QUALIDADE – Notícias

10/04/2017

As referências para os projetos de torres para as turbinas eólicas

Da Redação

 

Deve-se ressaltar que os bens que compõem a cadeia produtiva da indústria eólica compreendem o aerogerador e os itens de infraestrutura do parque eólico, como fundações e os equipamentos necessários para conexão à rede elétrica, tais como: transformadores, subestação, cabos e inversores. O aerogerador é considerado o item crítico do sistema, pois representa geralmente mais de 60% do investimento de um parque eólico.

Trata-se de uma máquina complexa, de grande porte, com capacidades variando atualmente entre 1,5 e 3 MW (caso de parques onshore). Os principais aerogeradores utilizados em escala de utilidades são os com rotor de eixo horizontal do tipo hélice, composto normalmente por três pás. As diferentes tecnologias de aerogerador podem ser classificadas segundo os seguintes conceitos: a velocidade de rotação: velocidade fixa (VF); velocidade variável limitada (VVL); velocidade variável (VV); regulagem de força ou mecanismo de controle: controle estol (stall); controle de estol ativo; controle de passo (pitch); trem de acionamento (drive train); com caixa de engrenagem (multiplicadora); sem caixa de engrenagem (acionamento direto); tipo de gerador: gerador de indução (assíncrono) com rotor de gaiola (squirrel cage induction generator – SCIG); gerador de indução com rotor ventilado (wound rotor induction generator –WRIG); gerador de indução duplamente excitado (doubly fed induction generator – DFIG); gerador síncrono de excitatriz com ímãs permanentes (permanent magnet synchronous generator – PMSG); gerador síncrono excitado eletricamente – com enrolamento de campo (electrically excited synchronous generator – EESG).

A ACI ITG-9R:2016 - Report on Design of Concrete Wind Turbine Towers descreve todas as referências à tecnologia de turbinas de eixo horizontal da variedade upwind, de três pás. Outras variantes das turbinas de eixo horizontal, tais como a orientação de duas lâminas e de pá de vento, têm vantagens e desvantagens nas categorias de cargas dinâmicas e interferência de lâmina / torre, mas não são abordadas neste relatório.

As torres para turbinas eólicas na América do Norte normalmente foram construídas em aço e são de tipos tubulares redondos, embora as primeiras torres para turbinas avaliadas por kW incluíssem estruturas de tipo lattice. Os projetos da torre da estrutura estão sob o ressurgimento para turbinas do multi-MW, porque as torres tubulares alcançaram suas limitações do transporte.

A Steel ofereceu à indústria várias vantagens econômicas e de produção para torres de menos de 325 pés (100 m) de altura. As torres de aço podem ser pré-fabricadas e ser facilmente transportadas sobre rodovias existentes, sendo erguidas no parque eólico. Considerando que as torres de concreto são amplamente utilizadas na Europa, muitos projetistas de parques eólicos na América do Norte não consideraram torres de concreto devido a várias limitações percebidas.

