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Projeto de aerogeradores e

Fabricação de torres

Considerações básicas Quando se constrói aerogeradores deve-se ter em conta a resistência, o comportamento dinâmico e as propriedades de fadiga dos materiais e de todo o conjunto.

Forças extremas Os aerogeradores são construídos para aproveitar a energia cinética do vento. As turbinas com muitas pás ou com pás muito largas, estão sujeitas a forças muito grandes, quando o vento sopra com uma velocidade de furacão. Os fabricantes de aerogeradores devem certificar suas turbinas, garantindo que uma vez a cada 50 anos possam suportar ventos extremos de 10 minutos. Por isso, para limitar a influência dos ventos extremos, os fabricantes de turbinas optam por construir turbinas com poucas pás, estreitas e compridas.

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Cargas de fadiga (forças)

Os aerogeradores estão sujeitos a ventos flutuantes, ou seja, a forças flutuantes. Os componentes sujeitos a uma flexão repetida podem desenvolver fissuras, que em última instância podem provar a ruptura do componente. A fadiga do material é um problema bem conhecido da indústria. Por isso, o metal não é escolhido como material para as pás do rotor. No projeto de uma turbina, é muito importante calcular antecipadamente como vibrarão os diferentes componentes,tanto individual como em conjunto. Também é importante calcular as forças que participam em cada flexão e estiramento de um componente.

Dinâmica estrutural Uma torre de aerogerador de 50m de altura tenderá a oscilar de um lado a outro a cada 3s, aproximadamente.Isto denomina-se de freqüência própria da torre. A freqüência própria depende da altura da torre, espessura da parede da torre, do tipo do aço,do peso da gôndola e do rotor. Cada vez que uma pá do rotor passa pelo abrigo da torre, o rotor será um pouco menos empurrado contra a torre. Se o rotor gira com uma velocidade de rotação tal que uma pá passa pela torre quando esta está em uma posição extrema, a pá do rotor pode amortecer ou amplificar as oscilações da torre. As próprias pás do rotor são também flexíveis e podem tender a vibrar, digamos, uma vez por segundo. Como pode ver, é importante conhecer as freqüências próprias de todos os componentes para projetar uma turbina com segurança, que não oscile fora de controle.

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Otimização de aerogeradores O projeto de um aerogerador não está só determinado pela tecnologia, sim por uma combinação de tecnologia e economia. Os fabricantes de aerogeradores querem optimizar suas máquinas para produzir energia elétrica ao menor custo possível por kWh. Não é necessário uma boa idéia maximizar a produção de energia, se isto implicar que ter que construir um aerogerador muito caro.

Relativo ao gerador e ao tamanho do rotor Um gerador pequeno requer menos força para fazer girar, que um grande. Se acoplar um grande rotor a um gerador pequeno, se estará produzindo energia durante uma grande quantidade horas ao ano, porém só se obterá uma pequena parte do conteúdo energético do vento a altas velocidades de vento. Por outro lado um gerador grande será muito eficiente a altas velocidades de vento, porém incapaz de girar a baixas velocidades. Assim, os fabricantes verão a distribuição de velocidade de vento e o conteúdo energético do vento a diferentes velocidades para determinar qual será a combinação ideal de tamanho de rotor e de tamanho de gerador nas diferentes localizações de aerogeradores. Adaptar uma turbina com dos geradores pode ser vantajoso em algumas ocasiões, depende do preço da energia elétrica.

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Alturas da torre Em geral as torres mais altas aumentam a produção de energia de um aerogerador. O custo adicional de uma torre mais alta depende tanto da rugosidade como do custo da energia elétrica.

Ruído mecânico e aerodinâmico As emissões sonoras em aerogeradores são de origem mecânica e aerodinâmica. Os ruídos mecânicos são de componentes metálicas movendo-se ou chocando-se uns contra os outros como em multiplicadores de velocidade, eixos e nos geradores. Atualmente com o desenvolvimento dos materiais, esse ruído é aproximadamente metade do que acontecia nos anos oitenta. As pás das turbinas freiam o vento para transferir energia ao rotor. Este processo produz algumas emissões de ruído.Se a superfície da pá é muito lisa, as superfícies emitirão uma pequena parte do ruído. A maior parte do ruído se origina no borde de saída das pás. Um projeto cuidadoso dos bordes de saída e uma cuidadosa manipulação durante o entalhar, tem sido uma prática habitual na indústria principalmente na ponta da pá, que se move mais rápido do que a base.

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Prova de fadiga nas pás

A pá da turbina é submetida a ensaios de laboratório e flexionada utilizando um ciclo próximo à freqüência natural da pá (durante cinco milhões de repetições). A finalidade dos ensaios nas pás do rotor é para verificar que as lâminas na pá são seguras e que as fibras não se rompem com esforços repetitivos. Após esse ensaio a pá é submetida ao ensaio estático que é submetida a uma só flexão, com uma força muito elevada, para testar a resistência que ficou, após um longo tempo de operação.

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Fabricação de torres de aerogeradores

A maioria das torres nos aerogeradores modernos são tubulares tronco-cônicas de aço. As torres são moldadas a partir de sub-secções cônicas menores, que são cortadas e laminadas na forma correta e, posteriormente, unidas por soldas. As são fabricadas em secções de 20 a 30m, sendo transportadas por trem ou carretas, que é o fator limitante.Os pesos típicos das torres modernas são de 40 T para uma torre de 50m e 80T para uma torre de 60m. As torres de aerogeradores são geralmente projetadas por cada fabricante de turbinas, já que todo aerogerador em conjunto tem que ser homologado como uma unidade.Portanto, se algumas torres são fabricadas por produtores independentes, são sempre específica para cada fabricante.

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Laminação de secções cônicas

Laminação

Anéis de fixação da base

União das partes internas

Solda das partes laminadas

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Questão do peso Os pesos das torres têm diminuído em torno de 50% nos últimos cinco anos, graças a métodos de projetos mais avançados. Pelo fato da torre ser uma parte muito pesada do aerogerador, o custo de transportes é importante. No caso em que a distância seja muito grande para transportar por carretas, e se trate de um grande projeto, é melhor fabricar as torres no local.

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