Wind-turbine wake effects on the rate of accumulation of fatigue damage in overhead conductors

Experimentos em túnel de vento utilizando sensoriamento por fibra ótica distribuída revelam que, sob condições atmosféricas florestais, condutores aéreos posicionados abaixo ou parcialmente fora da esteira de uma turbina eólica podem sofrver danos por fadiga reduzidos ou gerenciáveis, sugerindo que a atual diretriz de segurança do Reino Unido de manter um afastamento de três diâmetros de rotor poderia potencialmente ser reduzida.

O essencial

Imagine um rio invisente e gigante de ar fluindo sobre o campo. Às vezes, este rio é suave; outras vezes, é agitado e selvagem. Agora, imagine uma turbina eólica parada neste rio. Enquanto a turbina gira para captar o vento, ela deixa um "rastro" atrás de si — um rastro de ar turbulento e rodopiante que perturba o fluxo, muito parecido com o rastro deixado por um barco movendo-se através da água.

A pergunta que esta pesquisa faz é: O que acontece com as linhas de energia (condutores aéreos) que passam por este rastro turbulento?

No Reino Unido, as regras de segurança atuais dizem que as linhas de energia devem ficar a pelo menos três vezes a largura das pás de uma turbina eólica de distância da turbina. O medo é que o ar agitado no rastro faça os fios vibrarem tão violentamente que eles eventualmente se rompam por fadiga, como um clipe de papel dobrado para frente e para trás muitas vezes.

No entanto, até agora, ninguém havia realizado um experimento detalhado e de alta tecnologia para ver se esta regra é baseada na física ou apenas um palpite. Este artigo descreve esse experimento.

O Experimento: Um Mundo em Miniatura

Os pesquisadores construíram uma versão em miniatura do mundo dentro de um túnel de vento no Imperial College London.

• A Turbina Eólica: Eles usaram um modelo em escala de uma turbina real.
• A Linha de Energia: Em vez de um cabo de aço pesado, eles usaram um cabo de borracha flexível (EPDM) que se comporta de forma semelhante a um fio real quando vibra.
• Os "Olhos": Para ver exatamente como o cabo estava sacudindo, eles colaram um fio de fibra ótica especial ao longo de todo o seu comprimento. Este fio atua como um sistema nervoso super sensível, sentindo cada pequeno estiramento e tensão em milhares de pontos ao longo do fio.

Eles testaram o cabo em diferentes alturas e em diferentes distâncias atrás da turbina (1,5, 2, 3 e 4 vezes a largura da turbina). Eles mantiveram a velocidade do vento constante, simulando um dia com brisa.

As Descobertas Surpreendentes

1. O "Grampo" é o Ponto Fraco
Assim como uma corda de violão é mais tensionada onde é presa à ponte, a linha de energia é mais tensionada exatamente onde é presa ao suporte. Os pesquisadores descobriram que este é o ponto crítico onde o fio tem maior probabilidade de quebrar.

2. O Rastro Nem Sempre Torna as Coisas Piores
Você poderia esperar que o rastro turbulento sempre fizesse o fio sacudir mais forte. Mas os resultados foram mais como um jogo de "Goldilocks" (o equilíbrio perfeito):

• Alto (Perto do Centro da Turbina): Quando o fio estava alto, diretamente no meio do rastro, a turbulência de fato aumentou a agitação. Este é o cenário "ruim", onde o dano por fadiga se acumula mais rápido.
• Baixo (Perto do Solo): Quando o fio estava mais baixo, mais perto do solo, o rastro tornou as coisas menos perigosas. Os pesquisadores acreditam que o solo atua como uma parede, "espremendo" o ar entre o solo e o rastro. Isso cria um fluxo de ar mais rápido e suave que, na verdade, acalma o fio em comparação com o vento selvagem e desobstruído.
• O "Ponto Ideal": O lugar mais perigoso não era necessariamente a distância mais próxima. Para fios em certas alturas, estar a duas larguras da turbina de distância causou mais agitação e danos.

3. A Regra de "3 Distâncias" Pode Ser Muito Conservadora
A regra atual do Reino Unido diz "fique a 3 larguras de distância". O estudo sugere que esta regra pode ser demasiado rigorosa para fios que estão mais baixos em relação ao solo.

• Se o fio for baixo, estar mais perto do que 3 larguras (como 1,5 ou 2 larguras) pode ser, na verdade, mais seguro do que estar mais longe, porque o fio não está totalmente imerso na pior parte do rastro.
• A marca de "3 larguras" não é uma linha mágica onde o perigo subitamente aparece ou desaparece. O perigo depende inteiramente de quão alto o fio está e de quão profundo ele está inserido no rastro.

A Analogia do Quadro Geral

Pense no rastro da turbina eólica como uma pista de dança bagunçada e rodopiante.

