OTIMIZAÇÃO DE SISTEMA DE CONTROLE TMD EM TURBINAS EÓLICAS FLUTUANTES DO TIPO BARCAÇA SOB CONDIÇÕES ADVERSAS UTILIZANDO COMPUTAÇÃO EVOLUCIONÁRIA
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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA
Resumo
Offshore wind turbines have great potential to drive the energy transition in Brazil and worldwide. However, to become more competitive compared to other energy sources, improvements in feasibility and reliability are necessary. Floating platforms have been developed to enable efficient large-scale energy generation in deep waters. However, these structures face significant challenges due to high wind and wave loads. A promising solution to mitigate these effects is structural control, widely used in buildings and bridges. Among passive strategies, Tuned Mass Dampers (TMDs) have been applied to reduce structural loads in offshore wind turbines. This study proposes the application of passive structural control in a Floating Offshore Wind Turbine (FOWT) of the barge type to minimize pendulum oscillations. The analyzed system incorporates two TMDs installed in the nacelle, acting in the fore-aft and side-to-side directions. The TMD parameters were optimized using a Genetic Algorithm (GA), considering tower fatigue as a fitness function, evaluated through the weighted average of the standard deviations of structural deflection in both directions. However, traditional optimization resulted in unfeasible displacements due to limited space in the nacelle. To address this issue, stroke limiters were added to the TMDs, and the optimization was conducted under free decay conditions (minimal wind and no waves) and adverse scenarios with turbulent winds (10 m/s and 18 m/s, Kaimal spectrum) and irregular waves (5 m, PiersonMoskowitz spectrum), following IEC 61400 (2005) guidelines. Simulations were performed using FAST-SC (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence – Structural Control), both for optimization cycles and result validation. Under free decay conditions, the implementation of TMDs led to a 31.5% reduction in the RMSE of tower fore-aft deflection compared to the system without TMDs, while also minimizing other critical structural movements. Under adverse wind and wave conditions, significant improvements were observed, particularly for the 10 m/s wind profile, which achieved a 50.29% reduction in lateral tower deflection compared to the system without TMDs, along with positive impacts on other tower and barge movements. These results demonstrate that AG-optimized TMDs are an effective approach for mitigating structural oscillations in floating offshore wind turbines, enhancing their stability and reliability under challenging operational conditions.
As turbinas eólicas offshore apresentam grande potencial para contribuir com a transição energética no Brasil e no mundo. No entanto, para se tornarem mais competitivas em relação a outras fontes de energia, é necessário aprimorar a viabilidade e a confiabilidade desses aerogeradores. Para permitir a geração de energia em águas profundas de forma eficiente e em larga escala, foram desenvolvidas plataformas flutuantes para turbinas eólicas offshore. Entretanto, essas estruturas enfrentam desafios significativos devido às intensas cargas de vento e ondas. Uma solução promissora para mitigar esses impactos envolve o uso de controle estrutural, amplamente aplicado em edifícios e pontes. Entre as estratégias passivas, os amortecedores de massa sintonizados (Tuned Mass Dampers – TMDs) vêm sendo utilizados para reduzir cargas estruturais em turbinas eólicas offshore. Neste trabalho, propõe-se a aplicação de controle estrutural passivo em uma turbina eólica offshore flutuante (Floating Offshore Wind Turbine - FOWT) do tipo Barcaça, com o objetivo de minimizar oscilações pendulares. O sistema analisado considera dois TMDs instalados na nacele (parte superior da estrutura), atuando nas direções frente-ré e lateral-lateral. A otimização dos parâmetros dos TMDs foi realizada por meio de Algoritmo Genético (AG), utilizando a fadiga da torre como função de aptidão, avaliada pela média ponderada dos desvios padrões da deflexão estrutural em ambas as direções. Contudo, a otimização tradicional resultou em deslocamentos inviáveis devido ao espaço limitado na nacele. Para solucionar esse problema, foram inseridos batentes limitadores de curso nos TMDs, e a otimização foi conduzida considerando tanto a condição de decaimento livre (ventos mínimos e ondas nulas), quanto cenários adversos de ventos turbulentos (10 m/s e 18 m/s, espectro Kaimal) e ondas irregulares (5 m, espectro PiersonMoskowitz), seguindo as diretrizes da norma IEC 61400 (2005). As simulações foram realizadas no software FAST-SC (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence – Structural Control), tanto para os ciclos de otimização quanto para a validação dos resultados. No cenário de decaimento livre, a implementação dos TMDs proporcionou uma redução de 31,5% no RMSE da deflexão frente-ré da torre quando comparado ao sistema sem TMDs, além de reduzir outros movimentos estruturais relevantes. Para as condições adversas de ventos e ondas, os resultados mostraram melhorias significativas, com destaque para o perfil eólico de 10 m/s, que apresentou uma redução de 50,29% na deflexão lateral da torre (com relação ao sistema sem TMDs), além de impactos positivos em outros movimentos da torre e da Barcaça. Os resultados demonstram que o uso de TMDs otimizados por AG é uma abordagem eficiente para mitigar oscilações estruturais em turbinas eólicas offshore flutuantes, contribuindo para o aumento da estabilidade e da confiabilidade dessas estruturas em condições operacionais desafiadoras.
