccionados 72 Figura 1 21 Diferentes solu es de cabos de ancoragem 72 92 vezes considerados como um subgrupo das ancoragens de cabos traccionados Os cabos de ancoragem s o as estruturas usadas para transmitir os esfor os nos sistemas de ancoragem e podem ser feitas de amarras de a o cabos de a o ou cabos de poli ster 19 72 O sistema de ancoragem tem como objectivo c
101. amento do fluxo de vento 61 Presen a de Obst culos e Efeito de Sombra Os obst culos t m uma influ ncia significativa na diminui o da velocidade do vento e s o fontes de turbul ncia na sua vizinhan a como se pode ver na figura 2 7 O escoamento influenciado por v rios factores do obst culo como a forma dos obst culos a dist ncia entre eles a sua porosidade etc 22 61 High turbulence Figura 2 7 Consequ ncias da presenga de um obstaculo no fluxo do vento 64 A figura 2 7 mostra o modo como o escoamento afectado na area posterior ao obst culo podendo verificar se que para al m da cria o de uma zona turbulenta que se pode estender at cerca de tr s vezes a altura do obst culo hs ha tamb m uma diminui o da velocidade do vento e consequentemente da energia dispon vel 22 64 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 63 O Efeito de Sombra refere se aos efeitos provocados pela passagem do vento na torre Tal como qualquer obst culo a torre tamb m provocar uma descida da velocidade e um aumento da turbul ncia a jusante da torre Esta perturba o no fluxo do vento um dos principais motivos da maior utiliza o das turbinas upwind em rela o s turbinas downwind uma vez que estando as pas da turbina downwind atr s da torre as p s v o ser afectadas pelo efeito de sombra o que provoca uma diminui o da produ o de energia da turbina e vibra es nas p s que se alastram para
102. an lise por estados de mar extremos e severos o per odo m dio de onda T aumenta 30 31 Consequentemente para uma representa o do local poderia ter sido feita uma an lise alternativa em que se contabilizassem per odos m dios de onda superiores e n o inferiores como foi feito nesta an lise pelos motivos previamente referidos 3 5 INPUTS DO FAST 121 3 5 Inputs do Fast De acordo com o que foi referido na sec o 3 3 3 o IEC61400 3 prescreve diferentes dura es das simula es dependentemente das condi es consideradas em cada DLC A dura o das simula es alterada no FAST atrav s da altera o do input Tmax no primary input file ver figura 3 9 Primary ADAMS Primary spic Linear Covered 7 e FAST to ADAMS Preprocessor Time Summary Summary Element Figura 3 9 Ficheiros de input e de output do FAST 53 Ventos Como foi foi dito anteriormente o Turbsim foi utilizado para criar modelos de vento turbulentos ETM EWM e NTM enquanto que o ECwind foi usado para criar modelos de vento determin sticos ECD EOG e EWS No caso dos ventos turbulentos necess rio definir randseeds para a gera o de ventos turbulentos aleat rios apartir do espectro de densidade de Kaimal Essas randseeds foram alteradas no ficheiro a introduzir no Turbsim Os modelos de vento s o colocados na pasta Winddata como ficheiros primary ou wind dependendo dos casos O Aerody
103. ancy Mooring Line Stabilized CMA Stabilized Welghted Water plane Dutch TLP Area Tri floater Figura 1 20 Esquema em tri ngulo dos v rios m todos de estabiliza o de plataformas flutuantes 17 1 3 PLATAFORMAS FLUTUANTES 19 1 3 3 Compara o entre Plataformas Flutuantes Apresentam se as vantagens e desvantagens relativas de cada categoria de estabiliza o na tabela 1 1 Caracter stica Flutua o Ancoragem Balastro C lculo e Design Complexidade Custo do Tanque de Flutua o Complexidade Custo dos Cabos de Ancoragem Complexidade Custo do Sistema de Funda es Complexidade Custo do Transporte Simplicidade de Instalagao no Local Desinstala o e ou Manuten o Resist ncia Corros o Independ ncia da Profundidade Sensibilidade s Condi es do Fundo Oc anico Menor rea de Influ ncia aS Sensibilidade as Ondas Peso da Turbina Deslocamentos do Topo da Torre Complexidade dos Sistemas de Controlo Tabela 1 1 Pr s e contras da escolha de diferentes sistemas de estabiliza o de plataformas flutuantes offshore O sinais representam 17 vantagem relativa desvantagem relativa factor neutro Uma TLP capaz de ser a plataforma que proporciona maior estabilidade e consequentemente ter menor impacto na din mica da turbina Uma Spar Buoy ger
104. angentemente aceites a n vel da industria com lan amentos de publica es da DNV e da GL mas com principal destaque para a norma internacional IEC 61400 1 Design Requirements for Wind Turbines da IEC 46 Mais recentemente come aram a surgir tamb m normas e pr ticas recomend veis para turbinas offshore lan adas pela DNV GL e pela IEC que lan ou a norma internacional IEC61400 3 Design Requirements for Offshore Wind Turbines 47 utilizada nos cap tulos subsequentes desta disserta o mas que se encontra ainda sob a forma de Draft As pr ticas recomend veis e normas para turbinas e licas offshore actualmente disponiveis s o 76 77 e DNV OS J102 Design and Manufacture of Wind Turbine Blades Offshore and Onshore Wind Turbines October 2006 e GL Wind Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines 2005 e DNV Design of Offshore Wind Turbine Structures OS J101 2004 e Danish Recommendation for Technical Approval of Offshore Wind Turbines 2001 e GL Regulations for Offshore WECS 1995 Existem no entanto muitas outras normas e praticas recomendaveis da industria petrol fera e de gas que podem servir de base para o projecto de estruturas offshore flutuantes ou fixas ao fundo oc anico das quais se destacam 76 77 e API RP 2SK Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures 2005 e ISO 19902 Fixed Steel Offshore Structures 2004 1 7 NORMAS E SO
105. apresentados nas tabelas 4 6 e 4 7 foi considerado por simplifica o que o centro de massa do conjunto nacelle mais rotor vector Vga representado na figura 4 7 se situa ao longo da linha indeformada apesar disso n o corresponder verdade O valor de Vga foi obtido multiplicando a massa total do conjunto nacelle mais rotor consultar a tabela 3 7 para ver os valores de massa destes componentes pelo valor da acelera o da gravidade 140 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS 4 2 An lise e Discuss o dos Resultados 4 2 1 Energia Produzida O tempo total de simula es de todos os DLC em que ocorre produ o de energia DLC 1 x e 2 x igual a 5938 minutos o que equivale a sensivelmente 4 dias H que referir no entanto que para os DLC 2 1 e 2 3 devido ocorr ncia da avaria a produ o de energia n o se desenvolve durante todo o tempo de simula o Em qualquer dos DLCs considerados nesta an lise a produ o el ctrica m dia do gerador da turbina instalada na plataforma TLP superou a produ o el ctrica da turbina instalada na plataforma ITI No totalidade das simula es referidas e em 4 dias como foi dito o gerador instalado na TLP produziu mais 4637 kWh do que o instalado na ITI Os 4637 kWh a mais produzidos no per odo temporal referido correspondem a uma produ o energ tica 1 5 superior na TLP em rela o na ITI N o sabemos ao certo qual a probabilidade de ocorr ncia dos casos simulados em ca
106. ard e de London Array com data final de execu o prevista para o fim de 2012 este ultimo espera se que venha a tornar se no maior parque e lico offshore do mundo de referir que o maior parque e lico offshore em pot ncia total instalada no mundo at data o Thanet tamb m no Reino Unido seguido do campo de Horns Rev Il na Dinamarca 2 3 5 6 A grande maioria dos campos e licos offshore em opera o situam se ao largo da costa do Reino Unido e da Dinamarca come ando no entanto a surgir campos e licos offshore um pouco por todo o mundo 60 A empresa de turbinas Repower ergueu em 2010 6 turbinas de 5 MW no primeiro parque e lico offshore na B lgica denominado Thornton Bank A EDP p s Portugal em refer ncia neste contexto ao estar em conjunto com a Principle Power a instalar a norte do pa s o projecto Windfloat como ser mostrado na sec o 1 5 85 Os EUA s o lideres mundiais em pot ncia total de energia e lica onshore instalada no entanto n o t m at ao momento campos e licos offshore Apesar disso encontram se em fase de planeamento e licenciamento cerca de 20 projectos em territ rio americano perfazendo um total de cerca de 2000 MW de pot ncia total instalada 73 1 4 2 Turbinas E licas Offshore em guas Pouco Profundas Os monopilares s o usados em guas pouco profundas pois s o estruturas simples e as altera es na turbina da passagem da terra para o mar s o m nimas Para al m disso a
107. as grandezas de vento e ondas com per odos de recorr ncia de 50 anos Vso e Hs50 consideram se as grandezas de vento e ondas com per odos de recorr ncia de 1 ano Vi e Hs A turbina n o se encontra em funcionamento estando o rotor parado com todas as p s em regime de trav o dispostas no seu ngulo de ataque m ximo de 90 3 5 INPUTS DO FAST 129 Sendo considerado um estado de mar extremo ESS a dura o da simula o de 60 minutos DLC 6 3a Condi es de Vento EWM Velocidades de Vento m s 38 Condi es do Mar ESS Velocidades de Corrente m s 0 38 Alturas de Onda m 10 6 Per odos de Pico seg 4 2 8 5 9 9 Direc o do Vento 0 20 Direc o de Corrente e Ondas G E Randseeds Consideradas 2 Outras Condi es Turbina desalinhada com a direc o principal do vento Tabela 3 21 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 6 3a 3 5 11 Valores Utilizados no DLC 7 1a Este DLC considera a possibilidade do vento incidente sobre o rotor ter ngulos de desalinhamento iguais aos do DLC6 1 Para al m disso os input de ondas e vento s o semelhantes ao DLC6 3 A dura o das simula es deste DLC de 60 minutos por ser considerado um estado de mar extremo ESS DLC Tia Condi es de Vento EWM Velocidades de Vento m s 38 Condi es do Mar ESS Velocidades de Corrente m s 0 38 Alturas de Onda m 10 6 Per odos de Pico seg 4 2 8 5 9 9
108. as turbinas s o projectadas para atingirem a pot ncia m xima para velocidades do vento na ordem dos 10 aos 15 m s Rated Wind Speed descrito na sec o 2 2 7 22 A energia dispon vel para ser captada pela turbina e lica corresponde energia cin tica associada coluna de fluxo de ar que passa pela rea varrida pelo rotor como mostra a figura 2 20 64 AN Fir SA Figura 2 20 Passagem de ar pelo rotor em que A representa a rea do rotor e U a velocidade do vento 64 Da equa o da continuidade da Mec nica de Flu dos o fluxo de massa dm dt que passa na rea de varrimento do rotor 4 fun o da densidade do ar par da velocidade do vento U assumida uniforme como mostra a equa o 2 23 64 dm L pm r 2 2 Fn p U 2 23 Uma vez que a pot ncia P uma grandeza que determina a energia neste caso cin tica obtida por unidade de tempo a seguinte rela o descrita na equa o 2 24 v lida 64 dE 1 dm 1 P 2 to par ArU dt 2 dt Cento 2 P U 2 24 Da equa o 2 24 conclu se que a pot ncia dispon vel para ser captada no vento proporcional 76 CAP TULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE e densidade do ar par e Ao quadrado do di metro D da rea de varrimento das p s do rotor A r D 4 e Ao cubo da velocidade do vento U Este o motivo que explica a necessidade de coloca o das turbinas e licas em locais onde a velocidad
109. av s do ngulo de desvio em rela o ao eixo dos x no plano xy Este ngulo introduzido no programa atrav s do input NacYaw no primary input file do FAST e 5 representa a direc o de incid ncia das ondas e corrente medida atrav s do ngulo de desvio da ac o incidente em rela o ao eixo dos x no plano xy Este ngulo introduzido no programa atrav s do input WaveDir para as ondas e CurrNSDir para as correntes ambos no platform file do FAST Condi es Especiais e Avarias Estes fen menos foram simulados segundo a experi ncia de Jonkman 55 de modo a cobrirem as falhas e avarias com maior probabilidade de ocorr ncia Uma vez que a turbina n o tem programadas rotinas de inicio de funcionamento todas as simula es em que a turbina est em funcionamento DLC 1 x e 2 x tiveram um acr scimo de dura o de 30 segundos para que os outputs do FAST s fossem lidos 30 segundos depois do inicio da simula o 55 Deste modo n o s o contabilizados efeitos exteriores an lise pretendida durante o tempo em que os sistemas de controlo da turbina ainda est o a adaptar a sua disposi o para as ac es simuladas As simula es de avaria efectuadas para os DLC em que a turbina est em funcionamento DLC 2 x levam invariavelmente a que os sistemas de controle cessem o funcionamento do rotor e consequentemente paragem da produ o de energia Para os DLC em que a turbina n o se encontra em funcionamento DLC 6
110. ave Densidade Espectral m 2 5 Ww Roll Pitch Yaw 1 Modo Torre 2 Modo Torre Frequencia Hz Figura 4 3 Espectro de densidade do mar de Pierson Moskowitz e frequ ncias naturais da ITI 6 Surge Sway Yaw Roll Pitch Tp 9 4 seg Hs 2 05 m w Tp 7 1seg Hs 2 5m Tp 8 5 seg Hs 2 5 m m Tp 9 9seg Hs 2 5m Surge Sway Heave Roll Pitch Densidade Espectral m 2 s we Yaw 1 Modo Torre 2 Modo Torre Frequencia Hz Figura 4 4 Espectro de densidade do mar de Pierson Moskowitz e frequ ncias naturais da TLP 134 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS 4 1 3 Deslocamentos das Plataformas S o apresentados nesta sec o os valores m ximos de deslocamentos de cada uma das plataformas nas direc es descritas na sec o 1 3 1 para cada um dos DLC estabelecidos no IEC61400 3 simulados neste trabalho DLC Surge m Sway m Heave m Roll Pitch Yaw 1 1 44 4 5 1 3 0 2 4 TA 12 2 1 3 45 8 5 9 3 0 2 6 7 6 15 1 1 4 46 6 I 1 8 0 8 5 3 11 8 1 5 40 7 2 6 1 8 1 1 4 6 8 2 1 6a 45 3 5 9 4 0 4 5 11 6 16 3 2 1 44 4 7 2 2 9 3 0 11 6 41 2 2 3 43 1 2 6 1 8 1 0 5 3 2 8 6 1 16 4 31 5 2 1 8 6 15 9 26 5 6 2 46 1 37 5 2 1 22 6 15 8 42 9 6 3 15 9 30 2 1 8 13 6 13 7 25 4 Ta 30 1 9 0 1 7 11 0 9 1 15 1 Tabela 4 2 Valores m ximos de deslocamento da ITI obtidos para cada um do
111. c nicas passando por estruturas em treli a at estruturas pr esfor adas As torres estudadas neste trabalho ser o c nicas com sec o circular oca em a o A escolha recai nestas torres uma vez que podem ter espessuras reduzidas mantendo assim a resist ncia e sendo mais leves quando comparadas com as de bet o 1 2 2 Componentes Uma turbina e lica um mecanismo tecnol gico bastante avan ado contando por isso com um elevado numero de componentes Entre eles focaremos a seguir os mais importantes para a compreens o do trabalho elaborado A figura 1 11 ilustra alguns desses componentes 1 2 TURBINAS E LICAS 11 1 P s do rotor 2 Cubo do rotor Hub 3 Cabina 4 Rolamento do eixo das pas 5 Veio do rotor 6 Caixa de velocidades 7 Trav o de disco 8 Veio do gerador 9 Gerador 10 Anem metro e sensor de direc o 11 Sistema de controlo 12 Sistema de rolamentos esf ricos 13 Sistema de orienta o direccional 14 Sistema hidr ulico 15 Cobertura da cabina 16 Torre Figura 1 11 Principais componentes de uma turbina e lica 37 Torre As torres constituem um elemento necess rio para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o seu funcionamento isto de forma a que a velocidade do vento seja maior e menos perturbada por factores como a rugosidade do terreno ao n vel do solo Apresentam se na figura 1 12 diferentes tipos de torre a Torre treligada em
112. cer os desenvolvimentos neste campo cujos marcos hist ricos principais ser o evidenciados de seguida 1 4 1 Breve Resumo Hist rico da Energia E lica Offshore O primeiro parque e lico a ser constru do foi o parque Irene Vorrink na Holanda em 1996 com 28 turbinas e uma pot ncia total instalada de 16 8 MW 85 28 CAP TULO 1 INTRODU O O campo e lico offshore Blyth marcou a entrada do Reino Unido nesta rea estando em opera o desde 2000 A instala o das duas turbinas de 2MW da Vestas foram patrocinadas em parte pela UE uma vez que a instala o estava inserida num projecto cientifico de monitoriza o do funcionamento destas turbinas OWTES Offshore Wind Turbines at Exposed Sites que na poca eram as mais potentes a funcionar em ambiente offshore 84 As turbinas instaladas em Blyth foram as primeiras a experimentar a for as de ondas extremas que caracterizam o Mar do Norte Reuniam deste modo as condi es ideais de estudo de carregamento de ondas num ambiente extremamente agressivo 45 O projecto de monitoriza o foi conclu do em 2003 e originou um grande n mero de relat rios e bases de dados que viriam a ser bastante teis para projectos futuros como por exemplo o campo e lico offshore de Horns Rev 84 Ainda em 2000 criado o campo e lico offshore de Utgrunden na Su cia Este campo composto por 7 turbinas de 1 5 MW da Tacke agora GE e localiza se no Mar B ltico Apesar do mar do B ltic
113. chnology September 2007 18 Camarinha Ricardo M de Matos Apontamentos sobre a Ac o Longitudinal do Vento em Edif cios Altos Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura Instituto Superior T cnico 2009 19 Carbono Alonso Joaquin Juvinao Otimiza o da Disposi o de Linhas de Ancoragem Utilizando Algoritmos Gen ticos Tese de Mestrado Departamento de Engenharia Civil Pontificia Universidade Cat lica do Rio de Janeiro Setembro 2005 20 Cardoso J B J M Paix o Conde F F S C Salvado R Amaral e A R Ramos Projecto da Plataforma para uma Turbina E lica Offshore In 5 Jornadas Portuguesas de Engenharia Costeira e Portu ria 2007 21 Carvalho Edson Rodrigues An lise Din mica de Sistemas Solo Fluido Estrutura pelo M todo de Elementos de Contorno Tese de Doutoramento Faculdade de Engenharia Mec nica Universidade Estadual de Campinas 1995 22 Castro Rui M G Introdu o Energia E lica Instituto Superior T cnico 42 edi o Mar o 2009 23 CEN Euroc digo 3 Projecto de Estruturas de A o Parte 1 1 Regras Gerais e Regras para Edificios 2005 24 CEN Eurocode 3 Design of Steel Structures Part 3 1 Towers Masts and Chimneys 2006 25 CEN Eurocode 3 Design of Steel Structures Part 1 6 Strength and Stability of Shell Structures 2007 26 CHASTRE RODRIGUES Carlos Manuel Rua Abel Salazar N 20 818 Lisbon P 1600 PT DA GUIA LUCIO V lter Jos Al
114. ciais geradas pelo vento De acordo com 6 4 2 2 do IEC61400 3 a velocidade das correntes superficiais deve variar linearmente com a express o U z desde o nivel da superficie do mar com valor de velocidade U 0 at uma profundidade de 20 m onde a velocidade deve ser nula As equa es 3 1 indicam a forma de c lculo das velocidades de corrente referidas U z Ue 0 1 50 3 1a U 0 0 01Vi_hora z 10m 3 1b O valor Vi_hora z 10m refere se ao valor m dio do vento em 1 hora medido a uma cota de 10 metros acima do nivel das agua do mar Caso n o seja indicado pelo DLC o contr rio as correntes superficiais geradas pelo vento devem ser consideradas co direccionais com o vento consultar 6 4 3 da IEC61400 3 para mais informa es sobre os n veis do mar a considerar consultar 6 4 2 da IEC61400 3 para mais informa es sobre as correntes a considerar 110 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO 3 3 3 Simula o das Combina es de Ac es De acordo com o esquema de procedimento de c lculo aconselhado no IEC61400 3 e apresentado na figura 3 2 ap s definidas as ac es actuantes necess rio que sejam simuladas as combina es de ac es Load and Load Effect Calculations 7 5 do 1EC61400 3 As condi es exigidas pela norma em quest o para cada combina o de ac es e explicitadas na tabela 3 8 s o introduzidas no FAST atrav s dos inputs que ser o referidos com mais pormenor na sec o 3 5