Conteúdo do relatório

CAPÍTULO 1-INTRODUÇÃO, p. 2

1.1-Introdução, p. 2

1.2-Escopo, p. 3

CAPÍTULO 2 - SÍMBOLOS E DEFINIÇÕES, p. 3

2.1-Símbolos, p. 3

2.2-Definições, p. 3

CAPÍTULO 3 - DESENVOLVIMENTO DE FORNEDORES DE ABASTECIMENTO PARA A TORRE, p. 3

3.1-Introdução, p. 3

3.2-Certificação e projeto, p. 5

CAPÍTULO 4 - TIPOS DE TORRES DE CONCRETO, p. 6

4.1-Torres de concreto híbrido, p. 6

4.2-Altura total das torres de concreto, p. 6

4.3-Tipos de construção, p. 6

4.4 - Considerações sobre a construção, p. 8

4.5-Tolerâncias, p. 9

4.6 - Tamanho e custo da torre, p. 9

CAPÍTULO 5 - PROJETO DA TORRE, p. 11

5.1 – Projeto de frequência da torre, p. 11

5.2 – Projeto do nível de serviço, p. 12

5.3- Protensão, p. 13

5.4-Modelagem, p. 13

5.5-Fadiga, p. 15

5.6 - Orientações preliminar de projeto, p. 15

CAPÍTULO 6 – CARGAS E CARGAS COMBINADAS, p. 15

6.1-Cargas e cargas combinadas, p. 16

6.2-Fatores de carga, p. 17

CAPÍTULO 7 – PROJETO DE CARGAS, p. 17

7.1-Pesos e cargas básicas, p. 17

7.2 - Perfil do vento, p. 18

7.3-Cargas de terremotos, p. 18

7.4-Cargas normais de fadiga operacional, p. 18

7.5 Cargas sob temperaturas, p. 18

7.6-Condições de funcionamento anormais, p. 18

CAPÍTULO 8 - RESISTÊNCIA DO CONCRETO, p. 19

8.1 – Projeto de força, p. 19

8.2 – Projeto da capacidade de serviço, p. 19

8.3 - Juntas e conexões, p. 19

CAPÍTULO 9 – PROJETO DA FUNDAÇÃO, p. 19

9.1-Fundações ancoradas em rocha, p. 19

9.2 - Fundações profundas em diferentes tipos de cais, p. 20

9.3-Extensão das bases, p. 20

9.4-Terminação do reforço e do pré-esforço, p. 22

9.5 - Integridade estrutural da fundação da torre, p. 22

CAPÍTULO 10 - CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES, p. 22

CAPÍTULO 11 - REFERÊNCIAS, p. 23

Autoria dos documentos, p. 23

Como os níveis de energia da turbina eólica aumentaram acima de 2,5 MW, as suas alturas também: 325 pés (100 m) de altura. Em áreas de vento moderado, como o sudeste dos Estados Unidos, as torres mais altas são benéficas para turbinas de 1 a 2,5 MW para capitalizar sobre os padrões de vento mais desejáveis. Para turbinas na faixa de 5 a 10 MW, estão em desenvolvimento turbinas com um diâmetro de rotor de 325 pés (100 m) ou maior. As torres para estas turbinas excederiam 325 pés (100 m) de altura à interface do anel de montagem da nacelle. Nesta altura, várias das vantagens das atuais torres de aço são perdidas devido ao seu maior tamanho, à sua menor rigidez e à necessidade de conclusão no local. Sob estas condições, as torres de concreto tornam-se melhores.

De acordo com Engström et al. (2010), usando uma altura do cubo de 125 m (410 ft), é possível conservar até 30% do custo da torre selecionando uma tecnologia diferente da torre de aço soldada convencional. As torres de rede e torres de madeira foram determinadas para ser mais econômicas. Engström et ai. (2010) concluíram que existem várias alternativas de torre interessantes dignas de desenvolvimento, incluindo torres de aço com deslizamento.

Articulações críticas, concreto, concreto híbrido/aço, madeira e construção de rede. Umut et ai. (2011) ressaltam que à medida que a altura da torre aumenta, as exigências de rigidez tornam-se críticas. As torres de concreto têm maior capacidade do que o aço de ajustar a rigidez para atender os fornecedores de equipamentos originais (OEM).

Assim, o gerador síncrono chama-se alternador e o gerador assíncrono se designa indução. O nome síncrono se deve ao fato de a máquina operar com uma velocidade de rotação constante sincronizada com a frequência da tensão elétrica alternada aplicada aos seus terminais, ou seja, devido ao movimento igual de rotação entre o campo girante e o rotor (sincronismo entre campo do estator e rotor). Os geradores assíncronos rodam com uma velocidade superior à velocidade de sincronismo, existindo escorregamento do rotor em relação ao campo girante. A máquina assíncrona não necessita de excitatriz.

As torres de energia eólica se multiplicam onde há vento forte e constante, especialmente no Nordeste. Construídas em aço e concreto, essas estruturas atingem entre 80 e 120 m de altura. Em alto mar (offshore), podem chegar a até 150 m. Para suportar essas imensas torres, independentemente de seu sistema construtivo, as fundações são feitas em concreto. O volume pode chegar a 500 m³ ou mais, depende do tipo de terreno e do tamanho das torres. As fundações, porém, em nada influenciam a decisão sobre o sistema que será utilizado na estrutura.

Para a manutenção, tudo depende da localização do parque e das manutenções preventivas. Porém, as torres de concreto são projetadas com concretos com baixíssima relação água/cimento, avaliando a classe de agressividade e não só a sua resistência, além de receber pintura de proteção, que aumentará em muito a vida útil das peças. Deve-se lembrar de que a vida útil dos parques deve ser de, no mínimo, 20 anos para ambos os sistemas.

A homologação das torres, sejam elas em concreto ou aço, é feita pelas empresas fabricantes de aerogeradores, por meio de longo processo de avaliação. Com a evolução da tecnologia dos aerogeradores, acima de 2,0 MW, as alturas das torres estão cada vez maiores. As primeiras torres no Brasil tinham, no máximo, 60 m de altura e as turbinas com capacidade para produzir 0,6 MW. Neste momento, em função do estudo de vento a alturas superiores a 120 m, se terá, em breve, outro salto. Em termos mundiais, já existe aerogerador com 8,0 MW de potência e torre com 164 m.

As torres são as estruturas responsáveis pela sustentação e posicionamento do conjunto rotor–nacele a uma altura conveniente ao seu funcionamento. As torres podem ser do tipo cônica ou treliçada e construídas a partir de diferentes materiais. As torres cônicas podem ser de aço laminado ou concreto protendido, e as torres treliçadas utilizam aço galvanizado. Há também as chamadas torres (cônicas) híbridas, nas quais a parte de baixo da torre (cerca de 60 metros) é construída em concreto e a parte superior é feita em aço.

As duas partes são acopladas através de um anel de transição. A definição do tipo de torre/material depende de fatores como custo, altura do aerogerador, facilidade de transporte, montagem e manutenção. De maneira geral, pode-se dizer que as torres de aço cônicas são mais utilizadas em alturas menores, na faixa de 80 a 100 metros, enquanto as torres de concreto, híbridas ou as treliçadas são mais empregadas em alturas maiores, acima de 100 metros.

As torres treliçadas são mais comumente empregadas em situações que requerem uma logística simplificada, como instalações em locais de difícil acesso. Para o caso de torres altas (na faixa dos 200 metros), há ainda tecnologias que empregam madeira na construção ou então utilizam um esqueleto interno de aço envolto em tecido arquitetônico de alta resistência.

As torres representam de 20 a 25% do custo do aerogerador. No caso das torres cônicas de aço, são utilizadas de 100 a 200 toneladas deste material, dependendo da altura – aproximadamente 98% da torre é feita de aço. Neste caso a torre correspondendo a cerca de 65% do peso do aerogerador.

As torres de concreto são bem mais pesadas, atingido 850 toneladas apenas em sua parte estrutural. Além dos componentes estruturais, que correspondem a cerca de 90% do custo de material, fazem parte das torres uma série de componentes internos, tais como: escadas, elevadores, plataformas, suportes, guard-rails, etc.

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