As turbinas eólicas offshore apresentam grande potencial para contribuir com a transição energética no Brasil e no mundo. No entanto, para se tornarem mais competitivas em relação a outras fontes de energia, é necessário aprimorar a viabilidade e a confiabilidade desses aerogeradores. Para permitir a geração de energia em águas profundas de forma eficiente e em larga escala, foram desenvolvidas plataformas flutuantes para turbinas eólicas offshore. Entretanto, essas estruturas enfrentam desafios significativos devido às intensas cargas de vento e ondas. Uma solução promissora para mitigar esses impactos envolve o uso de controle estrutural, amplamente aplicado em edifícios e pontes. Entre as estratégias passivas, os amortecedores de massa sintonizados (Tuned Mass Dampers – TMDs) vêm sendo utilizados para reduzir cargas estruturais em turbinas eólicas offshore. Neste trabalho, propõe-se a aplicação de controle estrutural passivo em uma turbina eólica offshore flutuante (Floating Offshore Wind Turbine - FOWT) do tipo Barcaça, com o objetivo de minimizar oscilações pendulares. O sistema analisado considera dois TMDs instalados na nacele (parte superior da estrutura), atuando nas direções frente-ré e lateral-lateral. A otimização dos parâmetros dos TMDs foi realizada por meio de Algoritmo Genético (AG), utilizando a fadiga da torre como função de aptidão, avaliada pela média ponderada dos desvios padrões da deflexão estrutural em ambas as direções. Contudo, a otimização tradicional resultou em deslocamentos inviáveis devido ao espaço limitado na nacele. Para solucionar esse problema, foram inseridos batentes limitadores de curso nos TMDs, e a otimização foi conduzida considerando tanto a condição de decaimento livre (ventos mínimos e ondas nulas), quanto cenários adversos de ventos turbulentos (10 m/s e 18 m/s, espectro Kaimal) e ondas irregulares (5 m, espectro PiersonMoskowitz), seguindo as diretrizes da norma IEC 61400 (2005). As simulações foram realizadas no software FAST-SC (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence – Structural Control), tanto para os ciclos de otimização quanto para a validação dos resultados. No cenário de decaimento livre, a implementação dos TMDs proporcionou uma redução de 31,5% no RMSE da deflexão frente-ré da torre quando comparado ao sistema sem TMDs, além de reduzir outros movimentos estruturais relevantes. Para as condições adversas de ventos e ondas, os resultados mostraram melhorias significativas, com destaque para o perfil eólico de 10 m/s, que apresentou uma redução de 50,29% na deflexão lateral da torre (com relação ao sistema sem TMDs), além de impactos positivos em outros movimentos da torre e da Barcaça. Os resultados demonstram que o uso de TMDs otimizados por AG é uma abordagem eficiente para mitigar oscilações estruturais em turbinas eólicas offshore flutuantes, contribuindo para o aumento da estabilidade e da confiabilidade dessas estruturas em condições operacionais desafiadoras.