Estruturas metálicas para suporte de turbinas eólicas offshore

Abstract

A busca de soluções para a produção de energia alternativas aos métodos convencionais baseados em combustíveis fósseis tem revelado a energia eólica como um caminho fiável, sólido e com resultados já amplamente demonstrados. Nas últimas décadas as torres eólicas têm vindo a ser localizadas em zonas costeiras, conseguindo-se assim orografias mais homogéneas e menos obstáculos, resultando deste modo ventos mais fortes e estáveis. Por outro lado essa transferência de torres onshore para offshore acarreta maiores custos, já que são necessárias estruturas mais robustas para acomodar os esforços do vento e das ondas. Para melhorar a viabilidade de um projeto offshore, é necessário ter em conta todas as condicionantes de implantação: a sua localização, as cargas de dimensionamento, conhecimento do funcionamento de turbinas offshore e da própria fundação, e é importante ter disponíveis instrumentos de cálculo que permitam melhorar o aproveitamento do material. Nesta tese é apresentado um resumo de diferentes tipologias adoptadas para as estruturas de suporte de turbinas eólicas offshore e a sua adequabilidade a diferentes profundidades. Apresentam-se também um modelo de uma estrutura de suporte metálica e o dimensionamento dos seus elementos, em particular as barras e respectivas ligações. É também estudado o efeito da fadiga na estrutura, e é feita uma análise dinâmica, comparando as frequências e os modos de vibração entre uma torre encastrada e uma torre apoiada sobre a fundação estudada. Finalmente, apresenta-se uma proposta para a ancoragem da estrutura de suporte no fundo oceânico. O caso de estudo da estrutura de suporte apresentada aplica-se a uma torre de 100 m com turbina de classe II-A situada no mar do norte. A estrutura de suporte tem 50 m dos quais 35 m estarão submersos.

The search for alternative sources of energy to conventional fossil fuel based energy has already proven that wind energy is a reliable, robust source and with already widely demonstrated results. In recent decades the wind towers have been located in coastal areas, where the increase in wind speed with height above the sea level is more suitable, since there are no obstacles from the orography of the terrain. The transfer onshore from offshore incurs higher costs, as more robust structures are needed to accommodate the resulting energy of the wind and waves. To improve the cost-effectiveness of offshore wind, the risks involved must be known and mitigated and the critical design parameters must be optimised. From an engineering point of view, these requirements can be met through the following steps: studying the implantation site, understanding the basics of offshore wind-turbines, and improving the design tools. In this thesis the basics of offshore engineering and of wind energy technology are summarized first, specifically focused on the design of the support structure. Also, a model of a metal support structure and the dimensioning of its components, such as bars and links, is presented. The effect of fatigue on the structure is also studied and a dynamics analysis is performed, comparing the ways and frequencies of the vibration for a fixed tower, and a tower supported on the studied foundation. A proposal for anchoring the support structure on the sea-bed is presented. The solution of the support structure shown is for a 100 m tower of class II-A turbine located in the North Sea. The support structure is 50 m, of which 35 m will be submerged.