115. corte 1 se lt Xo RE Tea hk CN ee hi s 8 SME NS A 4 16 S se p lt A O valor do esbelteza relativa plastica limite obtido de acordo com 8 5 2 5 do EC 3 1 6 atrav s da equa o 4 17 onde alpha e beta s o dados na sec o C 1 As a 4 17 Os par metros relativos de esbelteza da casca para as diferentes componentes da tens o s o definidos nas equa es 4 18 de acordo com o estabelecido em 8 5 2 6 do EC 3 1 6 Xe 4f fuk 4 18a Ox Rer Ev Suk Sql o 4 18b v3 Tx0 Rcr Para a determina o das tens es el sticas cr ticas de encurvadura ogr Rer Tx6 Rer utilizaram se por simplifica o as express es do anexo D do EC 3 1 6 Os mesmos est o dependentes de um par metro de comprimento adimensional w definido em D 1 2 1 2 D 1 3 1 2 e D 1 4 1 2 do EC3 1 6 como DB l lr l U SS ryt Vrt O EC 3 1 6 define em D 1 2 1 4 que para uma an lise das tens es meridionais 4 19 152 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS de encurvadura cr ticas um cilindro considerado de comprimento longo quando se verifica a equa o 4 20 m w gt 0 oy 4 20 Sempre que o cilindro seja considerado de comprimento longo o factor C definido como o maior de 0 2 Crb Em que C tomou o valor de 3 de acordo com 1 2 1 6 do EC 3 1 6 Gai 2 A 0 60 4 21 O EC 3 1 6 define em D 1 4 1 4 que para uma an lise das tens es de corte de encurv
116. da um dos DLC ou durante quanto tempo estamos perante os casos simulados em cada um dos DLC Essas informa es seriam relevantes para o c lculo de uma m dia ponderada que transmitisse uma ideia correcta da quantidade de energia que de facto a turbina instalada na TLP iria produzir a mais que a turbina instalada na ITI No entanto e uma vez que a TLP produz mais energia que a ITI em cada um dos DLC especificados no IEC 61400 3 pod amos no limite pensar numa produ o anual linearmente proporcional produ o energ tica obtida na totalidade das simula es consideradas Deste modo considerando que a produ o energ tica da TLP 1 5 superior produ o energ tica da ITI ao final de um ano a TLP teria produzido quase mais 414 5 MWh de energia do que a ITI De acordo com a EDP 8 um cliente residencial tem um consumo de energia m dio anual de 3213 kWh Pelo que e de acordo com os pressupostos previamente referidos a produ o energ tica da turbina e lica quando instalada na TLP permite satisfazer as necessidades energ ticas de mais 129 clientes habitacionais do que quando instalada na ITI O facto da turbina instalada na TLP produzir mais energia parece prender se com o facto das movimenta es desta plataforma serem menores do que as da plataforma ITI como ser visto adiante 4 2 2 Frequ ncias Os dois factores determinantes da an lise vento e ondas s o caracterizados por terem picos energ ticos em frequ
117. dade Pagua Densidade da gua Par Densidade do ar c Desvio padr o da velocidade do vento cota da hub na direc o longitudinal IEC61400 1 cy Par metro n o dimensional de pico do espectro de densidade de JONSWAP oy Desvio padr o da intensidade da turbul ncia amp ngulo de escoamento da pa n ngulo de fase w Frequ ncia angular wp Frequ ncia angular de pico espectral A Amplitude de onda A Factor de normaliza o do espectro de densidade de JONSWAP An Amplitude A rea de varrimento das p s do rotor gt rea projectada da torre perpendicularmente ao fluxo de ar Factor de escala de Weibull Q Celeridade de onda Q Cpg Centro de flutua o buoyancy Ca Coeficiente de arrasto de Morison Cp Coeficiente de arrasto drag Cg Centro de gravidade C Comprimento linear Cr Coeficiente de sustenta o lift NDICE DE TABELAS fi Morison fxy x y xxili Coeficiente de in rcia de Morison Coeficiente de pot ncia Coeficiente de resist ncia aerodin mico Profundidade depth Fluxo de massa Deslocamento do topo da torre na direc o x F A Deslocamento do topo da torre na direc o y S S Di metro da sec o transversal do elemento Energia cin tica Frequ ncia For a de arrasto hidrodin mica de Morison For a de in rcia hidrodin mica de Morison For a total hidrodin mica de Morison Fun o de probabilidade conjunta de X Y Fun o de probabilidade margina
118. das as part culas do flu do movem se em c rculos de acordo com a onda harm nica que define o seu movimento O di metro do circulo decai com o aumento de profundidade como mostra a figura 2 31 84 A uma profundidade em que Awave lt 0 5d a influ ncia da presen a do fundo oce nico j n o se faz sentir pelo que pode ser negligenciada esta condi o considerada como limite de guas profundas 62 Quando a profundidade pequena relativamente ao comprimento de onda isto quando o limite de guas profundas Awave lt 0 5d n o se verifica o efeito do fundo oce nico transforma os movimentos circulares em el pticos como mostra a 2 3 CONCEITOS RELATIVOS AO MAR 91 A N sili Water Level Mem RTAC SO Nqasial me Circular Orbits Elliptical Orbits a Bottom z d _ Bottom d a E Deep water Intermediate water depth Aware gt O 5d QOSd lt Avave lt O 5d Figura 2 31 Orbita das particulas do fluido de acordo com a teoria de Airy 84 figura 2 31 84 Para este caso a velocidade das particulas no fundo oceanico diferente de zero 62 A forte linearidade do modelo de Airy torna o adequado para a utiliza o com a representa o probabilistica de mares aleat rios definidos por espectros de densidade como veremos na sec o 2 3 4 65 2 3 4 Comportamento do Mar em Per odos Temporais Curtos Abordagem Probabil stica O espectro de Pierson Moskowitz correntemente utilizad
119. de onda dominantes do local e Dist ncia costa ou a poss veis esta es de apoio de modo a minimizar custos de constru o e manuten o e Ecossistemas marinhos existentes e Rota de aves migrat rias avi es ou navios e Integra o com a rede el ctrica De acordo com Jonkman 55 a grande fatia do potencial e lico offshore dos Estados Unidos China Jap o e muitos outros pa ses est dispon vel a profundidades superiores a 30 metros Contudo porque as tecnologias existentes n o permitiam funda es a tais profundidades a grande maioria das turbinas instaladas offshore s o turbinas de funda es fixas ao fundo oce nico em guas pouco profundas cerca de 20 metros de profundidade 3 4 4 m a 15m 15 20 m Monopilar Gravidade em Bet o Tripod Figura 1 4 Exemplos de funda es de turbinas e licas offshore fixas ao fundo oce nico 37 Devido pouca profundidade onde se encontram as funda es destas turbinas eram feitas com recurso a funda es de gravidade em bet o ou introdu o de monopilares no fundo oce nico como mostra a figura 1 4 No entanto este tipo de funda es n o economicamente vi vel para maiores profundidades pelo que se come aram por utilizar estruturas reticuladas como os tripods e quadpods at chegarmos s estruturas flutuantes como mostra a figura 1 5 6 CAP TULO 1 INTRODU O Figura 1 5 Evolu o da localiza o das turbinas e licas 55 Existem j
120. deste tipo de estrutura t m tamb m tend ncia a aumentar devido ao aumento da complexidade de design fabrica o e instala o bem como os materiais adicionais necess rios abaixo da linha de gua Acredita se no entanto que este factor possa ser reduzido medida que a industria ganha experi ncia Assim os custos s o apontados como um dos principais obst culos para a 1 4 ESTADO DA ARTE 27 evolu o das tecnologias offshore e da sua implanta o e uso comercial como mostra a figura 1 26 73 gt E O 2 E o 2 3 Shallow Water 0 Technology 0 20 60 100 120 140 160 Water Depth meters Figura 1 26 Contrapartidas entre o avan o da profundidade e os custos envolvidos para as diferentes tecnologias existentes 73 Os saltos tecnol gicos s o normalmente um factor gradual dependente dos conhecimentos e tecnologia previamente existentes Deste modo at que a tecnologia de estruturas e licas offshore chegasse ao ponto em que se encontra actualmente foram decisivos todos os passos interm dios de demonstra o da exequibilidade e rentabilidade de turbinas instaladas em estruturas n o flutuantes Assim sem a instala o de turbinas e licas em guas pouco profundas e posteriormente em profundidades de transi o n o se teria no o se valeria a pena investir em plataformas flutuantes nem t o pouco teriam surgido novas tecnologias que pudessem proporcionar a sua exist ncia Importa portanto conhe
121. dimensionais 34 e Par metro de Tamanho de Onda S 27 Ja e Par metro de Profundidade u 27 mE z 2 e N mero de Ursell Up 43 E wD Como se constata o numero de Ursell relaciona os outros dois par metros S e Up 2 3 CONCEITOS RELATIVOS AO MAR 89 O c digo utilizado na an lise FAST n o tem de momento a capacidade de simular ondas n o lineares pelo que as teorias de Cnoidal Stokes Solit ria entre outras n o ser o abordadas H gr Deep water breaking limit H 0 14 Shallow water Stokes 5h or breaking limit stream function 3 Hd 0 78 0 0002 Linear Airy or stream function 0 0001 0 00005 0 001 0 002 0 005 001 002 005 01 02 a ko Waves Shallow water Intermediate depth Deep water Figura 2 30 Limites de utiliza o das diferentes teorias de onda 34 Modelo de Airy Teoria Linear Das teorias de ondas referidas no baco da figura 2 30 a mais simples no entanto tamb m a mais importante e a mais aplicada Sendo uma teoria linear o seu fundamento baseia se na considera o de que a amplitude de onda A bastante inferior profundidade d e ao comprimento de onda 34 Sugere se a consulta de 34 para aplica o das mesmas e de 92 para informa es mais completas sobre a tem tica 90 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Supondo que a onda harm nica simples definida na figura 2 29 se propaga na direc o positiva de x e a gua
122. do tempo n o s o um factor de risco Para al m disso s poder o ser utilizadas em casos em que a coloca o das funda es n o tenha necessidade de ser feita em locais muito precisos Devido a estes factores e a n o requerer a utiliza o de grandes meios tecnol gicos para a sua implementa o esta uma das solu es menos dispendiosas dispon veis 72 ncora de Carga Vertical Driven Pile Anchor Surge devido necessidade de se desenvolver um sistema de ancoragem que suportasse cargas com componentes verticais devido uso cada vez maior de sistemas de ancoragem com cabos traccionados Por serem j utilizadas durante muitos anos na industria petrol fera provaram se bastante fi veis e demonstraram uma capacidade para suportar grandes esfor os 72 85 Estas funda es n o s o colocadas por arrasto ao contr rio das ncoras convencionais Possuem cabos dotados de um dispositivo que permite a mudan a do ngulo de aplica o da carga para que a mesma incida na direc o normal superf cie 72 85 As ncoras de carga vertical s o permanentes e colocadas em locais precisos A sua crava o no solo feita com auxilio de um grande martelo vibrat rio ou de impacto para que a estaca penetre no fundo oce nico Todos estes aspectos tornam esta solu o de funda es bastante dispendiosa 72 Estaca Cravada por Suc o Suction Anchor A estaca cravada por suc o constitu da por um cilindro aberto no fund
123. e indicadas na sec o 3 1 com o espectro de densidade do vento utilizou se o de Kaimal descrito na sec o 2 2 3 e com o espectro de densidade das ondas utilizou se o de Pierson Moskowitz descrito na sec o 2 3 4 Os resultados obtidos s o mostrados nos gr ficos das figuras 4 1 4 2 4 3 e 4 4 Refira se que as figuras enunciadas ilustram somente a banda de frequ ncias em que o espectro mais energ tico 131 132 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS Boa Surge Sway Yaw 700 Surge Sway 600 He ave 500 Roll Pitch E yaw F 400 12 Modo Torre 4 22 Modo Torre E E 5 mis amp 200 nae 109 11 4 ms 18 ms e 25 ms o 0 01 0 02 0 03 Frequencia Hz Figura 4 1 Espectro de densidade de ventos de Kaimal e frequ ncias naturais da 800 Surge Sway 700 Surge Sway 600 q He ave E soo RollfPitch E yaw E 400 12 Modo Torre 2 2 Modo Torre E 300 2 3 ms amp 200 8 ms 114 ms an 18 m s 25 ms a o 001 0 02 0 03 Frequencia Hz Figura 4 2 Espectro de densidade de ventos de Kaimal e frequ ncias naturais da TLP 4 1 APRESENTA O DE RESULTADOS 133 Roll Pitch Heave 6 it Tp 9 4 seg Hs 2 05 m Tp 7 lseg Hs 2 5m eTp 8 5seg Hs 2 5m s Tp 9 9 seg Hs 2 5 m Surge Sway H
124. e 3 pelo que este problema n o se p e para a TLP Para a ITI no entanto n o foi encontrada bibliografia que indicasse limita es de ngulos no entanto parece nos que o valor m ximo de 22 6 de roll obtido para o DLC 6 2 demasiado elevado para ser admiss vel podendo levar a grandes momentos destabilizadores devido ao grande peso no topo da torre combinada com grande inclina o e consequentemente ao colapso De facto o DLC 6 2 apresenta se problem tico n o s para a ITI como tamb m para a TLP em termos de esfor os na base da torre como iremos ver na sec o 4 2 4 Quanto ao yaw parece nos que pode ser bastante mais prejudicial para a plataforma TLP do que para a ITI N o s por apresentar o maior valor 65 7 mas sobretudo pelas diferentes configura es de cabos das duas plataformas Enquanto a ITI apresenta cabos frouxos e o valor maximo de yaw de 42 9 nao nos oferece grandes preocupa es pelo contr rio na plataforma TLP pelo facto dos cabos serem traccionados e consequentemente apresentarem pouca folga parece nos que uma rota o de yaw com um valor t o elevado 65 7 pode levar a um fen meno em que os cabos torcem provocando nos mesmos grandes esfor os Tamb m por motivos da folga dos cabos a plataforma TLP considerada mais sens vel aos movimentos de heave do que a ITI No entanto devido trac o dos cabos a TLP comporta se bastante bem para estes movimentos apesar do elevado valor m ximo
125. e como a MARINTEK a Garrad Hassan amp Partners Limited GH e a Acciona Energia Os nomes dos programas de c lculo de cada participante bem como as respectivas teorias implementadas para abordar as reas aero hydro servo e elastic podem ser vistos na figura 1 39 54 47 1 7 NORMAS E SOFTWARE DE REFER NCIA a310 pjp a areia ATQETRAE aunnozqns uonesodion areagos JSW mes ruen p peuyap zasn q nory uonejuamadim uogenha s uosto SEJ3A JSON PA QV ILYN FM AUTOS 0 agpo WS uonepuuoz sommeu p poqnus Asesgyy NUM OMUen p pewa suonenha reuajeo nezs rsenb juo Surssadosdard pow 103 d wyuawow juatmaja apejg uonpeggip popaw yuawaja ayug sUONIanOS avepms aay quim 2P UORETPEI ym mop penuad ram ayem onueudp pazezatas Kioa asem Any aaan sEuucoW SEIN Teo Nas mgm ouseyq smeuig pnns a la Ta sara O amna Ta 04 125 majs s jonguo INW dd Ory IN dd Sry IW Ary IW Jd Any IN Any 7 i An AW Any symeufpoip g sa sa sa sa map 10 Wad mas Jo wad mao 10 Wad mao Jo wad mao Wad someutpo1y ESA ET RT RS EEE ESSE surdo reg 90 J1adopsad apo TIMVH Figura 1 39 Programas de calculo presentes na OC3 54 48 CAP TULO 1 INTRODU O 1 7 3 FAST Fatigue Aerodynamics Structures and Turbulence O FAST um c digo num rico aero hydro servo elastic desenvolvido pela NREL Destina se especificamente a turbinas e licas de eixo horizo
126. e do vento se fa a sentir com maior intensidade uma vez que a velocidade do vento sem duvida o factor que mais afecta a pot ncia dispon vel 22 64 Teorema de Betz A energia cin tica dispon vel no vento n o pode no entanto ser inteiramente aproveitada pela turbina e lica Deste modo atrav s do Teorema de Betz surge um coeficiente de pot ncia Cp que caracteriza o n vel de rendimento de uma turbina e lica 61 O teorema de Betz indica que independentemente da forma construtiva da turbina apenas 16 27 cerca de 59 da energia cin tica contida no vento pode ser transformada em energia mec nica 44 64 Nos par grafos seguintes explicitado como atrav s do teorema de Betz se chega a esse valor A Prech Ay V2 Figura 2 21 Condi es do fluxo de ar devido a extrac o de energia mec nica atrav s da energia cin tica do fluxo de acordo com o Teorema de Betz 44 Na figura 2 21 V representa a velocidade do vento incidente no rotor da turbina e lica e V2 representa a velocidade ap s a passagem pelo rotor sendo ambas as velocidades paralelas ao eixo do rotor 61 Note se que Vi gt V2 uma vez a passagem do vento pela turbina e lica provoca uma perda de velocidade do vento devido transforma o de energia cin tica em mec nica por parte da turbina e lica 22 O factor de indu o axial pode ser definido como o decr scimo na velocidade de vento entre a posi o a montante 1 e
127. e s o publicadas not cias de previs es e estimativas que apontam para o fim destes recursos n o renov veis num espa o temporal inferior a um s culo No entanto as fontes de energia previamente referidas para al m de serem n o renov veis e portanto dependentes de mat rias primas esgot veis s o ainda nocivas para o meio ambiente envolvendo ainda perigos extremos em situa es de acidente na fase de explora o e ou transporte bem como na quest o da resolu o dos locais de dep sito dos res duos 68 Estas condicionantes t m provocado preocupa o numa sociedade que est cada vez mais consciente da polui o e dos efeitos nocivos que esta provoca no meio ambiente principalmente numa altura em que esses efeitos come am a ser not rios quer pelo aumento da periodicidade de ocorr ncia de cat strofes naturais quer pela altera o climat rica que se faz sentir em v rios pontos do globo Assim sendo os governos est o cada vez mais pressionados relativamente a esta tem tica pelo que s o compelidos a apresentar solu es 43 Todos estes factores somados levaram a uma mudan a de mentalidades dos pa ses que se come am a voltar cada vez mais para as energias renov veis apontando se o princ pio da sustentabilidade e do desenvolvimento sustent vel como o caminho a seguir As energias renov veis surgem assim como a resposta aos problemas de esgotabilidade de mat rias primas e de emiss es poluentes 22 2 CAP TU
128. elocidades de vento atrav s da equa o 3 2 foi poss vel criar gr ficos de probabilidade de ocorr ncia de ventos e de ondas para o local como mostra a figura 3 7 Foi ainda poss vel obter os valores m dios ponderados com a probabilidade de ocorr ncia tendo se obtido uma altura de onda m dia H de 2 5 m e uma velocidade do vento V m dia de 8 8 m s que embora sejam superiores aos valores fornecidos n o se encontram muito desfasados sendo representativos do local a analisar 0 90 0 90 0 80 0 80 0 70 0 70 0 60 0 60 0 50 0 50 0 40 0 40 0 30 0 30 Probabilidade de Ocorr ncia 0 20 0 20 Probabilidade Fde Ocorr ncia 0 10 0 10 0 00 0 00 a n o v a a a A 5 21 nan ocaszrrnnnnonrmuszamenvoxsa Sa SHAMHNDAMTONRAGCAMHOEHBRAG 3 A HANNAN NN mmm 0 11 1 23 uy 11 N tn o a dA o q 10 5 Velocidade do Vento m s Altura de Onda m a Fun o densidade de Weibull demonstrando b Fun o densidade de Weibull demonstrando a probabilidade de ocorr ncia das velocidades a probabilidade de ocorr ncia das alturas de de vento no local onda no local Figura 3 7 Probabilidade de ocorr ncia de velocidades de vento e alturas de onda no local para condi es normais 3 4 3 Condi es Extremas e Severas Para o estado de mar severo SSS o procedimento utilizado foi mais ou menos similar Uma vez que as velocidades do vento V e
