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Torres em concreto premoldado

para geradores eólicos

Válter Lúcio e Carlos Chastre – Universidade NOVA de Lisboa

ICCX Conference - Latin America 2014

Florianópolis, Brasil

Válter Lúcio: [email protected]

TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO

PARA GERADORES EÓLICOS

Válter J. G. Lúcio e Carlos Chastre Rodrigues

Universidade NOVA de Lisboa - Portugal

ICCX Conference

Latin America 2014

25 a 28 de março de 2014







Válter Lúcio: [email protected] 2

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO

2. O MERCADO DA ENERGIA

EÓLICA

3. EQUIPAMENTOS

4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS

5. AÇÕES

6. TORRES EM CONCRETO

PREMOLDADO

7. O GRUPO DE TRABALHO DA fib

Antigo moinho de vento em Portugal







1. INTRODUÇÃO

A energia do vento é usada há mais

de 5 000 anos:

Em barcos à vela para transporte

em mares, rios e lagos;

Em moinhos para reduzir a farinha

os cereais;

Na indústria em serrarias,

fábricas de papel, etc.;

Para bombear água para a

agricultura, para o gado e os

humanos.







1. INTRODUCTION

Hoje a energia eólica é usada para

produzir eletricidade para a indústria e

para os edifícios.

A produção de energia eólica para o

consumo diário é hoje uma realidade em

muitos países.

Fontes da energia elétrica consumida

numa habitação Portuguesa, durante 2013Parque eólico em Torres Vedras - Portugal

40,1%

10,0%8,9%

15,1%

10,7%

15,2%

Energia eólica

Energia hidráulica

Outras fontes renováveis

Carvão

Cogeração fóssil

Outras







2. O MERCADO DA ENERGIA EÓLICA

6,1 7,6 10 14 17 24 31 3948

5974

94

121

159

198

238

283

0

50

100

150

200

250

300

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

Giga Watt

Ano

Capacidade global de produção

de energia eólica 1996–2012 (adaptado de Renewables - 2013 Global Status Report)

A evolução da capacidade de

produção de energia eólica no

mundo é altamente positiva.

Em 2012, o aumento em relação

a 2011 foi de cerca de 19%.

Prevê-se que a produção global

de energia eólica venha a ter

um crescimento exponencial

nos próximos anos.







13,0

13,1

2,4

1,12,3

1,9 1,3 0,8 0,5 0,1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Giga Watt

Adicionado em 2012

Total em 2011

O crescimento mais significativo

do ano 2012 ocorreu na América

Latina, nomeadamente no Brasil,

onde houve um aumento de 1.1GW

de potência instalada.

Este aumento é uma resposta ao

crescimento da procura de energia

elétrica, devido ao crescimento

econômico do Brasil.

No entanto, este aumento não foi

suficiente para colocar o Brasil no

clube top dez em 2013. 10 maiores produtores de energia eólica (adaptado de Renewables - 2013 Global Status Report)

Tendo em conta esta tendência, é claro que a energia eólica é uma área promissora

de negócios, isto é, para a construção de torres em concreto premoldado para suporte

de geradores eólicos.







Evolução da altura da torre e do diâmetro das pás

com a potência do gerador

Fonte: Wind Energy – The Facts 2010

As torres de suporte das turbinas necessitam

ser tanto mais altas quanto maior for o

diâmetro das pás, para que as pás fiquem

afastadas de obstáculos que provocam

turbulência e atrito do vento perto da

superfície.

Para produzir mais energia com menores custos, nomeadamente os custos

relativos aos controles, à ligação à rede elétrica e de manutenção, é

necessário ter menos geradores e mais potentes.

O desafio futuro é usar turbinas com potência acima

de 10 MW, porque são mais econômicas.







