Numerical study of optimization and performance of monopile-supported offshore wind turbines with TLCD

Abstract

Tecnologias de controle de vibração como o Tuned Liquid Column Damper (TLCD) podem auxiliar ou garantir o avanço do projeto, da fabricação e da construção de grandes turbinas eólicas offshore (OWTs). Esses dispositivos de controle aumentam a segurança e a durabilidade da OWT ao atenuar vibrações estruturais que surgem de cargas aleatórias de vento e ondas que podem comprometer a operação e a integridade da turbina eólica. Para garantir um ganho máximo no desempenho estrutural da OWT com o uso do TLCD, um processo de otimização é empregado para buscar os parâmetros ótimos do TLCD que minimizem a resposta da OWT. O uso do TLCD ótimo apresentou uma redução nos deslocamentos longitudinais da OWT maior que 35% e atingiu uma redução máxima de 60%. O controle de vibração da OWT pelo TLCD ótimo provou ser eficiente e robusto sob diferentes fontes de incerteza, como parâmetros básicos de vento e onda e parâmetros estruturais. A resposta da OWT teve uma redução média de 45%. Além do ganho de desempenho estrutural, o uso do TLCD em OWTs oferece a possibilidade de economia adicional em material e fabricação de estruturas de suporte da OWT (torre e fundação). O projeto ótimo simultâneo de OWT e TLCD é proposto e avaliado na tese. O procedimento adotado demonstra a viabilidade do uso de TLCD no projeto de OWTs com redução de custos de produção, mantendo o desempenho estrutural. Em conjunto com TLCD, a otimização do projeto de OWT reduz o volume da estrutura em até 17% e os custos de produção e fabricação em 20%. O processo de otimização é computado pelo método do Algoritmo Genético (GA) e a análise do desempenho estrutural é avaliada por uma abordagem simplificada do procedimento de Perfomance-Based Wind Engineering (PBWE). Além disso, os dispositivos semiativos demonstram desempenho robusto no controle de vibrações causadas por cargas aleatórias, instilando confiança em sua confiabilidade. A tese investiga os TLCDs com amortecimento on-off regulado por um controlador geral. Uma válvula elétrica é empregada para controlar e alternar a razão de bloqueio da válvula do TLCD, modulando assim o amortecimento do dispositivo. Entre as leis de controle semiativo convencionais, o controle Groundhook é adotado. A eficácia do TLCD semiativo é avaliada em OWTs de 5-MW, 10-MW e 15-MW. O desempenho das OWTs é analisado sob vários cenários de velocidade do vento e parâmetros de onda correspondentes. Os resultados indicam que os TLCDs semiativos reduzem significativamente os deslocamentos dos OWTs operacionais e estacionados. Assim, a tese destaca a grande adaptabilidade e eficiência do TLCD em melhorar o desempenho estrutural dos OWTs sob cargas de vento e onda. Além disso, o trabalho contribui para a compreensão e o conhecimento relacionados às complexidades que envolvem a análise do controle de vibração de turbinas eólicas offshore.