129. entre o plano de rota o da p e a linha de corda o ngulo do escoamento tal que a 8 e O vector for a F pode ser decomposto em duas componentes uma actuando na mesma direc o da velocidade relativa designa se por arrastamento Drag D outra perpendicular e designa se por sustenta o Lift L 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 79 W apparent wind Up U out of plane component of W U in plane component of W L lift T thrust D drag a angle of incidence B pitch angle inflow angle Figura 2 23 Sistema de for as actuantes numa p 22 e O vector for a F pode igualmente ser decomposto na direc o do plano de rota o e na direc o perpendicular obtendo se a componente que contribui para o movimento da p N e a componente que contribui para o bin rio motor T As for as N e T definem se com recurso s equa es 2 31 N Lsin Dcos d 2 31a T Lcos Dsin 2 31b desej vel que o desempenho da pa possa ser descrito independentemente do seu tamanho e da velocidade com que est animada por isso usual dividir a for a de sustenta o L e a for a de arrastamento D pela for a experimentada pela sec o recta A de uma p animada da velocidade do vento u em que p a massa especifica do ar Obt m se respectivamente o coeficiente de sustenta o Cr e o coeficiente de arrastamento Cp 22 L 2 AEN 2 32b tpu A 80 CAPITULO 2
130. erem sido mais elevados do que o esperado partida Estes acontecimentos levaram a um resfriamento do entusiasmo na energia e lica offshore pelo que os dois a tr s anos seguintes foram caracterizados pela implanta o de poucos novos campos e licos offshore enquanto fabricantes e projectistas se esfor avam para compreender e corrigir os problemas associados as falhas evidenciadas 73 O parque e lico offshore OWEZ Offshore Windfarm Egmond aan Zee foi uma excep o tendo sido construido em 2006 tamb m no mar do Norte mas a 10 kms ao largo da costa da Holanda composto por 36 turbinas da Vestas de 3 MW tendo assim uma pot ncia total instalada de 108 MW 84 in 3 F E 2 a a E amp r taadi Y rN r i A g Vv MA Ma Figura 1 28 Localiza o de alguns dos parques e licos offshore da Europa 1 30 CAP TULO 1 INTRODU O Em Setembro de 2009 a empresa NorWind foi respons vel pela instala o do Alpha Ventus o primeiro parque e lico offshore da Alemanha descrito com maior destaque na sec o 1 4 3 por desafiar profundidades acima dos 30 metros 60 O Reino Unido continua a investir fortemente em campos e licos offshore estando em desenvolvimento neste momento a constru o do campo e lico de Sheringham Shoal com uma pot ncia total instalada esperada de 315M MW a cargo da Statoil 60 Para al m deste no Reino Unido encontram se ainda em constru o os parques e licos offshore de Greater Gabb
131. ergia normalmente durante os 10 minutos de dura o da simula o deste DLC 3 5 3 Valores Utilizados no DLC 1 4 O ECwind cria ficheiros de s ries de tempo de vento para o FAST que obedegam aos inputs introduzidos pelo utilizador velocidades de vento e as indica es prescritas na norma IEC61400 1 O modelo de vento deste DLC ECD caracteriza se por uma altera o repentina da direc o acompanhada por um aumento s bito da velocidade do vento devido a uma rajada DLC 1 4 Condi es de Vento ECD Velocidades de Vento m s 9 4 11 4 13 4 Condi es do Mar NSS Velocidades de Corrente m s 0 04 0 14 0 24 Alturas de Onda m 1 8 3 2 4 2 Per odos de Pico seg 7 1 8 5 9 9 Direc o do Vento varia o da direc o do vento durante a rajada Direc o de Corrente e Ondas e Randseeds Consideradas 2 Tabela 3 14 Sumario dos valores introduzidos na analise do DLC 1 4 A turbina encontra se a produzir energia normalmente durante os 60 segundos de dura o da simula o deste DLC 3 5 INPUTS DO FAST 125 3 5 4 Valores Utilizados no DLC 1 5 Este DLC diferencia se do anterior devido ao modelo de vento considerado EWS O modelo de vento EWS caracteriza se pela ocorr ncia de duas rajadas transit rias uma com direc o vertical e outra com direc o horizontal DLC 1 5 Condi es de Vento EWS Velocidades de Vento m s 4 9 14 19 24 Condi es do Mar NSS Velocidades de Corrente m s 0
132. es Countries in subject area s 4 Z 5 d Countries outside subject area RZ dt ger See Text de gt Figura 1 1 reas offshore para produ o de energia e lica a uma dist ncia entre 10 a 30 kms da costa 35 Assim de modo a obter maiores quantidades de energia para alem da melhoria dos equipamentos inerentes explora o do recurso e lico foi imperativo que se come asse a pensar em colocar turbinas em ambiente offshore Por um lado o 1 1 ENQUADRAMENTO DO TEMA 3 potencial e lico offshore bastante superior ao onshore por outro existem muitas areas pr ximas da costa com potencial para serem exploradas como mostra a figura 1 1 35 No contexto da energia e lica h que destacar a Alemanha com uma pot ncia e lica instalada acima dos 27 GW como mostra a figura 1 2 a L der at 2007 a Alemanha foi suplantada pelos EUA e China que continuam a investir fortemente neste meio de enegia como se pode ver na figura 1 2 b Pa ses como a Espanha Reino Unido a ndia ou a Fran a j ultrapassaram a Dinamarca pa s pioneiro na instala o de parques e licos Portugal apresentava at ao final de 2010 quase 4 GW instalados 43 Rest of the world Denmark N China Rest of the world Pd Sweden UK L France o rey eee China India B me ERA India Ed Spain Ed To Germany USA _ Country MW Country MW China 44
133. es e est veis Na escolha do FAST como programa de c lculo utilizado pesou o facto de ser um programa disponibilizado gratuitamente e que j foi testado e comparado com outros programas dispon veis tendo sido obtidos resultados bastante bons nesses estudos comparativos 54 O FAST tem ainda vindo a ser cada vez mais utilizado por institui es de ensino governo e industria americanas 51 como ser mostrado na sec o 1 7 Para al m disso a utiliza o deste programa pretende integrar uma an lise diferente das previamente efectuadas no DEC da FCT UNL em temas relacionados disserta es de mestrado em Estruturas Offshore de Tesouro 85 e em Estruturas E licas Onshore de Correia 29 ambas conclu das em 2010 Pelo que se demonstra que o tema da energia e lica depois de premiado o trabalho 26 dos Doutores Chastre Rodrigues e V lter L cio referido na sec o 1 5 2 continua a ser objecto de interesse no DEC da FCT UNL 1 7 NORMAS E SOFTWARE DE REFER NCIA 43 1 7 Normas e Software de Refer ncia A distin o entre pr ticas recomend veis e legisla o prende se com o car cter de obrigatoriedade em que as pr ticas recomend veis s o de aceita o volunt ria e a legisla o de car cter obrigat rio 85 88 As pr ticas recomend veis s o desenvolvidas por entidades certificadoras organiza es internacionais n o governamentais e associa es da ind stria que podem actuar em nome de organiza es
134. es funda es a utilizar e Implementa o de controlo estrutural de vibra es neste tipo de estruturas e Estudo e dimensionamento de diferentes solu es de plataformas e An lise de fadiga e An lise dos custos associados e An lise dos esfor os nos componentes da turbina e lica nas p s por exemplo e Estudo completo dos esfor os na torre com eventual recurso a uma an lise por Elementos Finitos e Viabilidade de utiliza o de uma torre em bet o e compara o desta solu o com uma torre met lica e Estudo das liga es entre a plataforma e a torre e Estudo comparativo completo entre uma solu o onshore e offshore e Uso de m todos computacionais ligados Din mica de Fluidos Computacionais e de m todos de part culas como Smoothed Particles Hydrodynamics para modula o dos efeitos do mar Bibliografia 1 http en wikipedia org wiki List of offshore wind farms Consultado a 15 de Agosto de 2011 2 http www 4cof fshore com of f shorewind Consultado a 26 de Agosto de 2011 3 http www bwea com of fshore worldwide html Consultado a 26 de Agosto de 2011 4 http www hidrografico pt boias ondografo php Consultado a 04 de Junho de 2011 5 http www lorc dk Knowledge Of f shore renewables map Consultado a 26 de Agosto de 2011 6 http www of f shorecenter dk of f shorewindfarms asp Consultado a 26 de Agosto de 2011 7 http www windatlas dk Cons
135. es influenciam as estruturas e n o propriamente a natureza das correntes Desse modo divide as correntes em Normais e Extremas A diferen a entre estes dois tipos de correntes reside no facto das correntes extremas serem definidas pelos tr s componentes previamente referidos e as correntes normais n o considerarem as correntes sub superficiais na sua defini o As normas existentes aconselham geralmente que se considere que a velocidade das correntes varie em profundidade de forma 84 e Linear e Bilinear e Lei Exponencial ver equa o 2 45 bilinear Figura 2 34 Possibilidades de varia o da velocidade da corrente com a profundidade 84 Apesar das correntes mar timas poderem em principio variar no tempo e no espa o s o geralmente consideradas como um fluxo horizontal e uniforme de velocidade e direc o constantes variando apenas em profundidade como mostra a equa o 2 45 d lt z lt 0 2 45 z d Qeurr U z Uco d Em que U z representa a velocidade da corrente cota z U o representa a velocidade da corrente cota z 0 z representa o referencial considerado positivo acima do nivel m dio do mar d representa a profundidade m dia do mar Acurr representa o expoente das correntes usualmente 1 7 84 A for a actuante por ac o da corrente pode ser calculada pela equa o de Morison Para tal a velocidade da corrente incorporada na componente de arrasto f4 equa
136. esta disserta o os valores caracter sticos do vento portugu s offshore Em Portugal o INETI dedica se ainda realiza o sistem tica de medi es da velocidade do vento O INETI tem publicada uma vers o muito completa do Atlas Portugu s de Vento de que se apresenta um exemplo na figura 2 19 Wind resources over open sea more than 10 km offshore for five standard heights 10m 25m 50m 100m 200 m ms Wm ms 2 Wm ms Wm ms Wm ms Wm gt 8 0 gt 600 gt 8 5 gt 700 gt 9 0 gt 800 gt 10 0 gt 1100 gt 11 0 gt 1500 7 0 8 0 350 600 7 5 8 5 450 700 8 0 9 0 600 800 8 5 10 0 650 1100 9 5 11 0 900 1500 6 0 7 0 250 300 6 5 7 5 300 450 7 0 8 0 400 600 7 5 8 5 450 650 8 0 9 5 600 900 4 5 6 0 100 250 5 0 6 5 150 300 5 5 7 0 200 400 6 0 7 5 250 450 6 5 8 0 300 600 lt 45 lt 100 lt 50 lt 150 lt 55 lt 200 lt 6 0 lt 250 lt 6 5 lt 300 Figura 2 17 Distribui o das velocidades do vento offshore na Europa de acordo com o Atlas Europeu de Vento Offshore 7 74 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE O Windatlas 7 apresenta mapas de velocidades m dias do vento onshore e offshore de v rias localiza es do globo como se pode ver no exemplo da Europa ilustrado na figura 2 17 gt co o ta 4800 UTM29 ED5Q km a QO S Northing UTM29 EDSQ km Northing UTM29 ED5Q km Northing a Q 5 gt o o S gt o o
137. i tratado como um elemento cil ndrico de sec o transversal igual da base Esfor os em Cascas Para cascas cil ndricas consideram se as express es do Anexo A do EC 3 1 6 que recorre Teoria da Membrana para calcular as tens es actuantes N o foram considerados esfor os de fric o nem press es internas uniformes ou vari veis de referir que r corresponde ao raio da linha m dia e t espessura ambos em metros a ME Tr Py max Px max Pr max wn R 2xr P M Tr Py max a Carregamento axial b Carregamento por flex o Figura 4 10 Tens es axiais prescritas no Anexo A do Euroc digo 3 1 6 25 A tens o axial o devida a carregamento axial figura 4 10 a de acordo com A 2 1 calculada atrav s da equa o 4 2 Oy 4 2 4 2 AN LISE E DISCUSS O DOS RESULTADOS 147 A tens o axial o devida a carregamento por flex o figura 4 10 b de acordo com A 2 2 calculada atrav s da equa o 4 3 M Oa ret No c lculo da tens o axial o devida a carregamento por flex o foram considerados os momentos M e M 4 3 Oz A tM 21 Po V fr Po max a Corte devido a tor o b Corte devido ao esfor o transverso Figura 4 11 Tens es de corte prescritas no Anexo A do Euroc digo 3 1 6 25 A tens o de corte r devida tor o figura 4 11 a de acordo com A 2 6 calculada atrav s da equa o 4 4 mo M Oar r2t A tens o de corte Tmax p
138. ia de ser menor que 90 para a sec o poder ser considerada de classe 3 Classe Sec o em Flex o e ou Compress o lt 50 x e N lt 70 x e d lt 90 x e Para 2 gt 90 x e ver EN 1993 1 6 fy 235 275 355 420 460 e 25 e 1 00 0 92 0 81 0 75 0 71 e 1 00 0 85 0 66 0 56 0 51 Tabela 4 9 Classifica o de uma sec o tubular de acordo com o EC 3 1 1 Utilizando as caracter sticas da sec o considerada na an lise verifica se que a sec o n o pode ser considerada de classe 3 146 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS d 6 00 4 d gos SI145 gt Nestes casos o EC 3 1 1 remete a an lise para o Euroc digo 3 1 6 25 referente a cascas Tamb m o anexo H5 da parte 3 1 do Euroc digo 3 24 remetia a an lise de verifica o de seguran a e estabilidade de estruturas de casca para o EC 3 1 6 4 2 6 Euroc digo 3 1 6 Seguran a e Estabilidade de Estruturas de Casca O Euroc digo 3 1 6 25 estabelece quatro estados limites a verificar Dados os esfor os actuantes na sec o o tipo de estrutura em an lise e as prescri es das normas consultadas foram efectuadas as verifica es ao Estado Limite de Plastifica o LS1 e ao Estado Limite de Encurvadura LS3 do EC 3 1 6 Os valores de c lculo e resultados significantes das verifica es de seguran a referidas encontram se tabelados na sec o C 1 Por simplifica o a torre que um elemento c nico fo
139. ia e lica encontra se em grande expans o sendo de entre as fontes de energia renov veis a que tem melhor previs o de crescimento futuro Neste momento a energia e lica offshore j respons vel pela cria o de milhares de novos empregos por toda a Europa 43 Onshore wind reaches the limit of its potential first commercial deployments Offshore wind in shallow waters in expansion Onshore wind continues 1 Shallow Offshore wind SE with high growth rate reduces its growth rate I es Shallow Offshore wind 1 Deep offshore wind with high E increases significantly its 1 growth rate 3 o E seara growth rate Q Onshore wind with high i growth rate Deep offshore wind with l I I Deep offshore wind in demonstration stage 2010 2012 2020 2025 Short Term Medium Term Long Term Figura 1 37 Perspectivas de crescimento das diferentes localiza es de implanta o de turbinas e licas 63 Actualmente existem j alguns prot tipos flutuantes sendo que um deles se encontra em Portugal como foi referido em 1 5 Desse modo considerou se interessante estudar a possibilidade de implementa o de plataformas com diferentes configura es no mesmo local onde a plataforma da Windfloat foi instalada Agu adoura perto da P voa do Varzim Nesta disserta o estuda se assim a hip tese de implementa o das plataformas MIT NREL TLP e da ITI Energy Barge sendo dado
140. ia mec nica em energia el ctrica os veios principal e secund rio transferem a energia mec nica da caixa de velocidades para o gerador o trav o de disco permite travar o rotor por quest es de seguran a a caixa de velocidades aumenta o n mero de rota es do veio secund rio e os radiadores arrefecem o gerador e a caixa de velocidades 22 Gerador O gerador o componente respons vel pela convers o da energia mec nica de rota o em energia el ctrica Pode estar ou n o no interior da cabine havendo v rias possibilidades de configura o como se pode ver na figura 1 16 As diferentes combina es ter o assim influ ncia no peso no topo da estrutura e na efici ncia da turbina Gearbox and generator Generator vertical Gearbox and generator inline in the nacelle in the towerhead in the towerfoot standard Gearbox in the nacelle Generator in the Generator direct generator in the towerfoot two driven by the rotor Fowerfoot separate gearboxes without gearbox Figura 1 16 Diferentes configura es para o posicionamento do gerador 44 A eventual necessidade de manuten o deste componente pode tornar se num factor problem tico devido ao isolamento geogr fico dos sistemas e licos quando instalados em ambiente offshore 61 P s Os compostos sint ticos constituem os materiais mais usados nas p s das turbinas e licas nomeadamente pl sticos refor ados com fibra de vidro 1 2 TURBINAS E LICAS 15 Este
141. iferentes velocidades m dias de vento 0 0 002s aae 67 2 12 Varia o da velocidade do vento por efeito da turbul ncia em torno do seu valor m dio ns sind apare AREAS kk RAR ora ne 67 2 13 Varia o da intensidade de turbul ncia do vento prescrita por v rias NOMAS usa it Ea AE wee GOB ee ee A RD ees 69 2 14 Diferen a entre uma rajada estoc stica e uma rajada determin stica 71 2 15 Par metros de rajada determin stica 72 2 16 Factor de rajada obtido pela formula o de Wieringa 72 2 17 Distribui o das velocidades do vento offshore na Europa 73 2 18 Distribui o das velocidades do vento na Galiza e Norte de Portugal 74 2 19 Distribui o das velocidades do vento ao longo da Costa Portuguesa 74 2 20 Passagem de arpelorotor 0000 eee 75 NDICE DE FIGURAS XV 2 21 Fluxo de ar de acordo com o Teorema de Betz 76 2 22 Rela o entre coeficiente de pot ncia Cp e as velocidades antes V e ap s V gt a passagem do ventonorotor 77 2 23 Sistema de for as actuantes numa p 79 2 24 Diferen as da curva de pot ncia por Pitch e por Stall 81 2 25 Diferen as de controlo de pot ncia por Pitch e por Stall 81 2 26 For as de arrasto e sustenta o 000 4 82 2 27 ngulo de passoedeataque 000 00s 83 2 28 Sistema de orienta o direccional 208 4 84 2 29 Defini o de uma
142. imentos das part culas de gua podem ser descritas pelo modelo linear de Airy 84 Para a a utiliza o das express es dos espectros de densidade importa ainda definir a frequ ncia angular de pico espectral wp como mostra a equa o 2 37 34 27 Wy 2 37 P Th Uma vez que wp est dependente de T importa ainda mostrar como T se relaciona com T uma vez que as medi es do local nos d o valores de T e n o de T De acordo com a DNV RP C205 34 Tz 7 0 6673 0 050377 0 00623077 0 000334173 2 38 P Assim os espectros de Pierson Moskowitz e JONSWAP podem ser definidos pelas equa es 2 39 e 2 40 respectivamente 34 Pierson Moskowitz F 4 Spm w ow we a s 2 39 JONSWAP 2 40 2 3 CONCEITOS RELATIVOS AO MAR 93 Nas equa es acima A um factor de normaliza o e o um par metro nao dimensional de pico As equa es 2 41 e 2 42 definem o e 4 respectivamente os 0 007 paraw lt wp 2 41a oz 0 009 paraw gt wp 2 41b A 1 0 287 Int 2 42 2 3 5 Equa o de Morison Carregamentos Hidrodinamicos Sobre Estruturas As velocidades e as acelera es das part culas calculadas atrav s de uma abordagem determin stica como se viu em 2 3 3 ou por uma abordagem probabil stica como se viu em 2 3 4 podem agora ser utilizadas para calcular os carregamentos na estrutura atrav s da Equa o de Morison 84 A equa o de Morison uma f rmula emp rica u