NACELE:

• Caixa de velocidades

• Gerador

• Transformador

3. EQUIPAMENTO

Suporte

das pás

Pá

Transformador

Sensores

de vento

Gerador

Caixa de

velocidades

Chassi

da máquina

ROTOR:

• 3 pás

• 90 m diâmetro

DADOS OPERACIONAIS:

• Start/stop velocidade

do vento: 4 m/s – 25 m/s

• Velocidade nominal do

vento a 3 MW: 15 m/s

TORRE: 65 m, 80 m, 90 m ou 105 m.

Pesos: Nacele 660 kN

Rotor 380 kN

Torre 2000 kN

EXEMPLO DE UMA TURBINA

Vestas V90-3.0 MW







Estruturas de madeira ou alvenaria de pedra;

Treliças ou postes de aço;


10 m de altura

12 m de diâmetro do rotor







Estruturas treliçadas em aço;

Cascas tronco-cónicas em aço;

Cascas em concreto premoldado;

40 m - 80 m de altura

60 m - 90 m de diâmetro do rotor

1 MW – 3 MW







Válter Lúcio: [email protected] Fonte: Hormifust 11

Soluções híbridas em concreto na

base, premoldado ou moldado in

situ, e no topo uma casca

tronco-cónica em aço;








Estrutura treliçada em

concreto premoldado


Para responder do mercado de torres com maior altura,

foi projetada uma torre em treliça de concreto armado

premoldado. De montagem rápida e fácil transporte.

A torre treliçada é composta por elementos premoldados e

pretende ser uma solução alternativa e competitiva em

termos econômicos.

As pequenas dimensões dos elementos:

reduzem os custos de transporte,

proporcionam a liberdade de escolha da geometria da

torre e optimizar a capacidade de carga e o controlo da

frequência natural de vibração.

A solução apresenta também reduções no custo das

fundações.







Parques eólicos onshore;

Parques eólicos offshore.

Offshore:

• O rotor pode estar a uma distância menor da água

(do que do solo) devido ao menor efeito do atrito

superficial no perfil de velocidade do vento;

• Maior velocidade de funcionamento porque os

inconvenientes causados pelo ruido provocado

são menores;

• Diâmetro do rotor é menor;

• Torre menor para gerar a mesma potência.








FOUNDAÇÕES

Onshore: sapatas de grandes

dimensões ou estacas;

Offshore:

Gravidade ou por estacas

para águas superficiais;

Flutuante para águas profundas.Fonte: Principle Power

Fonte: Enercon Windblatt, 2009

Fonte: Concrete Wind Towers,

The Concrete Center, 2005.







FUNDAÇÕES EM OFFSHORE

Fonte: Volund, Per; Concrete

is the future for Offshore

foundations; Wind

Engineering, Volume 29, 2005

Produção de fundações

por gravidade na Dinamarca







COMPARAÇÃO DAS TORRES EM AÇO E EM CONCRETO

Fonte: Concrete Towers for Onshore and Offshore Wind Farms; Gifford, The Concrete Center, 2007.

TORRES EM AÇO TORRES EM CONCRETO

Grandes diâmetros (4.3m+) mais difícil de

transportar por estrada

Maior peso do que o aço.

Sensibilidade a ações dinâmicas, rigidez

menor e dificuldade de controle das

frequências naturais de vibração.

Bom comportamento para as ações dinâmicas devido

ao maior peso da torre.

Necessitam fundações com maiores

dimensões.

Menores fundações.

As ligações (flanges etc.) são condicionadas

pela fadiga.

Protensão melhora o comportamento da torre e reduz

os efeitos da fadiga.

Necessitam manutenção da proteção contra a

corrosão, especialmente em offshore.

As ligações são vulneráveis à corrosão.

Manutenção reduzida. Protensão melhora a

durabilidade do concreto.








