Hybrid Lattice Tubular Steel Onshore Wind Towers: Conceptual Design of Tower and Transition Segment

Abstract

A necessidade de lutar contra o aquecimento global tem levado a um constante aumento do interesse em energias renováveis. Consequentemente, o mercado de energia eólica está a crescer exponencialmente. Deste modo, é necessário a melhoria e/ou desenvolvimento de tecnologias no campo das energias renováveis, sendo esse um trabalho de um engenheiro civil. Com o presente trabalho pretendeu-se desenvolver o conceito de torres eólicas inovadoras, de baixo custo, cujo procedimento de ereção deverá ser inovador e requerem pouca manutenção. Uma vez que estas torres devem resistir a ventos fortes, que, por sua vez, correspondem a uma maior eficiência na obtenção de energia, e por forma a suportar turbinas maiores, a altura da torre deve ser aumentada relativamente aos tamanhos mais convencionais. Assim, as torres de aço híbridas treliça-tubular surgem como uma excelente solução. Torres de aço híbridas treliça-tubular consistem numa treliça de aço que suporta um segmento tubular. Estas duas partes são ligadas por um segmento de transição. Particularizando para a torre de aço híbrido treliça tubular desenvolvida no presente estudo, esta deve ser colocada em terra e capaz de suportar uma turbina eólica de 5 MW. Além disso, o seu dimensionamento teve em conta a estabilidade global de torre, bem como a estabilidade local de elementos de estrutura de treliça, fadiga e problemas dinâmicos estão também incluídos no dimensionamento. A treliça tem 60 m de altura que suporta um segmento tubular de 90 m de aço. Com uma altura total de 150 m, a montagem da torre exigiria guindastes de grande porte, o que pode resultar num aumento de preço considerável. Desta forma, foi também objetivo do presente projeto, a conceção de uma solução única para a peça de transição que pode permitir a montagem de peças tubulares através de um procedimento de escorregamento e, ao mesmo tempo, evitar a utilização de grandes guindastes.

The need to fight global warming has led to an increased interest in renewable energies and, consequently, the market is undergoing an exponential growth, in particular wind power. Nevertheless, there is a constant need to improve renewable energies technologies, a task and the responsibility of a civil engineer. At present, work is aimed to develop the concept of innovative wind towers, which should be cost-effective, hold an innovative erection procedure and require low maintenance. Since such towers ought to resist to stronger winds, which correspond to a higher efficiency, and to support bigger turbines, the hub must be heightened, making hybrid lattice-tubular steel towers an excellent solution. Hybrid Lattice-Tubular steel towers consist of a steel lattice structure, supporting a steel tubular segment in the upper part of the tower, while a transition segment connects the two parts. In particular, the hybrid lattice-tubular steel tower that was developed in the present study is targeted for onshore applications and able to support a 5 MW wind turbine. Moreover, its design took into account the global stability of a tower as well as the local stability of elements in lattice structure, fatigue and dynamic problems. The lattice structure is 60 m tall and supports a 90 m steel tubular segment. With a total height of 150 m, the tower assembly would require large cranes, which could induce a considerable price increase. This way, it was also a goal of this project to design of a unique solution for the transition piece that could allow the erection of tubular parts by a slide procedure and, at the same time, avoid the use of large cranes.