143. ir Tv A of O IN oim 4 6b LS1 Estado Limite de Plastifica o De acordo com 6 2 3 1 da norma a seguran a a este estado limite verifica se sempre que CegEd lt feq Rd 4 7 O valor de feq ra encontra se definido em 6 2 2 1 e tal que Tea R E fya pois YM0 1 4 8 150 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS O valor da tens o ceq pa obtida de acordo com 6 2 1 6 et 2 2 2 2 Ceq Ed TR 96 pd Fa Ed 00 Ed 3 72 ys Tee Ed T o 4 9 Uma vez que de acordo com a nota 2 de 6 2 1 6 as tens es Trn Ba Ton Ed podem ser ignoradas uma vez que s o geralmente muito pequenas n o afectando a resist ncia pl stica e que n o foram consideradas press es internas logo To Ea 0 a equa o 4 9 pode ser reduzida a Gas VE 3 Toma 4 10 Foram definidos todos os valores relevantes tendo sido feita a verifica o ao estado limite de plastifica o com recurso equa o 4 7 os valores obtidos est o tabelados na sec o C 1 LS3 Estado Limite de Encurvadura De acordo com 8 5 3 3 da norma se estiverem presentes mais do que um dos tr s componentes relevantes da an lise encurvadura 0 Ed C0 Ed Tro Ed necess rio que seja considerada a interac o entre eles Assim a seguran a a este estado limite verificada quando kz kg kr 0 Ox Ed 09 Ed 09 Ed Txo Ed Or Rd Or Rd 09 Rd O9 Rd Txo Rd Uma vez que n o foram consideradas press es internas o
144. is utilizado que outros com melhores potencialidade como o MSC ADAMS como mostrado na tabela 1 3 51 Blades Tower Drivetrain Nacelle Teeter 1 3 2 Blade Flap Mode qa Nacelle Yaw 2 flap modes per blade 1 edge mode per blade 2 fore aft modes 2 side to side modes 1 generator azimuth 1 shaft torsion 1 yaw bearing 1 rotor teeter hinge with optional 8 2 blader only Shaft Generator Torsion Azimuth latform Heave Platform Yaw Platform Sway Platform Pitch Platform Surge Platform Roll Furl 1 rotor furl hinge of arbitrary orientation amp location between the nacelle amp rotor 1 tail furl hinge of arbitrary orientation amp location between the nacelle amp tail Platform 3 translation sume sway heave 3 rotation roll pitch yaw Total 24 DOFs available for 3 blader 22 DOFs available for 2 blader Figura 1 41 Graus de liberdade considerados no FAST 53 Cap tulo 2 Ac es Din micas sobre Estruturas Offshore 2 1 Conceitos Introdut rios O vento e as ondas s o as ac es din micas em evid ncia na an lise de estruturas offshore Estas ac es podem ser caracterizadas por grandezas associadas das quais destacamos a velocidade do vento U a altura de onda H e o per odo de pico de onda T Estas grandezas ser o descritas com maior pormenor nas sec es posteriores deste cap tulo Atrav s das grandezas referidas e com recurso
145. ise 3 m s lt Vay lt 25 m s Apesar da indica o da norma apontar para que sejam testadas velocidades distanciadas de 2 m s tal considera o levaria a um numero de simula es demasiado elevado Optou se assim por considerar velocidades de vento com intervalos mais espa ados de 5m s pelo que as velocidades de vento consideradas para o caso referido foram 4 9 14 19 e 24 m s Como foi visto na sec o 3 3 2 a velocidade das correntes est fortemente correlacionada com as velocidades do vento Estando definidas as velocidades do vento as velocidades de corrente ao n vel da superf cie puderam ser calculadas com recurso s equa es 3 1 A velocidade da corrente varia linearmente com a profundidade at atingir a velocidade nula a uma profundidade de 20 m Assim os valores de velocidade de corrente superficial obtidos foram 0 04 0 09 0 14 0 19 e 0 24 m s para as velocidades de vento de 4 9 14 19 e 24 m s respectivamente 3 4 2 Altura de Onda Olhando para a coluna respectiva s ondas na tabela 3 8 not rio que muitas vezes a altura de onda a considerar corresponde ao valor esperado de altura de onda dado que o vento sopra a uma determinada velocidade H E Hs Vhub Estas considera es que foram explicadas na sec o 2 1 2 n o podem no entanto ser utilizadas na an lise Para que se pudesse fazer uma an lise desse tipo teriam de existir dados simult neos de altura de onda e velocidade do vento 48
146. ite Fourier Transform Transformadas Finitas de Fourier Inversas IT Plataforma ITI Energy Barge xix XX LSWL MIS MSL NCM NSS NTM RAO S S SPAR SSS SWL TLP TLP UN WECS WG3 NDICE DE TABELAS Lowest Sea Water Level N vel mais Baixo das guas do Mar IEC61400 3 Misalignment Desalinhamento Mean Sea Level Nivel M dio das guas do Mar IEC61400 3 Normal Current Mode Modo de Corrente Normal IEC61400 3 Normal Sea State Estado de Mar Normal IEC61400 3 Normal Turbulence Model Modelo de Turbul ncia Normal IEC61400 1 Response Amplitude Operators Side to Side Lado e Outro deslocamento na direc o do eixo y Spar Buoy Severe Sea State Estado de Mar Severo IEC61400 3 Still Water Level N vel da gua Parada IEC61400 3 Tension Leg Platform Plataforma MIT NREL TLP Uni Directional Unidireccional IEC61400 3 Wind Energy Conversion Systems Working Group 3 Siglas AP APREN DEC DNV FAST EDP EUA FCT UNL FCT FEUP GE American Petroleum Institute Associa o Portuguesa de Energias Renov veis Departamento de Engenharia Civil Det Norske Veritas Fatigue Aerodynamics Structures and Turbulence Energia de Portugal S A Estados Unidos da Am rica Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa Faculdade de Ci ncias e Tecnologia Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto General Electric NDICE DE TABELAS GL IEC IH IMO
147. itindo a utiliza o de solu es menos resistentes e consequentemente mais econ micas 19 72 O facto dos cabos se arrastarem junto ao solo por v rios metros possibilita ainda o congestionamento com linhas de ancoragem de plataformas pr ximas e interfer ncia com actividades submarinas transformando assim a sua vantagem numa desvantagem pelo que a sua utiliza o deve ser bem pensada 19 85 Cabos de Ancoragem Traccionados As linhas de ancoragem com cabos traccionados s o mais vantajosas para maiores profundidades pois por fazerem geralmente um ngulo de 45 com o solo t m menor comprimento de cabo desde a plataforma funda o 19 72 85 Para al m de menor comprimento de cabo tamb m a rea circundante de influencia dos cabos significativamente menor como se pode ver na figura 1 21 pelo que interferem menos com o meio envolvente 72 Quando comparada com a solu o em caten ria a sua principal desvantagem prende se com o facto de por estarem constantemente traccionadas e com valores de trac o superiores este tipo de solu es transmitem esfor os bastante mais elevados s funda es levando a funda es mais complexas e dispendiosas 72 A ancoragem vertical a solu o em que o comprimento de cabos menor bem como a interfer ncia no meio circundante 19 72 As plataformas que utilizam ancoragens verticais t m a vantagem de ter o maior volume de plataforma submerso isto abaixo da li
148. l de Y Fun o de probabilidade marginal de X Fun o de probabilidade condicional de X dado Y y Fun o de probabilidade condicional de Y dado X x Tens o de ced ncia do a o Reac o na base da torre na direc o de x Reac o na base da torre na direc o de y Reac o na base da torre na direc o de z g Acelera o da gravidade E Hmaz Factor de rajada Altura de refer ncia de medi o das velocidades do vento Altura do obst culo Altura de onda Altura linear height Altura m xima de onda xxiv Ha Esso Tmaz T Xx INDICE DE TABELAS Altura significativa de onda Altura de onda extrema com um periodo de recorr ncia de 1 ano IEC6 1400 3 Altura de onda extrema com um per odo de recorr ncia de 50 anos IEC61400 3 Reac o na base da torre na direc o de x devido a imperfei es Reac o na base da torre na direc o de y devido a imperfei es Valor esperado de intensidade de turbul ncia cota da hub IEC61400 1 Intensidade da turbul ncia Intensidade de turbul ncia na direc o longitudinal Intensidade de turbul ncia na direc o lateral Intensidade de turbul ncia na direc o vertical Factor de forma de Weibull Coeficiente de normaliza o de ventos IEC61400 1 Coeficiente de normaliza o de ondas IEC61400 3 Largura linear Integral de escala do comprimento Momento na base da torre em torno de x Momento na base da torre em torno de y Moment
149. lasse da Turbina pelo IEC 46 IA Cut in Wind Speed 3 m s Rated Wind Speed 11 4 m s Cut out Wind Speed 25 m s Cut in Rotor Speed 6 9 rpm Rated Rotor Speed 12 1 rpm Rated Tip Speed 80 m s Overhang 5m Shaft Tilt fino Precone 25 Massa do Rotor 110000 kg Massa da Nacelle 240000 kg Massa da Torre 347500 kg Altura da Torre 87 6 m Altura do Centro de Massa da Torre 38 234 m Coordenadas do Centro de Massa do Conjunto 0 2 m 0 0 m 64 0 m Coeficiente de Amortecimento 1 Di metro do Topo da Torre 3 87 m Espessura do Topo da Torre 0 025 m Di metro da Base da Torre 6m Espessura da Base da Torre 0 035 m Tabela 3 7 Sum rio das caracter sticas principais da torre de suporte e da turbina e lica 50 55 66 67 3 2 CARACTER STICAS DA TORRE DE SUPORTE 105 O conjunto da torre com a turbina instalada recebe o nome de NREL Offshore 5 MW Baseline Wind Turbine 50 Trata se de uma turbina e lica upwind convencional de eixo horizontal com tr s p s e dois sistemas de controlo projectados para funcionar independentemente Variable Speed Generator Torque Controller e Rotor Collective Blade Pitch Controller O objectivo do primeiro sistema de controlo maximizar a captura de energia quando a turbina est a funcionar abaixo do Rated Wind Speed O objectivo do segundo sistema de controlo regular a ac o do vento sobre as p s quando a turbina est a funcionar acima do Rated Wind Speed ou at mesmo a protec o estrutural das p
150. liza o como plataforma de uma turbina e lica esse po o central til na medida em que utiliza a gua do mar como balastro 13 Para evitar que a plataforma se mova excessivamente o sistema de ancoragem composto por 8 cabos em caten ria Os cabos de ancoragem encontram se ligados plataforma quadrangular em grupos de dois em cada um dos quatro cantos da mesma 13 Foi corrida uma an lise linear no FAST de acordo com todas as prescri es indicadas no manual 53 tendo sido posteriormente feita uma an lise modal As frequ ncias naturais para os modos principais da estrutura encontram se exibidas na tabela 3 2 Modo Frequ ncia Hz Modo Frequ ncia Hz Platform Surge 0 0076 Platform Roll 0 0854 Platform Sway 0 0076 Platform Pitch 0 0849 Platform Heave 0 1283 Platform Yaw 0 0198 1 Tower S S 0 5375 1 Tower F A 0 5282 2 d Tower S S 3 0458 2 Tower F A 2 9760 Tabela 3 2 Frequ ncias naturais da estrutura com a plataforma ITI 67 As frequ ncias naturais obtidas para os modos principais da estrutura foram bastante pr ximas na maioria dos casos s exibidas na tabela 3 2 Tal facto not rio por observa o da tabela 3 3 Modo Frequ ncia Hz Erro Modo Frequ ncia Hz Erro 4 Platform Surge 0 0078 3 03 Platform Roll 0 0849 0 57 Platform Sway 0 0077 1 28 Platform Pitch 0 0849 0 01 Platform Heave 0 1283 0 01 Platform Yaw 0 0200 1 15 1 Tower S S 0 5354 0 38 1 t Tower F
151. lmente inclu dos na an lise global da estrutura n o necess rio efectuar verifica es de seguran a relativas a estabilidade desses elementos de acordo com 6 3 N o foi no entanto poss vel englobar os referidos esfor os na an lise global da estrutura Deste modo aos esfor os obtidos para cada combina o de ac es prescrita no IEC61400 3 ser o adicionados os esfor os devidos aos momentos de 2 ordem e imperfei es indicados no EC 3 1 1 de modo a que alguma da amplifica o din mica seja contabilizada Posteriormente ser o feitas verifica es de seguran a sec o transversal sujeita totalidade dos esfor os actuantes considerados A quantifica o das imperfei es e dos momentos de segunda ordem foi demonstrada na sec o 4 1 5 pelo que n o ser repetida posteriormente na an lise 4 2 AN LISE E DISCUSS O DOS RESULTADOS 145 Classifica o da Sec o De acordo com a tabela 5 2 do EC 3 1 1 as sec es tubulares s o classificadas de acordo com uma rela o entre o seu di metro e espessura ver figura 4 9 e tabela 4 9 Tubular sections 4 t d Y Figura 4 9 Dimens es a considerar de uma sec o tubular de acordo com o EC 3 1 1 23 Considerando se que o a o utilizado tem uma tens o de ced ncia de 235 MPa fy 235 MPa ent o segundo o EC 3 1 1 pode ser considerado o valor mais alto de e 1 Com esta considera o a rela o entre o di metro e a espessura ter
152. lo IH com recurso aos dados adquiridos pela b ia ond grafo de Leix es no per odo compreendido entre 2000 e 2010 com 77 de observa es v lidas O IH disponibiliza mediante requisi o a base de dados dos valores obtidos pelas suas b ias ond grafo No entanto este processo requer tempo devido a processos burocr ticos e ao elevado numero de pedidos pelo que foram utilizados os valores de refer ncia da tabela 2 5 Altura Significativa Hs m Desvio Padr o Altura M xima Hmaz m 2 05 1 09 9 7 Per odo M dio T s Desvio Padr o Per odo M ximo Tmaz S 6 7 1 7 14 5 Tabela 2 5 Valores calculados pelo IH para os dados obtidos pela bo a ond grafo de Leix es 2 3 3 Comportamento do Mar em Per odos Temporais Curtos Abordagem Determin stica As teorias de ondas foram desenvolvidas para uma profundidade d constante O seu objectivo prende se com a determina o da rela o entre o per odo de onda T e o comprimento de onda e a defini o da movimenta o das part culas de gua 34 Existem diferentes teorias de ondas que pretendem simular diferentes condi es de an lise No entanto diferentes teorias de ondas podem ser utilizadas para a mesma condi o de an lise como se pode ver no baco da figura 2 30 O baco da figura 2 30 faz uso dos par metros adimensionais S e u para a defini o da teoria de ondas a aplicar Deste modo importante definir esses par metros a
153. lus es Apesar de existirem j turbinas e licas instaladas em plataformas offshore estas estruturas ainda n o se encontram numa fase comercial sendo os prot tipos existentes uma ferramenta de auxilio para a fase em que nos encontramos neste momento estudo e demonstra o de potencial desta tecnologia Dos diversos designs de plataformas de suporte de turbinas e licas existentes actualmente optou se nesta disserta o por analisar e comparar a viabilidade da instala o ao largo da costa norte portuguesa da T Energy Barge e da MIT NREL TLP em termos de energia produzida deslocamentos da plataforma e esfor os na torre de sustenta o Foi ainda efectuada uma an lise em termos de frequ ncias para determinar at que ponto as frequ ncias de ondas e ventos caracter sticos dos locais de implanta o se aproximavam das frequ ncias caracter sticas das estruturas analisadas Na globalidade dos aspectos pode considerar se que para o local escolhido a TLP tem um comportamento melhor do que a ITI A produ o energ tica foi superior os movimentos da plataforma foram tal como os esfor os na base da torre consideravelmente inferiores e as frequ ncias pr prias da estrutura est o mais afastadas das frequ ncias mais relevantes de ondas e vento do local de implanta o O DLC 6 2a com o desalinhamento entre o rotor e a direc o principal do vento desalinhamento entre a direc o principal do vento e a de ondas e correntes e
154. m uma fonte de estabilidade e seguran a tendo contribu do para que me tornasse naquilo que sou hoje Agradecimento especial ainda para o Ruben Alves e Antonella Costa pela companhia apoio integral e divers o que me proporcionaram ao longo dos anos Aos meus amigos familiares e colegas por todos os bons e maus momentos proporcionados Este trabalho o culminar de um longo ciclo da minha vida fruto de trabalho rduo dedica o e priva o da minha parte mas nunca o teria conseguido sem o vosso apoio Gostava ainda de agradecer ao meu orientador Corneliu Cismasiu primeiramente por ter aceite orientar me neste tema que lhe propus e pela disponibilidade e auxilio prestados no decorrer do trabalho Agradecimentos ainda ao professor Rocha de Almeida pelo aux lio prestado nas verifica es de seguran a professora Maria de F tima Miguens pelos esclarecimentos no campo das probabilidades e ao Ten Maia Marques e Dra Mariana Costa do Instituto Hidrogr fico Portugu s pela rapidez na ced ncia dos dados requeridos Agrade o sinceramente a todos os referenciados e a muitos outros que ficaram por referenciar mas que sabem da sua import ncia e do apre o que lhes tenho Renato Miguel da Costa David Alves Resumo A necessidade de encontrar energias limpas e renov veis ditou um crescente investimento neste campo a n vel global De modo a tornar a energia e lica numa fonte de energia rent vel e competitiva necess
155. mente os valores sugeridos por Tempel de caracter te rico Tempel 84 Ronold 78 M dia parametro local offshore costa onshore Mar do Norte c GS 9 7 3 8 426 9 863 k 2 2 2 1 76 1 708 1 954 Tabela 3 10 Par metros da distribui o de Weibull k e c considerados 78 84 O primeiro objectivo passa assim por dizer que a velocidade dos ventos segue uma probabilidade de ocorr ncia de acordo com a fun o de probabilidade acumulada de Weibull explicitada na equa o 3 2 utilizando os valores m dios dos par metros k e c referidos na tabela 3 10 O segundo objectivo passa por associar a cada velocidade de vento V uma altura de onda Hs correspondente Relembre se que cada velocidade de vento tinha j uma probabilidade associada Deste modo houve uma procura por tentativas de obter uma express o matem tica em que 116 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO e Os valores m dios de H e Vw coincidissem com os valores que t nhamos das leituras isto H 2 05 me Vy 8 m s ou caso n o fosse poss vel valores pr ximos mas mais gravosos e O gr fico obtido dessa express o com velocidades de vento Vw nas abcissas e alturas de ondas H nas ordenadas tivesse de certo modo uma forma que estivesse de acordo com a medi es utilizadas por Ronold 78 vis veis na figura 3 4 Analisando essa figura notamos que entre os 5 m s e os 20 m s de velocidade de vento U10 temos uma grande disparidade de valores de altu
156. mento da velocidade do vento as p s do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal ou seja estas mudam o seu ngulo de passo para reduzir o ngulo de ataque como ilustrado na figura 2 27 Esta redu o diminui as for as aerodin micas intervenientes e consequentemente a velocidade das p s 61 Para qualquer velocidade do vento superior nominal o valor seleccionado do ngulo corresponde quele que permite turbina produzir apenas a pot ncia nominal Esse m todo possui um controlo mais preciso em especial junto da pot ncia m xima e auxilia o processo de arranque e paragem 61 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 83 Plano de i Rota o I a I Corte transversal Angulo do passo ngulo de ataque Figura 2 27 ngulo de passo e de ataque 61 A grande maioria dos fabricantes implementa controlo por pitch e a tend ncia geral um aumento do uso deste tipo de controlo especialmente em m quinas de maiores dimens es 64 A figura 2 24 mostra uma compara o entre a curva de pot ncia de uma turbina com controlo de pitch e outra com controlo de stall observando se que quando trabalhamos perto do cut out wind speed o controlo por pitch se torna bastante mais eficiente Mecanismo de Orienta o Direccional O sistema de orienta o direccional yaw orientation system necess rio para manter o rotor alinhado com o vento Os sistemas de orienta o direccional podem ser livres ou por cont