5. AÇÕES

As principais ações na estrutura da

torre são:

• O peso da turbina e o peso próprio

da estrutura;

• As forças do vento na turbina e na

estrutura;

• Efeitos dinâmicos do vento e do

equipamento;

• Ação dos sismos.

q vento (z,t)

ag sismo (t)

Vento na torre

Sismo

Vento na turbina Ftop (t)

MF (t)

Gtop (t)

Pe

so

pró

pri

o (

z)

ONSHORE






Válter Lúcio: [email protected] 18Fonte: www.windfair.net

• Ações das correntes e das ondas,

incluindo os efeitos dinâmicos, no

caso de torres offshore.

5. AÇÕES

q vento (z,t)

ag sismo (t)

Pe

so

pró

pri

o (

z)

Vento na torre

Sismo

Vento na turbina Ftop (t)

MF (t)

Gtop (t)

OFFSHORE

q ondas e correntes (z,t)

Ondas e correntes







6. TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO

Anéis em concreto premoldado, com juntas horizontais,

normalmente protendidos na vertical;

Meios anéis em concreto premoldado na base e anéis fechados

nas zonas superiores, com juntas horizontais, normalmente

protendido na vertical;

Aduelas verticais, com largura compatível com os meios de

transporte correntes, com protensão vertical;

Estrutura treliçada de elementos lineares, em concreto

premoldado e protendidos, ligados entre si.







Anéis em concreto premoldado

com juntas horizontais.

Anel inferior com

abertura para a porta.

Fonte: Enercon

20Fonte: Enercon







Ligação entre anéis numa junta horizontal.

Fonte: Enercon







Meios anéis em concreto premoldado,

com juntas verticais e horizontais.

Pormenor de uma junta vertical.Fonte: Enercon







ATS – Advanced Tower System

Sistema de aduelas verticais, com largura

compatível com os meios de transporte

correntes, com protensão vertical.

Torre híbrida

do sistema

ATS

Fonte: ATS







6. TORRES EM CONCRETO

PREMOLDADO

ESTRUTURA TRELIÇADA

Os autores desta apresentação

desenvolveram uma nova solução estrutural,

com elementos premoldados (colunas, vigas

transversais e diagonais) para construir uma

treliça espacial.

Esta solução permite uma construção

rápida e fácil de transportar, uma vez que os

elementos são de dimensão reduzida.







PATENT PENDING em Portugal e no Brasil.

Prémio BES de Inovação 2009, no tópico

“Novos materiais e tecnologias industriais”.

Esta solução estrutural permite diferentes

opções como o número e dimensões das

colunas, o seu afastamento e a intensidade

da protensão.

A solução é flexível permitindo adaptar a

torre àaltura especificada, às forças do

vento, ao peso da turbina e aos limites

definidos para as frequências próprias de

vibração.







OFFSHORE

26

ONSHOREA solução de Torre

Treliçada permite a

construção de torres

altas para suportar

turbinas pesadas:

• onshore

• e offshore.

A solução para offshore

tem como vantagens maior

durabilidade e menores

custos de manutenção do

que as soluções em aço,

menor resistência às ações

hidrodinâmicas do que as

soluções em poste e pode ser

usada em águas profundas.







Este grupo de trabalho tem como objetivo produzir um

documento com o estado da arte sobre estruturas em

concreto premoldado para suporte de turbinas eólicas.

Pretende-se analisar e discutir os aspetos relacionados

com a conceção, dimensionamento, pormenorização,

construção e impacte ambiental de torres em concreto

premoldado para produção de energia elétrica.

fib Commission 6 - Prefabrication:

Precast concrete towers

for wind energy productionCommission 6

Prefabrication

7. GRUPO DE TRABALHO







O documento abordará os seguintes tópicos:

• Tipos de torres de concreto

• Equipamento

• Segurança

• Ações

• Análise estrutural

• Ligações e pormenorização

• Construção

• Aspetos ambientais

• Desenvolvimentos recentes

fib Commission 6 - Prefabrication:

Precast concrete towers

for wind energy productionCommission 6

Prefabrication

7. GRUPO DE TRABALHO







OBRIGADO

torres em concreto premoldado para geradores … · 100 150 200 250 300 1995 1997 1999 2001 2003...

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