Controle passivo por pêndulo invertido de um aerogerador offshore flutuante

Abstract

A crescente demanda de energia elétrica bem como a necessidade de desenvolvimento sustentável têm feito com que diversos países busquem por fontes renováveis de energia em substituição à utilização de combustíveis fósseis e nucleares. Os aerogeradores, dispositivos para converter a energia cinética dos ventos em energia elétrica, são formados por estruturas flexíveis submetidas às ações dinâmicas dos ventos e ondas do mar, os quais podem sofrer vibrações indesejáveis que afetam a sua segurança e funcionalidade. Os tipos de controle que podem reduzir essas vibrações são classificados em passivo, ativo, semi-ativo e híbrido. Um exemplo é um pêndulo invertido, dispositivo de controle passivo, o qual dissipa a energia mecânica do sistema principal quando sintonizado corretamente à estrutura, uma vez que ele vibra em diferença de fase em relação ao sistema principal. O presente trabalho propõe acoplar um pêndulo invertido à torre de um aerogerador offshore flutuante com o objetivo de reduzir as vibrações de rotação da torre quando o aerogerador está submetido às ações dinâmicas dos ventos e das ondas do mar. Cinco parâmetros de pêndulo invertido são otimizados por meio de análise determinística da Função Resposta em Frequência, considerando dois critérios: pico de rotação da torre e variância de rotação da torre. Uma vez definida uma configuração ótima de pêndulo invertido, utiliza-se o Método de Monte Carlo para avaliar o caráter aleatório das ações no domínio do tempo e o espectro de Davenport e o espectro de Pierson-Moskowitz para avaliar, respectivamente, o caráter aleatório do vento e das ondas do mar no domínio da frequência. As reduções de vibração na rotação da torre por meio da análise determinística foram da ordem de 90% para ambas as ações. Quando submetido à ação aleatória do vento, as reduções do pico máximo da rotação da torre foram de 65% no domínio do tempo e 70% no domínio da frequência. As reduções de vibrações nas análises probabilísticas são menores que nas análises determinísticas, pois a energia do espectro não está concentrada em apenas uma frequência, mas distribuída ao longo de uma faixa de frequência. Não obstante, o erro relativo entre as respostas aleatórias obtidas no domínio do tempo e no domínio da frequência são inferiores a 10%. Já quando o aerogerador está submetido às ações aleatórias das ondas do mar, as reduções das vibrações da torre são insignificantes. Isso se dá pelo fato de que a maior concentração de energia do espectro de Pierson-Moskowitz ocorre em uma frequência afastada da frequência fundamental da estrutura. Ainda assim, o erro relativo entre as respostas obtidas no domínio do tempo e no domínio da frequência é pequeno. Dessa maneira, verificouse que é possível otimizar os parâmetros do pêndulo invertido a partir de uma análise determinística e alcançar reduções significativas de vibração da torre quando o aerogerador está submetido a excitações de caráter aleatório.