157. mento das diferentes localiza es de implanta o de turbinas edlicas 2 200 00 eee 40 1 38 Dist ncias m nimas entre turbinas e licas em campos e licos onshore e offshore 2 2 2 0 20000 eee ee 41 1 39 Programas de c lculo presentes na OC3 47 1 40 Esquema de funcionamento do c digo FAST 48 1 41 Graus de liberdade considerados no FAST 49 2 1 Passagem dos espectros de densidade para valores temporais 52 2 2 Convers o de dom nio do tempo para frequ ncia e vice versa com recurso a transformadas de Fourier 53 2 3 Exemplo de gr fico de dispers o 2004 55 2 4 Exemplo de corpos r gidos interligados num sistema multi body 57 2 5 Variabilidade das velocidades do vento com o tempo e em altura 60 2 6 Espectro de frequ ncias do vento ao longo de uma grande gama de valores de frequ ncia aes a mad ae E a A ee a 61 2 7 Consequ ncias da presen a de um obst culo no fluxo do vento 62 2 8 Espa amento entre turbinas num parque e lico devido ao efeito de 750 negra ME mi Saara epi Doom di en uia r a sue Rm di to MS a 63 2 9 Distribui o anual das velocidades de vento para v rias direc es medidas em Horns Rev cota de 62 metros 64 2 10 Altera o da distribui o de velocidades com a altera o do par metro e ce ie a E o AN a o e Ci A AR 66 2 11 Distribui o probabilidade densidade de Rayleigh para d
158. mos ver na sec o 2 2 5 Deste modo uma pequena varia o da velocidade do vento leva a uma grande varia o da pot ncia dispon vel 37 A energia e lica uma fonte de energia intermitente pois n o est sempre dispon vel A velocidade do vento varia bastante com o tempo podendo depender 37 64 e Da situa o meteorol gica fortemente dependente da poca do ano Pelo que a produ o pode variar entre o Ver o e o Inverno num factor de tr s ou quatro vezes e Da altura do dia podendo em alguns locais existir grandes disparidades nas velocidade do vento medidas durante o dia e durante a noite devido aos aquecimentos diferenciais da superf cie terrestre Analisando o vento num determinado local pode discernir se a influ ncia de alguns factores que condicionam a velocidade e a continuidade do seu fluxo pelo que interessa caracterizar o vento e os seus efeitos relacionados 2 2 1 Caracteriza o e Efeitos do Vento A velocidade do vento medida num local mostra varia es no espa o tempo e direc o 18 64 84 A figura 2 5 torna claro que a velocidade m dia do vento aumenta em altura e que a velocidade real do vento varia no tempo e direc o em torno do seu valor m dio devido ao efeito da turbul ncia 18 84 Em termos m dios o vento habitualmente caracterizado por uma velocidade crescente em altura No entanto as flutua es do escoamento conduzem considera o da sobreposi o de duas com
159. n c digo respons vel pela simula o dos ventos vai depois buscar os ficheiros de vento a essa pasta para os simular de modo a que se tornem inputs v lidos do FAST como se pode ver pelo esquema ilustrado na figura 3 9 As velocidades do vento consideradas para a simula o e indicadas nas tabelas deste capitulo que sumarizam os principais inputs de cada um dos DLC referem se velocidade do vento que sopra altura de refer ncia da nacelle 90 metros acima do nivel do mar O Aerodyn faz variar as velocidades do vento com a altura de acordo com a lei exponencial equa o 2 8 descrita na sec o 2 2 1 utilizando um factor de 0 14 como indicado pelo IEC61400 3 122 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO Condi es do Mar As altera es s condi es de mar s o efectuadas no platform file ver figura 3 9 Assim para impormos as grandezas desejadas temos de alterar e WaveHs para a altura de onda Hs e WaveTp para o per odo de pico Tp e CurrNSVO para a velocidade da corrente e WaveSeed 1 e WaveSeed 2 para alterar as randseeds do mar As condi es do mar s o geradas apartir da defini o destes par metros com recurso ao espectro de densidade de Pierson Moskowitz Direc es de Incid ncia H duas ideias a reter na direc o de incid ncia de ondas corrente e vento e representa o desalinhamento do rotor yaw rotation em rela o direc o principal de incid ncia do vento eixo do x medido atr
160. na e lica produzir o valor nominal de energia rated power e cut out wind speed o valor m ximo de velocidade de vento em que a turbina consegue trabalhar para valores de velocidade de vento superiores a turbina deixar de produzir energia por quest es de seguran a A pot ncia tem portanto de ser regulada podendo essa regula o ser feita por meios passivos isto desenhando o perfil das p s de modo a que entrem em perda aerodin mica stall a partir de determinada velocidade do vento sem necessidade de varia o do passo ou por meios activos isto variando o passo das p s pitch do rotor Para mais informa es sobre a ac o do vento sobre as p s aconselha se a pesquisa do assunto Blade Element Theory e ou a consulta de 16 44 e 64 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 81 Rated power Power kW Cut out wind speed Stall regulated turbine Pitch regulated turbine 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Wind speed m s Figura 2 24 Diferen as da curva de pot ncia por Pitch e por Stall 64 Assim enquanto as turbinas stall t m as p s fixas ou seja n o rodam em torno de um eixo longitudinal as turbinas pitch t m a possibilidade de rodar a p em torno do seu eixo longitudinal 22 Sls q fe Be operational position Figura 2 25 Diferen as de controlo de pot ncia por Pitch e por Stall 44 82 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFS
161. nal sendo disponibilizado gratuitamente online Tem a capacidade de simular a resposta de estruturas e licas onshore ou offshore s ac es do vento e mar especificadas pelo utilizador 51 Control System a Aero Rotor Drivetrain Power Wind Inflow i dynamics Dynamics Dynamics Generation Nacelle Dynamics Tower Dynamics TurbSim AeroDyn Waves amp Hydro Platform Dynamics Currents dynamics Mooring Dynamics Figura 1 40 Esquema de funcionamento do c digo FAST 66 Possibilita ainda a interac o com softwares comerciais matem ticos como o MATLAB ou softwares comerciais espec ficos da industria como o MSC ADAMS ou o GH Bladed 51 O esquema de funcionamento do programa apresentado na figura 1 40 MSC ADAMS FAST Universidades nos EUA 7 18 Institui es Governamentais dos EUA 9 10 Industria dos EUA 15 25 Resto do Mundo 9 21 Total 40 74 Tabela 1 3 Compara o entre o n mero de utilizadores do FAST e do MSC ADAMS em Junho de 2005 51 O software pode considerar at 24 graus de liberdade ver figura 1 41 sendo que 6 s o referentes aos movimentos da plataforma como foi descrito na sec o 1 3 1 Apresenta se certificado pela Germanischer Lloyd e tem tido 1 7 NORMAS E SOFTWARE DE REFER NCIA 49 resultados bastante consistentes quando comparado com outros programas de c lculo comerciais 51 53 54 Os factores apresentados levam a que este programa de c lculo seja ma
162. ncionamento Deste modo para condi es de avaria em que a turbina deixa subitamente de funcionar 2 x o utilizador que tem de alterar determinados par metros do FAST que forcem uma paragem do funcionamento turbina como ser descrito na sec o 3 5 O DLC 8 x que se refere ao transporte montagem e manuten o n o foi tamb m considerado De acordo com Jonkman 55 apesar destes quatro DLC n o considerados terem governado os carregamentos criticos de algumas turbinas e licas hist ricas de acordo com a sua vasta experi ncia elas n o s o as mais gravosas na grande maioria dos casos Pretendeu se que as avarias escolhidas para as simula es fossem as avarias com maior probabilidade de ocorr ncia As falhas e avarias foram por esse motivo escolhidas de acordo com a experi ncia de Jonkman 55 Os DLC considerados foram ent o e 1 x Turbina em Produ o Normal e 2 x Turbina em Produ o Normal com ocorr ncia de falha ou avaria e 6 x Turbina Parada e 7 x Turbina Parada com ocorr ncia de falha ou avaria 108 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO Todas as abreviaturas utilizadas nesta tabela 3 8 correspondem s abreviaturas utilizadas na norma IEC61400 3 A explica o do seu significado encontra se no in cio desta disserta o em Abreviaturas DLC Velocidade Altura de Direc es Outras do Vento Onda Ondas Vento Condi es 1 1 NTM NSS COD UNI V o lt Vhub
163. nha de gua Deste modo as ac es das ondas incidentes s o minimizadas mantendo se a plataforma bastante est vel Apresentam como desvantagens a maior complexidade de c lculo e instala o 72 1 3 5 Funda es A capacidade de carga da funda o depende sempre das caracter sticas do solo presentes no fundo oce nico A for a de corte do solo o mecanismo prim rio para resistir s for as aplicadas pela ncora O peso especifico do solo tamb m 22 CAP TULO 1 INTRODU O um factor a ter em conta Quanto mais profunda for a penetra o no solo maior ser a rea de solo afectada e consequentemente maior ser a capacidade de fixa o Os factores previamente citados variam tanto que a maioria das ncoras para instala es permanentes tem de ser projectadas especificamente para as condi es presentes no local caso a caso 72 A direc o da for a aplicada pela ncora tamb m influencia a capacidade de fixa o Se a for a for aplicada paralelamente ao fundo a ncora pode ser bastante eficiente sem ter de ser muito introduzida no fundo pois medida que vai sendo solicitada vai se introduzindo sozinha por arrasto por este motivo que os cabos de ancoragem em caten ria levam a ancoragens menos custosas visto as for as que actuam nos cabos junto ao solo serem predominantemente horizontais Acresce ainda o facto de necessitarem de menor precis o de posicionamento uma vez que a zona de fixa o n o
164. nte O vento considerado como o par metro principal uma vez que tem uma grande influ ncia neste tipo de estruturas e o seu comportamento tem efeito nas ondas e na corrente A altura de onda considerado como o segundo par metro mais importante 48 Interessa definir a no o de valor esperado condicional representado por E Hs Vi ou seja o valor da altura de onda H sabendo se que ocorreu o valor de velocidade de vento V uma vez que o referido valor exigido pela norma IEC61400 3 47 Ser feita nos par grafos seguintes uma demonstra o te rica utilizando apenas 2 vari veis aleat rias discretas velocidade do vento X e altura de onda Y Estas duas vari veis aleat rias ser o mutuamente dependentes ou correlacionadas uma vez que quanto mais forte for o vento maior ser a altura de onda 78 A distribui o que define o seu comportamento simult neo a Distribui o de Probabilidade Conjunta 2 1 CONCEITOS INTRODUT RIOS 55 Seja X Y uma vari vel aleat ria bidimensional discreta Ent o 70 81 fxy ay P X 2 Y y V Gay ER 2 3 A fun o de probabilidade conjunta de X Y representada por fx y x y Esta fun o definida com recurso a medi es simult neas de dois conjuntos de vari veis discretas distintas que podem ser representados com grande rigor em gr ficos de dispers o figura 2 3 em que uma das vari veis discretas aleat rias representada no eixo das ordenadas e
165. nto decorrente do teorema de Betz e definida pela equa o 2 29 20 Frotor Ar Par Vo Vi 2 29 Em que A representa a rea do rotor par a massa especifica do ar V a velocidade do vento incidente sobre o rotor e V a velocidade do vento saida deste Quando a turbina est parada o c lculo da for a exercida no rotor assemelha se ao c lculo da for a exercida na torre 29 Ac o exercida sobre a torre A ac o exercida pelo vento sobre a torre pode ser calculada atrav s da equa o 2 30 18 20 1 Frorre Cr 2 Par Da At 2 30 Em que A representa a area projectada da torre perpendicularmente ao fluxo de ar e C um coeficiente de resist ncia aerodin mico segundo 20 de press o segundo 18 Relembre se que a velocidade do vento U ento varia no tempo e em altura 2 2 6 Ac es Exercidas nas P s A geometria das p s do rotor determina a quantidade de energia que extra da a cada velocidade do vento A figura 2 23 ilustra as for as presentes numa p As grandezas intervenientes numa p evidenciadas na figura 2 23 s o 22 e O vector velocidade relativa do vento W que actua no elemento de p resulta de duas componentes a velocidade do vento U e a velocidade tangencial p Us e O ngulo de ataque a definido como sendo o ngulo entre a linha que une os bordos de entrada e de saida do perfil linha de corda e a velocidade relativa o ngulo de passo 73 que o ngulo
166. o 45 6 67 5 amp 90 Direc o de Corrente e Ondas P eS P EE Randseeds Consideradas 1 Outras Condi es Falha el ctrica impossibilita sistema de yaw de direccionar rotor com o vento Tabela 3 20 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 6 2a Neste DLC simula se a impossibilidade do sistema de orienta o direccional yaw da turbina se alinhar com a direc o principal do vento Deste modo o vento pode estar a vir de qualquer direc o pelo que s o testados v rios ngulos de incid ncia do vento por altera o do ngulo A possibilidade da direc o principal de ondas e corrente estar desalinhada com a direc o do vento tamb m prevista alterando se o ngulo Tal como no DLC anterior a norma IEC61400 3 obriga a simula o a ter uma dura o de 60 minutos devido ao estado de mar extremo ESS A turbina n o se encontra em funcionamento estando todas as p s em regime de trav o dispostas no seu ngulo de ataque m ximo de 90 3 5 10 Valores Utilizados no DLC 6 3a Este DLC diferencia se essencialmente do DLC 6 1a por se considerar a possibilidade do vento incidente sobre o rotor ter ngulos de desalinhamento mais gravosos NO DLC 6 1a consideravam se angulos entre 8 e 8 neste DLC consideram se angulos entre 20 e 20 No entanto os par metros de input de ondas e vento s o menos gravosos para este DLC do que para o DLC 6 1a Em vez de se considerarem
167. o de antes de se passar a uma an lise de fadiga todas as an lises de estado limite ultimo t m de ser verificadas 55 N o houve qualquer preocupa o ou contabiliza o dos custos neste trabalho factor que sempre determinante em projectos de engenharia N o foram tidos em considera o aspectos como a forma o de v rtices sismo crescimento marinho acidentes gelo ou trovoada N o foram simuladas as combina es de ac es que visam testar as situa es de transporte montagem manuten o e repara o DLC 8 do IEC61400 3 apesar destas n o serem geralmente condicionantes 55 A n o exist ncia de medi es combinadas de condi es do mar altura de onda e periodo e condi es do vento velocidade instant nea do vento obrigou utiliza o de simplifica es de modo a ter dados representativos do local perdendo se deste modo fiabilidade N o foram aplicadas todas as exig ncias do IEC61400 3 Isto deve se ao facto de n o se procurar com este trabalho tentar obter a certifica o da turbina e devido morosidade do procedimento Foram no entanto exploradas todas as situa es poss veis Nesse sentido foram corridas 1634 simula es equivalentes a 684 horas de simula o e perfazendo um total de 73 8 Gb de armazenamento de dados O software utilizado n o consegue fazer a an lise da plataforma flutuante offshore da Principle Power a executar em Portugal As capacidades actuais do software FAST
168. o e fechado no topo onde acoplada uma bomba de suc o A sua instala o pode ser realizada por uma embarca o provida de guindaste ou lan ada de popa Ocorre a penetra o de parte da estaca por peso pr prio seguida de acoplagem do ve culo operado remotamente com bomba de suc o que evacua a gua existente no interior da estaca causando a redu o da press o interna A penetra o ocorre quando o diferencial de press o hidrost tica desenvolvida no topo da estaca causado pela redu o da press o interna excede a resist ncia do solo 85 As estacas cravadas por suc o cujo esquema apresentado na figura 1 23 s o uma alternativa comum s ncoras de carga vertical Apesar de serem mais usadas para sistemas de cabos em caten ria s o bastante mais efectivas s cargas verticais do que as ncoras convencionais 72 24 CAP TULO 1 INTRODU O LOWERING CABLES HOSE TO SUCTION PUMP Figura 1 23 Ancoragem de suc o a mostrar o fluir de gua que se forma durante a fixa o 92 ncora de Placa Pile Driven Plate Anchors Esta ncora utiliza os mesmos princ pios da ancora de suc o mas com recurso a menos material e menores custos A sua principal vantagem prende se com o facto de quando s o aplicadas cargas de tens o ncora esta roda no solo permitindo uma maior fixa o uma vez que se crava numa cunha maior de solo Pode ainda ser colocada num local preciso e suporta grandes esfor os
169. o hydro servo elastic desenvolvidos para modelar a resposta de estruturas e licas offshore sujeitas s ac es din micas do ambiente em que se inserem s o testadas no OC3 Offshore Code Comparison Colaboration Neste projecto os c digos dos diferentes participantes s o comparados atrav s dos resultados obtidos para as mesmas estruturas sujeitas s mesmas condi es Deste modo os participantes conseguem ter indica es sobre a consist ncia dos seus c digos num ricos de modo a poderem melhor los Numa fase inicial o compartilhar de informa es entre os diversos participantes considerado ben fico apesar dos diferentes c digos deverem ser vistos como competidores 54 O projecto OC3 assim realizado atrav s de troca de informa o t cnica entre o grupo de participantes internacionais oriundos de universidades institui es de pesquisa e industria Est o representados participantes de universidades como o Laborat rio Nacional da Universidade T cnica da Dinamarca Riso DTU a Universidade Norueguesa de Ci ncia e Tecnologia NTNU a Universidade da Vida e Ci ncia da Noruega UMB a Universidade Leibniz de Hannover LUH e a Universidade de Ci ncia e Tecnologia de Pohang POSTECH Est o representadas institui es de pesquisa como o Laborat rio Nacional de Energias Renov veis dos EUA NREL e o Instituto para a Energia e Tecnologia da Noruega IFE Est o ainda representadas empresas da especialidad
170. o n o ter condi es de ondas t o severas como o Mar do Norte o facto do Mar B ltico estar coberto por gelo durante o Inverno deu bastante relev ncia a este projecto 84 Middelgrunden foi um projecto de demonstra o instalado em 2001 a cerca de 3 kms de Copenhaga Sendo na altura o maior campo e lico offshore abriu caminho para a constru o de projectos de maior dimens o como Horns Rev em 2002 e Nysted em 2003 com uma pot ncia total instalada de 165 6 MW 73 p E o ai Figura 1 27 Parque e lico offshore Horns Rev 1 As 80 turbinas ao largo da costa oeste da Dinamarca tornavam em 2002 o campo de Horns Rev figura 1 27 no maior campo e lico offshore escala global 1 4 ESTADO DA ARTE 29 Sobre este campo e a sua localiza o existe actualmente uma grande base de dados de informa es desde as condi es do solo at s condi es de vento e ondas O parque e lico situa se no Mar do Norte a cerca de 14 kms da costa estando exposto a ventos intensos mas sobretudo a condi es do mar adversas As 80 turbinas do parque s o capazes de produzir um m ximo de 160 MW o suficiente para cerca de 2 das necessidades energ ticas da Dinamarca 84 Horns Rev e Nysted tiveram no entanto derrapagens or amentais e uma percentagem de falhas superior ao que se esperava a juntar relativa imaturidade para planeamento e execu o deste tipo de projectos houve ainda o facto de os efeitos do vento e ondas t
171. o na base da torre em torno de z Pot ncia total dispon vel no fluxo de vento Pot ncia mec nica extra da do vento Par metro de tamanho de onda Fun o que define o especiro de densidade Tempo Per odo de onda Dura o da simula o Per odo m ximo de onda Per odo de pico de onda Per odo m dio de onda NDICE DE TABELAS XXV U Velocidade do vento U Velocidade m dia do vento Uco Velocidade da corrente na origem do referencial z 0 Uc z Velocidade da corrente cota z Ugust Velocidade da rajada Gust Ur N mero de Ursell Velocidade das part culas de gua na direc o horizontal x t Acelera o das part culas de gua na direc o horizontal Velocidade m dia do vento cota z Componente de velocidade m dia do vento Uw Velocidade m dia do vento cota de refer ncia z u z t Velocidade total do vento em fun o de z e t na direc o longitudinal u z t Componente de velocidade vari vel do vento em fun o de z e t V Velocidade de vento extrema com um per odo de recorr ncia de 1 ano IEC61400 1 V5o Velocidade de vento extrema com um per odo de recorr ncia de 50 anos IEC61400 1 Vhub Velocidade do vento cota da hub IEC61400 1 Vin Cut in wind speed IEC61400 1 Vout Cut out wind speed IEC61400 1 V Rated wind speed IEC61400 1 Vef Reference wind speed IEC61400 1 Vw Velocidade do vento Velocidade total do vento em fun o de z e t na direc o lateral Velocidade das
172. o para descrever estados de mar totalmente desenvolvidos Para um estado de mar mais pr ximo da costa geralmente utilizado o espectro de JONSWAP para a descri o do comportamento das ondas 27 De uma forma simplista para distinguir estes dois espectros pode dizer se que o espectro de Pierson Moskowitz tem uma maior abrang ncia de frequ ncias enquanto o JONSWAP tem um pico espectral mais pronunciado como se pode ver na figura 2 32 27 De facto o JONSWAP acaba por ser uma extens o do Pierson Moskowitz uma vez que quando o par metro de pico do espectro y iguala a unidade isto y 1 o espectro de JONSWAP torna se igual ao espectro de Pierson Moskowitz como se constata por compara o das equa es 2 39 e 2 40 92 Com um espectro de densidade de frequ ncias de mar ajustado s caracter sticas do local podemos converter o espectro em sinus ides individuais com uma transformada inversa de Fourier As sinus ides obtidas t m uma amplitude e frequ ncia que pode ser derivada atrav s da express o de densidade do pr prio 92 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE S 5 I l l r I I l l l Figura 2 32 Espectro de densidade de ondas de JONSWAP para diferentes valores de y 34 espectro A soma das ondas harm nicas obtidas define a eleva o da superf cie do mar u em cada ponto de x para cada valor de tempo t Deste modo para cada onda harm nica os mov
173. omo se viu na figura 1 39 para a componente estrutural o FAST utiliza Multibody Dynamics Este tipo de an lise enquadra se no dom nio do m todo dos elementos finitos e utilizado para modelar o comportamento din mico de corpos 2 1 CONCEITOS INTRODUT RIOS 57 interligados entre si 89 A Multibody Dynamics foi inicialmente desenvolvido como uma ferramenta para modelar mecanismos de corpos r gidos simples mas evoluiu rapidamente at ao ponto de conseguir lidar com sistemas complexos r gidos ou flex veis e acoplados de diferentes formas por isso vastamente utilizado como ferramenta de projecto em muitas reas da Engenharia Mec nica 12 O sucesso desta t cnica prende se com a sua flexibilidade 12 e Um mecanismo pode ser modelado por um processo em que os seus componentes s o identificados atrav s de uma biblioteca de elementos implementada no c digo e Os elementos presentes na biblioteca v o desde corpos r gidos ou flex veis at sub estruturas e Acoplando os v rios elementos poss vel construir um modelo matem tico com o n vel de precis o necess rio ARVA universal joint global joint with reference frame kinematical excitation A eg a ie prismatic joint extemal torque Figura 2 4 Exemplo de corpos rigidos interligados num sistema multi body 89 Os corpos r gidos utilizados para a modela o caracterizam se pelo facto da sua flexibilidade poder ser desprez
174. ondas com varia o na seed de mar Das 12 pedidas pela norma foram feitas 3 varia es de seed para o DLC 2 1 e das 6 pedidas para o DLC 2 3 foram feitas 2 Isto resultou num total de 45 simula es para o DLC 2 1 e 166 simula es para o DLC 2 3 3 3 4 Coeficientes Parciais de Seguran a O ltimo passo do esquema de procedimento de c lculo aconselhado pelo IEC61400 3 e apresentado na figura 3 2 corresponde verifica o da integridade estrutural Tal ser efectuado nas sec es 4 2 5 e 4 2 6 Para passar verifica o de seguran a os valores obtidos pelas simula es das combina es de ac es devem ser afectados pelos coeficientes parciais de seguran a Limit State Analyses 7 6 do IEC61400 3 A afecta o com factores parciais de seguran a pode ser efectuada sobre as ac es a aplicar ou sobre os esfor os obtidos consoante se siga a abordagem 1 ou a abordagem 2 respectivamente ver figura 3 3 Os factores parciais de seguran a relevantes para a an lise que constam do IEC61400 3 e respectivos valores podem ser consultados na tabela 3 9 Os factores parciais de seguran a prendem se sobretudo com o facto de ser considerada uma situa o normal uma situa o anormal ou um estado limite de fadiga repita se que os estados limites de fadiga n o foram considerados na an lise Condi o Desfavor vel Condi o Favor vel Situa o Normal N Situa o Anormal A Todas as Situa es 1 35 1
175. onferir rigidez estrutura minimizando o deslocamento da plataforma ou seja quanto mais r gido for o sistema de ancoragem menor ser o deslocamento da plataforma Sendo assim o sistema projectado para possuir a rigidez necess ria para se obter um deslocamento m ximo de projecto da estrutura devido ac o de vento corrente e ondas 19 85 Cabos de Ancoragem em Caten ria Os cabos de ancoragem em caten ria representados na figura 1 21 s o caracterizados por permitirem maiores deslocamentos da plataforma 72 Geralmente a tens o vertical presente nos cabos insuficiente para manter a estabilidade da plataforma para que esta n o rode movimentos de pitch e roll Isto torna se mais gravoso no caso de turbinas e licas em que o peso e as for as horizontais est o bastante acima do centro de flutua o Deste modo tem de ser adicionado balastro abaixo do centro de flutua o de modo a conferir estabilidade 72 1 3 PLATAFORMAS FLUTUANTES 21 As baixas tens es verticais caracter sticas deste tipo de solu o levam ainda que uma parte maior da plataforma flutuante esteja acima da linha de gua estando assim sujeita a maiores carregamentos das ondas 72 Possuem um comprimento de linha de ancoragem grande desde a plataforma at funda o em que uma boa parte da linha de ancoragem se encontra junta ao solo Tal facto causa atrito o que gera um aligeiramento dos esfor os transmitidos para as funda es perm
176. or ac o do esfor o transverso figura 4 11 b de acordo com A 2 7 calculada atrav s da equa o 4 5 4 4 T J o yV Irrt No c lculo da tens o de corte 7 4 por ac o do esfor o transverso foram considerados os esfor os transversos F e Fy Tmax 4 5 Distribui o de Tens es na Sec o As figuras 4 10 e 4 11 mostram as tens es geradas na casca devido ac o de diferentes tipos de carregamentos Por observa o das mesmas evidenciam se os seguintes aspectos e O carregamento axial e a tor o provocam respectivamente valores uniformes de tens es axiais cy e de corte r em qualquer ponto analisado da casca 148 CAP TULO 4 DISCUSS O DOS RESULTADOS e Os momentos flectores e os esfor os transversos provocam respectivamente valores de tens es axiais o e de corte r que variam consoante o ponto considerado da casca gt gt Bs PP ae ge NS N On a Distribui o de tens es na casca b Distribui o de tens es na casca provocadas por Mz provocadas por My Figura 4 12 Distribui o de tens es na casca provocadas por momentos flectores As figuras 4 12 e 4 13 demonstram a forma como as tens es variam ao longo da casca consoante os carregamentos considerados Os eixos ilustrados est o de acordo com os GDL da plataforma F N RA VN if AN R S Bt T NA LA T AA e Te 1 j 4 oc Pi A a a
177. os na tabela 2 6 ER For a Hidrodin mica N m fa For a de Arrasto Hidrodin mica N m J3 For a de In rcia Hidrodin mica N m Ca Coeficiente de Arrasto Hidrodin mico CF Coeficiente de In rcia Hidrodinamico Dagua Densidade da gua kg m u Velocidade das part culas de gua m s Acelera o das part culas de gua m s D Di metro da Sec o Cil ndrica ml Tabela 2 6 Grandezas e par metros da equa o de Morison 84 Os coeficientes de arrasto C4 e de In rcia Cm s o obtidos atrav s de testes laboratoriais sendo fun o de diferentes par metros tais como o n mero de Keulegan Carpenter o n mero de Reynolds e a rugosidade da superficie do elemento Uma vez que Ca e Cm s o obtidos experimentalmente atrav s de testes em laborat rio os seus valores variam consoante a literatura consultada 20 27 65 92 2 3 6 Correntes Geralmente considera se que as correntes mar timas se geram tal como as ondas sobretudo por ac o dos ventos No entanto de acordo com IEC61400 3 47 devemos ter em conta os seguintes componentes para a defini o da velocidade da corrente e correntes superficiais geradas pelo vento 2 3 CONCEITOS RELATIVOS AO MAR 95 e correntes costeiras com direc o paralela costa induzidas pelas ondas e correntes sub superficiais geradas por tempestades mar s e varia es de press o atmosf rica O IEC61400 3 considera sobretudo a maneira como as corrent
178. os s o transformados em processos discretos por forma a materializar a informa o obtida atrav s de uma amostragem de valores 11 54 CAP TULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE A base das transformadas de Fourier a suposi o de que processos aleat rios podem ser representados pela soma de um certo n mero de fun es harmonicas cada uma com uma amplitude frequ ncia e ngulo de fase espec ficos 84 Uma vez que as s ries temporais est o definidas num intervalo de tempo finito tempo das simula es executadas ser o utilizadas transformadas inversas finitas de Fourier que t m a forma 11 84 N a t x An x sin fn X 2at dn 0 lt t lt Ta 2 2a n 1 emque A V2 x S fn x Af 2 2b Em que 4 a amplitude f a frequ ncia Ay o passo da frequ ncia S fn o espectro de densidade t o tempo o ngulo de fase N o limite do dominio de frequ ncia considerado x t o valor da vari vel aleat ria no instante te T4 a dura o da hist ria de tempo dura o da simula o 2 1 2 Valor Esperado Condicional Para considerar correctamente os efeitos simult neos das ac es actuantes a norma utilizada neste trabalho IEC61400 3 47 considera em muitas das combina es de ac es descritas uma correla o entre as grandezas caracteristicas das ac es din micas de interesse 48 As ac es que ocorrem em simult neo s o as do vento ondas e corre
179. os temporais longos refere se distribui o das velocidades m dias do vento 27 A distribui o anual das velocidades do vento muito dependente das caracter sticas especificas do local como foi visto e mesmo a m dia da velocidade do vento anual vari vel de ano para ano pelo que prefer vel que sejam utilizadas medidas de v rios anos 84 A figura 2 9 exemplo de como at a direc o do vento influencia a m dia da velocidade do vento anual mostrando que as probabilidades de ocorr ncia de uma determinada velocidade de vento podem variar consoante a direc o de medi o Hern Rev Mind Speed Distribution Level amp 2 m Caerwatlena F a d a F i iid vd ta ti iF i aj 21 4 Tap of Wind Spadd Dir jm Figura 2 9 Distribui o anual das velocidades de vento para v rias direc es medidas em Horns Rev cota de 62 metros 84 Para o caso de varia es lentas de velocidade medidas em longos per odos temporais a analise pode ser efectuada com recurso a distribui es estat sticas do tipo densidade de probabilidade Este tipo de distribui es representa a probabilidade da velocidade do vento ser igual a um determinado valor 22 Uma fun o densidade de probabilidade deve para fins de utiliza o pr tica satisfazer dois requisitos principais 61 e O gr fico gerado deve representar o mais aproximadamente poss vel o histograma de velocidades 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO
180. ponentes 18 A primeira componente de comportamento mais regular fun o somente da altura ao solo z e denomina se velocidade m dia do vento A velocidade m dia calculada com base num per odo que caia dentro do vazio espectral 60 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE ver figura 2 6 tipicamente entre 10 minutos e 1 hora e representa o regime quase estacion rio de energia dispon vel para a turbina 22 84 u yu t u t 1 Pl la or T y uz N uiz t T t 0 I Ny N aff N t p a Varia o da velocidade do vento com o tempo b Varia o da velocidade do vento com a altura Figura 2 5 Variabilidade das velocidades do vento com o tempo e em altura 18 A segunda componente de comportamento vari vel fun o da altura ao solo z e ainda fun o do tempo t O seu comportamento vari vel deve se sua instabilidade provocada pela turbul ncia A turbul ncia afecta tamb m a energia dispon vel mas de forma indirecta uma vez que a turbina n o reage a flutua es r pidas na velocidade ou na direc o do vento 22 Deste modo a equa o 2 7 traduz as varia es temporais e espaciais em altura da velocidade do vento 18 u z t U z u z t 2 7 A exist ncia de uma zona de vazio espectral figura 2 6 com muito pouca energia associada permite tratar separadamente as duas componentes caracter sticas do vento e encarar a turbul ncia como um
181. que est o encarregues de aplicar a legisla o As entidades certificadoras s o organiza es que estabelecem normas t cnicas relacionadas com o projecto constru o e inspec o de instala es mar timas incluindo navios e plataformas offshore Um navio ou uma plataforma offshore projectada e constru da de acordo com as regras de uma entidade certificadora pode requerer um certificado de classifica o dessa sociedade O certificado emitido ap s a conclus o das inspec es relevantes Actualmente existem a nivel mundial cerca de 50 organiza es definidas como entidades certificadoras A legisla o varia consoante a abrang ncia geogr fica podendo ter mbito nacional europeu ou internacional Em Portugal n o existe legisla o nacional referente a plataformas offshore pelo que a legisla o em vigor ter de ser de n vel internacional Apesar das pr ticas recomend veis e normas produzidas pelas entidades certificadoras serem mais abrangentes que o MODU CODE este c digo para a constru o de equipamentos m veis para unidades de perfura o offshore Mobile Offshore Drilling Units elaborado pelo Intergovernmental Maritime Organization IMO tem de ser respeitado visto ser de car cter obrigat rio 85 88 Interessa por isso conhecer as regras e softwares correntemente em vigor 1 7 1 Normas e Regulamentos em Vigor As entidades cerificadoras de refer ncia no campo de estudo desta disserta o s
182. ra conseguir a estabiliza o 17 e Balastro Adquirem estabilidade usando peso de balastro abaixo dum tanque de flutua o central Este por sua vez cria um momento de correc o e valores elevados de in rcia de rota o pitch e roll Usualmente conseguem ainda ter superf cie submersa suficiente draft para vencerem os movimentos verticais heave plataformas do tipo Spar Buoy e Cabos de Ancoragem Fazem uso da tens o nos cabos de ancoragem para manterem a estabilidade plataformas do tipo TLP e Flutua o Usam o principio das embarca es para a estabiliza o deste modo tiram partido de uma grande rea plana de flutua o sobre a superf cie marinha para obterem momentos de correc o plataformas do tipo Barge Cada uma destas categorias de plataforma flutuante tem caracter sticas pr prias que podem ou n o ser desej veis para o uso com turbinas e licas 17 Na pr tica todos os prot tipos de plataformas flutuantes acabam por ter designs h bridos uma vez que adquirem a sua estabilidade est tica recorrendo aos tr s m todos apesar de geralmente se apoiarem mais num deles Os actuais designs de plataformas concebidos podem ser inclu dos dentro do esquema de tri ngulo da figura 1 20 Os projectistas procuram assim encontrar um equilibro perfeito entre as op es de estabiliza o e os custos 17 Ballast Stabllized Tethered Spar Buoy MIT Boats Taut leg Spar Sg E Barge Buoy
183. ra de onda H entre cerca de 1 6 m e 3 2 m logo a express o 3 3 tem de conferir uma maior inclina o no inicio do gr fico acima dos 20 m s de velocidade de vento Uio temos uma menor disparidade de valores de altura de onda H entre cerca de 3 3 m e 4 3 m logo a express o 3 3 tem de conferir menor inclina o nos valores finais do gr fico A express o encontrada por tentativas que melhor respeitava as condi es previamente referidas evidenciada pela equa o 3 3 com os par metros a b e d com os valores 0 279 4 123 e 0 8932 respectivamente Vw ya H Vw d ee 3 3 Esta expressao foi ainda baseada numa expressao similar usada por Ronold para modelar condi es de vento e ondas combinadas num documento produzido para a RECOFF 79 7 6 4 E Hs SSS Vw E Hs Vw es Hs Vw E Lici o 4 O 3 o 3 E Hs Vw B E Hs SSS Vw q 2 1 04 0 10 20 30 40 Velocidade do Vento m s Figura 3 6 Valores obtidos para o valor esperado condicional de H em fun o de Vw ou simplesmente E Hs Vi 3 4 AC ES CONSIDERADAS NA AN LISE 117 Foi assim utilizada a equa o 3 3 com os par metros referidos para associar as velocidade de vento V a uma altura de onda correspondente H sendo o gr fico do valor esperado de altura de onda em fun o do vento E Hs Vi vis vel na figura 3 6 Estando j as probabilidades de ocorr ncia associadas s v
184. rgy Potential Relat rio T cnico 6 European Environment Agency 2009 36 Estanqueiro Ana Associa o de Turbinas em Parques E licos In Conserva o e Convers o de Energia Engenharia dos Materiais FCTUNL 2004 37 Estanqueiro Ana Conceitos Gen ricos Energia E lica In Conserva o e Convers o de Energia Engenharia dos Materiais FCT UNL 2004 38 Esteves Rita Mariana Costa F Sansana Silva e J P Pinto Caracteriza o de eventos extremos de agita o mar tima em Portugal Continental 12 Jornadas de Engenharia Hidrogr fica Junho 2010 39 Frank Helmut P Ole Rathmann Niels G Mortensen e Lars Landberg The NumericalWind Atlas the KAMM WAsP Method In Riso R 1252 EN Junho 2001 40 Fulton Gordon R David J Malcolm e Emil Moroz Design of a Semi Submersible Platform for a 5MW Wind Turbine In 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 2006 41 Fulton G R D J Malcolm H Elwany W Stewart E Moroz e H Dempster Semi Submersible Platform and Anchor Foundation Systems for Wind Turbine Support In NREL SR 500 40282 Concept Marine Associates Inc National Renewable Energy Laboratory 2007 42 Guerreiro Lu s Ac o s smica Engenharia S smica de Pontes Mestrado em Engenharia de Estruturas Instituto Superior T cnico 2011 160 BIBLIOGRAFIA 43 GWEC Global Wind Report Annual Market Update 2010 Relat rio T cnico Global Wind energy Council Abril 2011 44
185. ridos elementos foram dedinidas ao longo do desenvolvimento dos mesmos A nacelle e o hub s o modelados no FAST como corpos r gidos com valores de massa localizada e in rcia apropriados 55 A plataforma de suporte considerada no FAST como um corpo r gido uma vez que se considera bastante mais resistente e inflex vel do que as p s e a torre de sustenta o onde os efeitos directos do mar n o s o t o importantes A plataforma apresenta ainda tal como foi referido na sec o 1 3 1 6 graus de liberdade 3 translacionais e 3 rotacionais 55 Para al m disso considera se que a torre est encastrada na plataforma flutuante estando o Centro de Massa CM e o Centro de Flutua o COB da plataforma flutuante situados ao longo do eixo central da torre indeformada 55 Corresponde ao centro de gravidade do volume de l quido deslocado pela parte submersa do corpo flutuante 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 59 2 2 Conceitos Relativos Ao Vento Os ventos s o originados por diferen as de press o ao longo da superf cie do planeta devido a aquecimentos desiguais por radia o solar Por exemplo a quantidade de radia o solar absorvida na superf cie terrestre superior no Equador do que nos P los Num modelo de fluxo simples poder amos dizer que o ar sobe no Equador e desce nos P los 64 A pot ncia retirada do vento pelas turbinas e licas aproximadamente proporcional ao cubo da velocidade do vento como ire
186. rno est o divididas em teorias lineares e n o lineares 92 A forma probabil stica utilizada para descrever ondas em per odos longos de tempo recorrendo ao uso de espectros de densidade de ondas podendo tamb m ser utilizada para per odos curtos de tempo de forma a representar a irregularidade das ondas como ser mostrado na sec o 2 3 4 A utiliza o de espectros considera apenas ondas lineares 65 92 86 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Para uma melhor compreens o deste tema interessa introduzir alguns conceitos de descri o de ondas Par metros de Interesse na abordagem Determin stica Para uma melhor compreens o da abordagem determin stica descrita na sec o 2 3 3 importa introduzir os par metros ilustrados na figura 2 29 34 Wave speed c Wave period T A c Surface elevation shown at 1 0 Figura 2 29 Defini o de uma onda harmonica simples 34 e Comprimento da onda m distancia entre cristas sucessivas e Per odo de onda T s intervalo de tempo entre cristas sucessivas e Celeridade c 4 m s velocidade de propaga o da onda e Frequ ncia f Hz inverso do per odo de onda e Frequ ncia angular w rad s varia o angular em fun o do tempo e Altura da onda H 2A m dist ncia entre a crista e a calha da onda e Amplitude da onda A m valor maximo da eleva o da superf cie de onda
187. rolo activo Os sistemas por controlo activo s o sempre usados em turbinas upwind sendo por vezes usados em turbinas downwind Este sistema requer a utiliza o de motores que fa am rodar o sistema de orienta o direccional yaw bearing n 13 da figura 1 11 O mecanismo controlado por um sistema autom tico que detecta se o rotor est alinhado ou n o com o vento atrav s de um sensor normalmente montado na nacelle n 10 da figura 1 11 Por vezes s o ainda usados trav es para manter a nacelle alinhada numa determinada posi o 84 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Por outro lado os sistemas de orienta o direccional livres isto que se conseguem alinhar por si mesmos com o vento s o usados exclusivamente em turbinas downwind 64 Yaw axis Nacelle a Sm lt i gt Yaw System Blade Figura 2 28 Exemplo esquem tico do sistema de orienta o direccional 44 2 3 CONCEITOS RELATIVOS AO MAR 85 2 3 Conceitos Relativos Ao Mar Os oceanos ocupam a maior parte da rea terrestre A gua contida nos oceanos n o permanece parada pelo contr rio movimenta se constantemente sob forma de ondas mar s e correntes mar timas As ondas s o causadas sobretudo pelo vento pelo que num local especifico podem existir ondas de dois tipos devido ao vento local e geradas noutra zona e propagadas para a localiza o especificada As ondas oce nicas s o irregulares e aleat rias em form
188. s permitem fazer simula es em estruturas cujo CM da plataforma se situe ao longo da linha m dia da torre indeformada 53 Na estrutura a implementar em Portugal isto n o acontece uma vez que torre est instalada numa das extremidades da plataforma Dos sub casos preconizados no IEC61400 3 representados pelas letras a b e c foi apenas simulado o sub caso a pois o FAST n o tem ainda a capacidade de simular ondas n o lineares 55 A verifica o da seguran a da torre baseia se exclusivamente nas caracter sticas da sec o da torre e nos esfor os obtidos para a base n o sendo analisadas as liga es plataforma torre ou a liga o entre a torre e os componentes da turbina 156 CAP TULO 5 CONCLUS ES 5 3 Trabalho Futuro A rea das energias renov veis est em grande expans o Sendo a industria e lica offshore uma das que mais tem expandido esta industria tem proporcionado a cria o de milhares de novos empregos na Europa 43 Seria interessante que por parte das faculdades houvesse um interesse neste campo ou at mesmo uma tentativa de coopera o entre Engenharia Naval Civil e Mec nica para desenvolvimento de plataformas torre e turbina e lica Neste sentido e no mbito do assunto desta disserta o propdem se os seguintes desenvolvimentos futuros e Estudo e dimensionamento de cabos de ancoragem espec ficos para a utiliza o em plataformas flutuantes e Estudo e dimensionamento de diferent
189. s DLC DLC Surge m Sway m Heave m Roll Pitch Yaw 1 1 7 4 0 7 0 2 0 1 0 7 3 2 1 3 7 4 0 9 0 2 0 2 0 8 3 9 1 4 8 4 0 5 0 2 0 2 0 6 59 1 5 6 6 0 4 0 1 0 1 0 5 3 0 1 6a 9 0 lie 0 3 0 3 0 8 3 0 2 1 7 4 1 3 0 3 0 5 0 8 21 2 2 3 rai 0 3 0 2 0 1 0 6 0 8 6 1 3 2 3 0 0 1 0 4 0 9 4 5 6 2 S 6 6 1 8 3 0 aa 65 7 6 3 2 8 3 5 0 1 0 7 0 7 6 6 7 1 3 7 3 5 0 0 0 5 0 6 5 4 Tabela 4 3 Valores m ximos de deslocamento da TLP obtidos para cada um dos DLC 4 1 APRESENTA O DE RESULTADOS 135 4 1 4 Esfor os na Base da Torre S o apresentados nesta sec o os valores m ximos de esfor os obtidos na base da torre de sustenta o instalada nas diferentes plataformas analisadas para cada um dos DLC estabelecidos no IEC61400 3 simulados neste trabalho DLC F kN F KN FP kN M KNm M kKNm M KN m 1 1 3374 1042 8145 88370 262700 8731 1 3 3396 1246 8153 105100 263800 10370 1 4 2549 368 7502 38980 201100 10630 1 5 2033 414 7446 35800 162200 6188 16a 5107 1744 8414 139000 398300 11750 21 4891 1834 8145 146700 381100 31940 23 2528 506 7496 34240 198900 4422 6 1 5428 2948 7644 232700 422300 5209 6 2 12650 11830 10270 710400 553500 154200 6 3 4697 4469 7435 350300 365900 12520 7 1 3388 3592 7407 285200 273200 2497 Tabela 4 4 Valores m ximos dos esfor os na base da torre instalada na ITI obtidos para cada um dos DLC DLC F kN F kN FP kN M KNm M KNm M KN m
190. s esfor os actuantes nas direc es consideradas 149 ndice de Tabelas 1 1 Pr s e contras da escolha de diferentes sistemas de estabiliza o de plataformas flutuantes 222000 19 1 2 Caracter sticas Principais da Plataforma Windfloat 39 1 3 Compara o entre o n mero de utilizadores do FAST e do MSC ADAMS em Junho de 2005 2 2 2040 48 2 1 Valores do coeficiente de rugosidade rug do comprimento de rugosidade 20 t r d e a E e E R E a a a 62 2 2 Par metros da distribui o de Weibull k e c sugeridos por diferentes QULOTOS oii ae a a a Ea aed a a a e a aa ee E co DA 65 2 3 Grandezas de interesse para os espectros de densidade do vento 69 2 4 Regimes de funcionamento das pas 2 2084 80 2 5 Valores calculados pelo IH para os dados obtidos pela bo a ond grafo de Leix es se Sa ete ad oe ers eh eet a PES 88 2 6 Grandezas e par metros da equa o de Morison 94 3 1 Sumario das propriedades da ITI Energy Barge Platform 100 3 2 Frequ ncias naturais da estrutura com a plataforma ITI 101 3 3 Frequ ncias naturais obtidas para a estrutura na plataforma ITI 101 3 4 Sum rio das Propriedades da MIT NRELTLP 102 3 5 Frequ ncias naturais da estrutura com a plataforma TLP 108 3 6 Frequ ncias naturais obtidas para a estrutura na plataforma TLP 103 3 7 Sum rio das caracter sticas principais da torre de supor
191. s apresenta se como um design h brido entre uma SPAR e uma TLP de um nico cabo traccionado com uma ncora de suc o Os seus pontos fortes s o a leveza do a o empregue Tem a particularidade de contrariamente grande maioria dos outros projectos este apresentar uma turbina downwind O primeiro prot tipo foi lan ado em Mar o de 34 CAP TULO 1 INTRODU O 2011 60 Sway Figura 1 33 Designs pioneiros de plataformas flutuantes para turbinas e licas offshore 74 Windfloat um projecto americano que consiste numa plataforma flutuante submers vel com 3 tanques e 4 a 6 cabos de ancoragem em caten ria O prot tipo encontra se em fase de instala o em Portugal como ser mencionado com mais destaque na sec o 1 5 O maior ponto fraco deste design parece ser o elevado custo do a o 60 90 WindSea na estrutura da sua plataforma bastante similar ao Windfloat no entanto em vez da plataforma comportar apenas uma turbina e lica comporta tr s O objectivo deste design noruegu s consiste em que a estrutura opere de frente para o vento com 2 turbinas upwind e uma downwind O projecto conta neste momento apenas com testes laboratoriais em modelos de pequena escala 60 90 Blue H um projecto de uma TLP com origem na Holanda Foi j lan ado um prot tipo de meia escala em 2008 Tem contra si o custo dos cabos de ancoragem 63 Fabricantes de Turbinas A maioria das turbinas e licas offshore em opera o n
192. s condi es de vento e mar semelhante ao DLC 1 1 No entanto diverge do DLC 1 1 pois considera a ocorr ncia de uma avaria DLC 2 1 Condi es de Vento NTM Velocidades de Vento m s 4 9 14 19 24 Condi es do Mar NSS Velocidades de Corrente m s 0 04 0 09 0 14 0 19 0 24 Alturas de Onda m 1 8 2 63 3 2 3 754 2 Periodos de Pico seg 7 1 8 5 9 9 Direc o do Vento 0 Direc o de Corrente e Ondas 1 F Randseeds Consideradas 3 Outras Condi es Falha no sistema de controlo de pitch das p s uma das p s foge para os 0 de pitch Tabela 3 17 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 2 1 A avaria simulada prende se com o facto de uma das p s ignorar o sistema de controlo de pitch e ajustar se diferentemente das outras para um ngulo de ataque de 0 Alguns segundos depois o sistema de seguran a d conta do sucedido e ajusta as outras duas p s para o ngulo m ximo de 90 regime trav o o que faz com que o rotor pare e o sistema deixe de produzir energia A turbina encontrava se a produzir energia normalmente at ocorrer a avaria simulada pelo que a produ o de energia n o se processa durante todo o intervalo de 10 minutos de dura o da simula o deste DLC 3 5 7 Valores Utilizados no DLC 2 3 O modelo de vento deste DLC EOG que se caracteriza por uma rajada repentina muito forte criado com recurso ao ECwind A avaria simulada neste DLC prende se com uma falh
193. s do Po o C x L x Hj m 10 x 10 x 10 Draft m 4 Deslocamento de gua m 6000 Massa Total incluindo balastro kg 5 452 x 106 CM abaixo do SWL m 0 282 Inercia de Roll em torno do CM kg m 726 9 x 108 Inercia de Pitch em torno do CM kg m 726 9 x 108 Inercia de Yaw em torno do CM kg m 1453 9 x 10 Profundidade m 150 Raio de Influ ncia m 423 3 Comprimento do Cabo sem estar Traccionado m 473 3 Dist ncia aos Cabos de Ancoragem m 28 28 Comprimento de Cabo em Contacto com o Fundo Oce nico m 250 Di metro do Cabo m 0 0809 Massa Distribuida do Cabo kg m 130 4 Rigidez Extensional do Cabo N 589 x 10 Tabela 3 1 Sumario das propriedades da ITI Energy Barge Platform 13 66 O design preliminar desta plataforma foi desenvolvido pelo Departamento de Arquitectura Naval e Engenharia Marinha das Universidades de Glasgow e Strathclyde sob contracto com a empresa ITI Energy O conceito da plataforma foi escolhido pela empresa pela sua simplicidade de design fabrica o e instala o Esta plataforma foi projectada para suportar n o s uma turbina e lica de 5MW como tamb m um dispositivos de coluna de gua oscilante Oscillating Water 3 1 CARACTER STICAS DAS PLATAFORMAS ANALISADAS 101 Column Wave Power Device 13 A plataforma tem forma quadrangular e tem um po o quadrangular no seu centro destinado capta o da energia das ondas por parte do dispositivo de coluna oscilante Para a uti
194. s materiais s o relativamente baratos robustos resistem bem fadiga e s o facilmente mold veis vantagem importante na fase de fabrico Sob o ponto de vista das propriedades mec nicas as fibras de carbono constituem a melhor op o Contudo o seu pre o elevado ainda um obst culo que se op e a uma maior difus o 61 No grupo dos metais o a o tem sido usado principalmente nas turbinas de maiores dimens es Contudo um material denso o que o torna pesado Em alternativa alguns fabricantes optaram por ligas de alum nio que apresentam melhores propriedades mec nicas mas t m a desvantagem de a sua resist ncia a fadiga se deteriorar rapidamente a Fabrico de uma p em a o 44 b Montagem de uma p in situ 43 Figura 1 17 Demonstra o da diversidade de p s existente 43 44 A tend ncia actual aponta para o desenvolvimento na direc o de novos materiais comp sitos h bridos por forma a tirar partido das melhores caracter sticas de cada um dos constituintes dos comp sitos sob o ponto de vista do peso robustez e resist ncia fadiga 22 16 CAP TULO 1 INTRODU O 1 3 Plataformas Flutuantes 1 3 1 Graus de Liberdade das Plataformas Flutuantes As turbinas offshore est o mais suscept veis a instabilidades do que as onshore devido s interac es hidrodin micas adicionais que se fazem sentir na base ao n vel da plataforma devidas s correntes oce nicas e ondas superficiais 13
195. s quando o vento sopra a uma velocidade superior ao Cut Out Wind Speed como foi descrito na sec o 2 2 7 50 A NREL Offshore 5 MW Baseline Wind Turbine surge do aglomerar de informa es de diversos documentos publicados pelos fabricantes de turbinas mas baseia se principalmente em projectos para designs conceptuais de turbinas com especial foco no Dutch Offshore Wind Energy Converter DOWEC project 66 De acordo com o referido estudo as propriedades mec nicas efectivas do a o na torre dever o ser m dulo de Young de 210 GPa m dulo de corte de 80 8 GPa e densidade efectiva do a o de 8500 kg m O valor da densidade do a o utilizado difere do valor t pico de 7850 kg m para ter em conta a tinta parafusos soldadura e rebordos n o contabilizados na espessura da torre 50 57 A torre tem forma tronco c nica e considerada encastrada plataforma na base tendo uma altura total de 87 6 m A sec o transversal circular oca variando o di metro e a espessura linearmente da base ao topo O di metro da base de 6 metros e do topo de 3 87 metros A espessura de 0 035 metros na base diminuindo linearmente at aos 0 025 metros no topo 106 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO 3 3 IEC 61400 3 Estados Limites ltimos As normas da IEC prescrevem geralmente um grande n mero de combina es de ac es DLC poss veis A norma IEC61400 3 deriva da IEC61400 1 estando bastante consistente com ela Deste modo as condi
196. s turbinas downwind 61 Nas turbinas downwind como foi previamente referido o vento incide por tr s da rea de varrimento das p s do rotor pelo que o escoamento do vento perturbado pela torre antes de incidir no rotor provocando efeito de sombra e turbul ncia turbul ncia essa que cria ru dos aud veis e que dificultam a autoriza o e aceita o deste tipo de turbinas sobretudo em reas pr ximas de habita es As turbinas downwind possuem uma vantagem te rica que reside no facto de n o necessitarem de um mecanismo de orienta o direccional em rela o ao vento permitindo o auto alinhamento do rotor na direc o do vento 61 Este tipo de pulsa es pode resultar na redu o do rendimento e fiabilidade do mecanismo da turbina 86 10 CAP TULO 1 INTRODU O Tipo de Torre As torres s o dimensionadas para resistir ao longo da sua vida til aos esfor os provocados pelo peso sobrejacente pela ac o directa e ou indirecta do vento entre outros factores que ser o discutidos posteriormente Deste modo as torres podem divergir tanto no material de fabrico como na estrutura a implementar consoante as indica es do projectista Figura 1 10 Diferentes tipos de torres 44 Os materiais correntemente utilizados na concep o da torre s o o a o e o bet o armado As estruturas a implementar podem variar desde as sec es transversais circulares para torres cil ndricas ou
197. senta o valor de cada medi o 64 Tem se observado que a intensidade de turbul ncia diminui geralmente com o aumento de velocidade do vento 27 como se pode ver na figura 2 13 Os seus valores situam se geralmente entre os 10 e os 30 ocorrendo os valores m ximos para as velocidades mais baixas 64 Para a sua componente longitudinal o facto da turbul ncia ser em parte provocada por objectos e ou rugosidade da superf cie permite perceber que a intensidade da turbul ncia diminui com o acr scimo de altura 22 64 Num parque e lico offshore a generalidade das normas atribui um valor m dio de intensidade de turbul ncia superior para contabilizar os efeitos de sombra e de esteira que o fluxo de vento sofre ao ser disturbado quando passa por uma turbina e lica 27 A turbul ncia completamente irregular e n o pode ser descrita de uma maneira determin stica sendo portanto necess rio recorrer a processos estoc sticos para a sua defini o 22 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 69 35 T I GL onshore 20 GL offshore 12 30 Vo mm IEC high tubulence 4 i IEC low turbulence wW DS472 low 50m Fer A e DS472 high O 50 m 1 20H Turbulence Intensity L i i 1 05 5 10 15 20 25 30 Mean Wind Speed m s Figura 2 13 Varia o da intensidade de turbul ncia do vento prescrita por v rias normas em fun o da velocidade do vento 84 Normalmente el
198. sta cccccclc a 1 2 Potencial de energia e lica instalado em 2010 1 3 Compara o entre a capta o de energia onshore e offshore tendo em conta a altura da torre ccccccc a 1 4 Exemplos de funda es de turbinas e licas offshore utilizadas em guas pouco profundas 4 49 ooo E he aS RPA o Bos 1 5 Evolu o da localiza o das turbinas e licas 1 6 Ac es externas a que est o sujeitas as turbinas e licas offshore 1 7 Diferentes localiza es poss veis para turbinas edlicas 1 8 Turbinas e licas com diferentes eixos de rota o 1 9 Distin o entre turbinas Upwind e Downwind 10 Diferentes tipos de torres cccccccccclc 11 Principais componentes de uma turbina e lica 12 Turbinas e licas com diferentes estruturas de torre 13 Rela o do aumento do rotor com a pot ncia do gerador 14 Montagem dos elementos interiores do cubo 15 Constituintes do aerogerador 2220004 16 Diferentes configura es para o posicionamento do gerador 17 Demonstra o da diversidade de p s existente 18 Sistema de coordenadas e graus de liberdade das plataformas flutuantes 2 2 e 19 Tr s conceitos fundamentais de aquisi o de estabilidade est tica de uma plataforma flutuante 1 20 Esquema em tri ngulo dos v rios m todos de estabiliza o de plataformas flutuantes
199. superior a H pelo que foi assumido H 5o 11 2 m De acordo com o IEC61400 1 V y representa o valor de velocidade de refer ncia da turbina valor esse que depende da classe da mesma Uma vez que a nossa turbina de classe A o valor a considerar V 50m s 3 4 AC ES CONSIDERADAS NA AN LISE 119 O capitulo 6 3 2 1 do IEC61400 1 46 dedica se ao modelo de velocidade de vento extrema EWM sendo nesse capitulo definidas as grandezas Vi e Vso de acordo com as equa es 3 4 0 11 V50 z Vref X E 3 4a Vi z 0 8 x Vso z 3 4b Considerando z zp Obt m se os valores de V5 e consequentemente de Vi mais gravosos e cujos valores se encontram na tabela 3 11 3 4 4 Periodo M dio e Periodo de Pico Como foi explicado na sec o 2 3 2 existe uma diferen a significativa entre T per odo m dio e T per odo de pico O per odo m dio indicado pelo IH para a zona considerada de 6 7 seg Deste modo foram considerados na simula o tr s per odos de onda 5 6 e 7 seg A utiliza o destes tr s per odos de onda vai ainda de encontro a informa o cedida pelo IH De acordo com Costa 30 31 nas esta es da costa oeste portuguesa os valores mais frequentes de per odo m dio de onda situam se entre os 5 e os 7 seg representando 44 3 das leituras em Leix es valores superiores a 9 seg n o atingem 11 7 de ocorr ncias No entanto o valor a introduzir nas simula es o per odo de pico
200. te e da TURBINE e lica sss tece siso fea er LR Ghee DE Mn eee GRUTA 104 3 8 Combina es de ac es do IEC61400 3 consideradas na an lise 108 3 9 Coeficientes parciais de seguran a considerados no IEC61400 3 111 3 10 Par metros da distribui o de Weibull k e c considerados 115 3 11 Grandezas e par metros para EWMeESS 118 3 12 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 1 1 128 3 13 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 1 3 124 3 14 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 1 4 124 3 15 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 1 5 125 3 16 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 1 6a 125 3 17 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 2 1 126 3 18 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 2 3 127 3 19 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 6 1a 127 3 20 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 6 2a 128 xvii xviii NDICE DE TABELAS 3 21 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 6 3a 129 3 22 Sum rio dos valores introduzidos na an lise do DLC 7 1a 129 4 1 M dia da energia produzida nas duas plataformas testadas 131 4 2 Valores m ximos de deslocamento da ITI 134 4 3 Valores m ximos de deslocamento da TLP 134 4 4 Esfor os na base da torre instaladanalTl
201. tilizada para calcular carregamentos hidrodin micos por unidade de comprimento em elementos esbeltos sempre que a condi o expressa na equa o 2 43 seja satisfeita 34 gt 5D 2 43 A equa o 2 43 em que D representa o di metro da sec o transversal do elemento garante que a sec o transversal do elemento em an lise pequena o suficiente em rela o ao comprimento de onda de modo a que os gradientes das velocidades e acelera es das part culas na direc o normal ao elemento possam ser negligenciadas 34 Caso contr rio aconselha se a utiliza o de teorias de difrac o 27 d z Figura 2 33 Torre esbelta vertical sujeita a carregamentos hidrodinamicos 84 94 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Quando o comprimento do elemento em an lise bastante maior do que o di metro da sec o transversal a for a total actuante pode ser obtida pela soma das for as exercidas em cada sec o transversal analisada ao longo do comprimento do elemento como mostra a figura 2 33 34 A equa o de Morison definida como a soma de duas componentes uma de arrasto e uma de in rcia como mostram as equa es 2 44 27 84 fMorison z t falz z t filx z t 2 44a 1 falz z t Ca 3 Pagua D u x z t u x z t 2 44b D2 Fila z t Um Pagua Ulm z t 2 44c As grandezas e par metros utilizados na equa o de Morison encontram se explicitad
202. troduz a no o de Probabilidade Condicional definida com recurso as equa es 2 5 70 81 fxiy y 2 fen VauaeR A Vy ER fy y gt 0 2 5a fyix a Y ona VrxeR A V yER fx x gt 0 2 5b As fun es representadas nas equa es 2 5 dizem se as fun es de probabilidade condicionais de X dado Y y e de Y dado X q respectivamente As referidas fun es s o essenciais para a defini o do Valor Esperado Condicional Temos assim para um caso discreto e para um par aleat rio X Y com i j 70 81 E MIA po Vi Prix 2 Yi Vy ER AV aj ER 2 6 Yi Onde E Y X representa o valor esperado de Y dado que foi registado o valor de X ou no caso particular E H V representa o valor esperado de altura de onda H dado que se registou o valor de velocidade de vento Vi Apesar de terem sido definidos apenas os casos discretos a an lise pode ser feita para vari veis cont nuas 81 Para a utiliza o deste tipo de an lise probabil stica no entanto necess rio que exista um n mero suficiente de dados simult neos de velocidades de vento e alturas de onda A titulo de exemplo refere se a an lise efectuada por Johannessen em 2001 48 na qual foi definida uma distribui o de probabilidade conjunta da velocidade do vento V e da altura de ondas H para o Mar do Norte tendo sido utilizados dados simult neos resultantes de medi es no local de 1973 a 1999 2 1 3 Multibody Dynamics C
203. u 3 1 6 4 de vincar que as constantes destes dois espectros variam consoante a norma consultada bem como a defini o do Integral de escala de comprimento 16 SKaimal f 2 17 De acordo com a tabela B1 do IEC61400 1 46 o integral de escala de comprimento vem dado pela equa o 2 18 Ly 8 1 x A 2 18 Vindo A definido em 6 3 b do IEC61400 1 46 como 42m gt 2 gt 60m 2 19 Para uma situa o de turbul ncia normal NTM de acordo com 6 3 1 3 do IEC61400 1 46 cy vem dado pela equa o 2 20 ou Ley 0 75 Vhub 5 6 2 20 O valor de 1 atribu do na tabela 1 do IEC61400 1 46 estando dependente da classe da turbina Vpub refere se velocidade do vento cota da hub As express es dos espectros aqui apresentadas referem se direc o longitudinal uma vez que a de maior interesse para a an lise efectuada no entanto estes espectros t m express es correspondentes para as direc es lateral e vertical Rajadas Uma rajada um evento discreto dentro dum modelo de vento turbulento Caracteriza se por um aumento s bito da velocidade do vento num espa o de tempo muito curto A rajada tamb m um fen meno estoc stico havendo no entanto modelos determin sticos que procuram descrev lo da melhor forma poss vel A figura 2 14 ilustra as diferen as entre rajadas definidas das duas formas O modelo determin stico de defini o de uma rajada cuja figura 2 15 ilustr
204. ulo 5 Joint Probability Distributions John Wiley amp Sons Inc 32 edi o 2008 71 Moriarty Patrick J e A Craig Hansen AeroDyn Theory Manual Relat rio T cnico NREL EL 500 36881 National Renewable Energy Laboratory December 2005 162 BIBLIOGRAFIA 72 Musial W S Butterfield e A Boone Feasibility of Floating Platform Systems for Wind Turbines In NREL CP 500 38776 National Renewable Energy Laboratory November 2008 73 Musial Walter e Bonnie Ram Large scale Offshore Wind Power In The United States Assessment of Opportunities and Barriers In NREL TP 500 40745 National Renewable Energy Laboratory September 2010 74 Neumann Frank M dulo Ill Especificidade T cnica dos Projectos In Forma o dos Dirigentes e Quadros Superiores da Administra o P blica para as Energias Renov veis Oce nicas Wave Energy Centre Centro de Energia de Ondas Fevereiro 2011 75 Oetiker Tobias Hubert Partl Irene Hyna e Elisabeth Schlegl The Not So Short Introduction to LATEX Dezembro 2010 76 Quarton David An International Design Standard for Offshore Wind Turbines IEC 61400 3 Garrad Hassan and Partners Ltd 2007 77 Roddier Dominique Christian Cermelli e Alla Weinstein Windfloat A Floating Foundation for Offshore Wind Turbines Part Design Basis and Qualification Process In Proceedings of the ASME 28th International Conference on Ocean Offshore and Arctic Engineering 2009 78 Ronold Kn
205. ultado a 26 de Agosto de 2011 8 www edp5d pt origem de energia aspx Consultado a 10 de Setembro de 2011 9 Revista Inova o BES Jornal Diario Econ mico 4764 Novembro 2009 10 API RP 2A WSD Recommended Practice for Planning Designing and Constructing Fixed Offshore Platform Working Stress Design 2007 11 Azevedo Jo o J R T de Vibra es Aleat rias Din mica Estoc stica Apontamentos da Disciplina de Din mica e Engenharia S smica Mestrado em Engenharia de Estruturas Instituto Superior T cnico 1996 12 Bauchau Olivier A Carlo L Bottasso e Yuri G Nikishkov Modeling Rotorcraft Dynamics with Finite Element Multibody Procedures In Mathematical and Computer Modelling 2001 13 Bir Gunjit e Jason Jonkman Aeroelastic Instabilities of Large Offshore and Onshore Wind Turbines In Journal of Physics Conference Series 75 2007 14 Brito Raquel Soeiro de Rui Pedro Juli o e Jos Norberto Fernandes Atlas de Portugal 2005 157 158 BIBLIOGRAFIA 15 Buhl Jr Marshall L nstalling NWTC Design Codes on PCs Running Windows XP 2006 16 Burton Tony David Sharpe Nick Jenkins e Ervin Bossanyi Wind Energy Handbook John Wiley amp Sons Inc 22 edi o 2001 17 Butterfield S W Musial J Jonkman e P Sclavounos Engineering Challenges for Floating Offshore Wind Turbines In NREL CP 500 38776 National Renewable Energy Laboratory and Massachusetts Institute of Te
206. um foco especial aos esfor os que se geram na base da torre visto tratar se de uma disserta o em estruturas de Engenharia Civil Optou se por colocar em ambas as plataformas analisadas uma turbina e lica de 5 MW O facto de no mar o vento soprar com mais intensidade do que em terra proporciona que se possam utilizar turbinas de maior pot ncia No entanto 1 6 MOTIVA O 41 o que mais pesou nesta escolha foi o facto de se acreditar que de modo a uma turbina e lica flutuante ser economicamente rent vel uma vez que os custos de implanta o s o bastante elevados o valor m nimo de pot ncia da turbina deve ser de 5 MW 13 Dominant Wind Direction Onshore Grid Bad 7 Support ema Platform A S es Sa e S 99UU09I9 U Rede El ctrica Espa amento t pico 1 5a 3 vezes o di metro do rotor Subesta o do parque Instala o de apoio Espa amento t pico 8 a 10 vezes o di metro do rotor ID Transformadores direc o do vento dominante Figura 1 38 Distancias minimas entre turbinas edlicas em campos edlicos onshore e offshore 36 77 Como foi visto na sec o 1 5 o objectivo da EDP com o projecto Windfloat passa pela cria o de um campo e lico offshore na 32 fase do projecto Os campos e licos offshore t m de ter alguns crit rios de distanciamento entre equipamentos ver figura 1 38 devido aos efeitos que o vento ao passar pelo rotor de uma 42 CAP TULO 1
207. ura foram bastante pr ximas na maioria dos casos s exibidas na tabela 3 5 Tal facto not rio por observa o da tabela 3 6 Modo Frequ ncia Hz Erro Modo Frequ ncia Hz Erro Platform Surge 0 0167 0 93 Platform Roll 0 2213 0 70 Platform Sway 0 0167 0 99 Platform Pitch 0 2213 0 11 Platform Heave 0 4375 0 00 Platform Yaw 0 0978 0 59 1 Tower S S 0 5746 0 02 1 Tower F A 0 6322 0 18 24 Tower S S 3 1492 0 00 2 d Tower F A 3 0572 0 02 Tabela 3 6 Frequ ncias naturais obtidas para a estrutura na plataforma TLP e compara o com as exibidas na tabela 3 2 104 CAP TULO 3 MODELO DE C LCULO 3 2 Caracter sticas da Torre de Suporte e da Turbina E lica Para as simula es efectuadas no decorrer desta disserta o procurou se que o nico factor vari vel fossem as plataformas flutuantes utilizadas Assim tal como os par metros de vento e de mar e os casos preconizados pelo IEC61400 3 s o os mesmos para ambas as plataformas tamb m a torre de suporte e turbina e licas instaladas o s o As principais caracter sticas da torre de suporte e da turbina e lica podem ser consultados na tabela 3 7 Caracter stica Valor Classifica o da Turbina 5 MW Orienta o do Rotor Upwind Numero de P s 3 Comprimento das P s 61 5m Di metro do Rotor 126 m Di metro da Hub 3m Altura da Hub 90 m Variable speed generator torque collective active pitch Sistemas de Controle C
208. ut O Statistical Analysis of Simultaneous Wave and Wind Climate Data DK 2900 Hellerup 2001 79 Ronold Knut O On the Modelling of Severe Joint Wave and Wind Climates RECOFF doc 029 apresentado na WG3 2002 80 Saigal Rakesh K Dan Dolan Armen Der Kiureghian Tim Camp e Charles E Smith Comparison of Design Guidelines for Offshore Wind Energy Systems In Offshore Technology Conference 2007 81 Soares Paulo Notas de apoio as aulas te ricas Probabilidades e Estat stica Instituto Superior T cnico Setembro 2010 82 Tarp Johansen Niels Jacob Presentation of the DLC table proposed for the IEC 61400 3 satandard Wind Energy Department Ris National Research Centre 2010 83 Taylor Robert e Jim Forrest Pile Driven Plate Anchors for Fleet Moorings Relat rio T cnico Naval Civil Engineering Laboratory 1992 84 Tempel Jan Van Der Design of Support Structures for Offshore Wind Turbines Tese de Doutoramento DUWIND Delft University Wind Energy Research Institute 2006 85 Tesouro Natanael Filipe Aspectos Estruturais no Comportamento de Estruturas Offshore Tese de Mestrado Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa 2010 BIBLIOGRAFIA 163 86 Trov o Jo o Fernando Ferreira Ladeira Francisco e Joaquim Carvalho Efeitos da Frequ ncia de Comuta o de um Inversor PWM no Bin rio de um Motor de Indu o Trif sico Actas da Confer ncia Cient fica e Tecnol gica em
209. vados maiores probabilidades de ocorr ncia de ventos mais fortes A distribui o densidade probabilidade de Rayleigh assim definida como PU 4 ei 8 2 12 A fun o probabilidade acumulada de Rayleigh assim definida como T U 2 F U 1 e 4 5 2 13 Em que e U a velocidade m dia do vento e U a velocidade do vento para qual se pretende saber a probabilidade de ocorr ncia Esta distribui o de simples aplica o para representa o de probabilidades de ocorr ncia de velocidades de vento visto depender de um nico factor U 64 2 2 CONCEITOS RELATIVOS AO VENTO 67 Probability 0 5 10 15 20 25 Wind speed mis Figura 2 11 Distribui o probabilidade densidade de Rayleigh para diferentes velocidades m dias de vento 64 2 2 3 Distribui o da Velocidade do Vento em Per odos Temporais Curtos Os per odos temporais curtos s o caracterizados por uma grande variabilidade da velocidade do vento devido turbul ncia A turbul ncia causada como foi indicado por diversos factores mas essencialmente pela exist ncia de obst culos naturais e ou artificiais a perturbar o fluxo de vento 18 Figura 2 12 Varia o da velocidade do vento por efeito da turbul ncia em torno do seu valor m dio crescente em altura 84 A turbul ncia respons vel pela parcela vari vel do vento u z t definida na equa o 2 7 representativa da aleatoriedade do vento em torno da vari
210. xpressa por jet 5 2 8 die A Lei Logaritmica expressa por zZ ln 2 in 20 E que U z representa a velocidade m dia do vento cota z Uw representa a velocidade m dia do vento a cota de refer ncia z representa a cota de refer ncia zo representa o comprimento de rugosidade da superf cie e avg representa o coeficiente da lei exponencial neste caso o coeficiente de rugosidade da superf cie Uwu z Uw r 2 9 Rugosidade da Superf cie Como foi referido a varia o da velocidade do vento com a altura utilizando tanto a lei exponencial como a logar tmica est dependente de par metros relativos rugosidade da superf cie quer seja o comprimento de rugosidade da superf cie z9 em metros ou o coeficiente de rugosidade da superficie arg Os valores caracter sticos para estes dois par metros s o apresentados na tabela 2 1 62 CAPITULO 2 AC ES DIN MICAS SOBRE ESTRUTURAS OFFSHORE Superf cie zo M Grug Centro da Cidade 1 10 0 40 Cidades Florestas 0 7 Suburbios 0 3 0 30 Vilas 0 1 Aldeias 0 03 0 16 Relvados Planos 0 01 Deserto Mar Severo 0 001 0 12 Mar Calmo 0 0002 Tabela 2 1 Valores do coeficiente de rugosidade a e do comprimento de rugosidade zo 16 A rugosidade de uma determinada rea dada pela distribui o dos seus elementos Pelo que quanto mais densos e altos forem maior ser a rugosidade isto maior ser a dificuldade de desloc
211. y Laboratory 2005 54 Jonkman Jason T Larsen A Hansen T Nygaard K Maus M Karimirad Z Gao T Moan Fylling J Nichols M Kohlmeier J Pascual Vergara D Merino W Shi e H Park Offshore Code Comparison Collaboration within IEA Wind Task 23 Phase IV Results Regarding Floating Wind Turbine Modeling In To be presented at European Wind Energy Conference EWEC numero NREL CP 500 47534 National Renewable Energy Laboratory Abril 2010 55 Jonkman J M Dynamics Modeling and Loads Analysis of an Offshore Floating Wind Turbine Relat rio T cnico National Renewable Energy Laboratory November 2007 56 Kelley N D e B J Jonkman Overview of the TurbSim Stochastic Inflow Turbulence Simulator Version 1 21 February 2007 BIBLIOGRAFIA 161 57 Kooijman H J T C Lindenburg D Winkelaar e E L van der Hooft DOWEC 6 MW Pre Design Aero elastic modeling of the DOWEC 6 MW pre design in PHATAS Relat rio T cnico Energy Research Center of the Netherlands Setembro 2003 58 Laino David J e A Craig Hansen Aerodyn User s Guide National Reneable Energy Laboratory 2002 59 Lee Kwang Hyun Responses of Floating Wind Turbines to Wind and Wave Excitation Tese de Mestrado Massachusetts Institute of Technology MIT 2005 60 Linde Borge Motion of Floating Wind Turbines Tese de Mestrado Department of Marine Technology Norwegian University of Science and Technology 2010 61 Lopes Alexandre

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