• Se você ficar bem no meio da pista de dança (fio alto), você será esbarrado e empurrado muito, e pode se cansar (fadiga) rapidamente.
• Se você ficar perto da borda da sala, perto da parede (fio baixo), os dançarinos (o vento) podem até te empurrar para longe do caos, ou a parede pode bloquear os piores esbarrões. Em alguns casos, ficar mais perto da parede mantém você mais seguro do que estar mais longe, no espaço aberto.

A Conclusão

O artigo conclui que a regra de "tamanho único" de manter-se a 3 larguras da turbina pode não ser necessária para todas as linhas de energia. Se o fio estiver baixo em relação ao solo, pode ser seguro construí-lo mais perto da turbina sem se preocupar com a quebra por fadiga do vento. A chave é entender que o vento não se comporta da mesma forma em todas as alturas.

Em resumo: O rastro de uma turbina eólica é uma confusão complexa e rodopiante. Às vezes, ele sacode as linhas de energia com mais força, mas às vezes, especialmente para fios mais próximos do solo, ele as sacode menos. A antiga regra de "ficar longe" pode ser mais segura do que o necessário para alguns fios, potencialmente economizando dinheiro e espaço para novos projetos de energia.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Efeitos de esteira de turbinas eólicas na taxa de acumulação de danos por fadiga em condutores aéreos

Definição do Problema
A transição global para emissões líquidas zero está impulsionando uma expansão simultânea da geração de energia eólica onshore e a construção de novas linhas de transmissão aéreas (OHLs). Essa convergência exige a co-localização de turbinas eólicas e condutores aéreos (OHCs). As orientações atuais relativas à distância mínima de separação segura entre esses ativos variam significamente por jurisdição; por exemplo, o Reino Unido recomenda uma distância mínima de três diâmetros do rotor (3D) para mitigar a fadiga induzida pela esteira, enquanto outras nações oferecem orientações aerodinâmicas diferentes ou inexistentes. Apesar das implicações econômicas de impor essas distâncias, a base física para a recomendação de 3D permanece amplamente não verificada por dados experimentais de alta fidelidade. Estudos anteriores basearam-se em modelagem grosseira ou medições de campo limitadas com grandes incertezas, frequentemente concluindo que os efeitos de esteira na fadiga são mínimos, mas falhando em resolver os mecanismos conflitantes de déficit de velocidade da esteira e aumento da intensidade da turbulência.

Metodologia
Para abordar essa lacuna, os autores realizaram experimentos de túnel de vento de alta fidelidade no Imperial College London, projetados para simular a interação entre a esteira de uma turbina eólica e um condutor aéreo (OHC) em condições atmosféricas florestais.

• Configuração Experimental: Um modelo de turbina eólica em escala (diâmetro do rotor $D = 500$ mm) foi colocado a montante de um modelo de condutor instrumentado. A configuração simulou o parque eólico de Gordon Bush, na Escócia, replicando terrenos florestais usando espiras do tipo Counihan, uma cerca e rugosidade de superfície em forma de cubo para atingir um expoente de Hellmann $\alpha = 0,22$.
• Escalonamento e Parâmetros: Os experimentos mantiveram a similaridade geométrica para a separação turbina-condutor ($x_C$) e altura do condutor ($H$) em relação ao diâmetro da turbina. Três alturas de condutor foram testadas ($H/D \in \{0,25; 0,475; 0,925\}$), e quatro distâncias de separação foram avaliadas ($x_C/D \in \{1,5; 2; 3; 4\}$), juntamente com uma linha de base sem turbina. A velocidade do vento incidente no condutor foi fixada em $7$m s$^{-1}$, um valor escolhido para representar o limite superior da faixa tipicamente responsável pela vibração eólica.
• Instrumentação: Uma inovação fundamental foi o uso de detecção de deformação por fibra óptica distribuída baseada em retroespalhamento de Rayleigh (RBS). Uma fibra óptica foi colada ao condutor, fornecendo medições de deformação espacialmente resolvidas com uma resolução de 2,6 mm ao longo de todo o vão de 1,125 m. Isso permitiu capturar tanto as deformações médias quanto as flutuantes com alta fidelidade espacial, superando as limitações de extensômetros discretos.
• Análise de Fadiga: Os dados de deformação foram processados usando contagem rainflow para decompor os ciclos de tensão. Uma métrica de dano por fadiga relativa ($D_{rel}$) foi calculada usando uma formulação de lei de potência ($D_{rel} = \sum n_i (\Delta \sigma_b)^m$) com expoentes $m=1,5$ e $m=2$ para considerar as propriedades materiais desconhecidas do modelo de borracha EPDM, que foi selecionado para aumentar a relação sinal-ruído enquanto mantém a similaridade dinâmica.

Principais Resultados
O estudo rendeu descobertas críticas relativas à interação entre a esteira da turbina e a fadiga do condutor:

1. Local de Deformação Crítica: As maiores deformações médias foram consistentemente observadas em uma região imediatamente adjacente ao grampo do condutor ($L_c$), onde o cabo se comporta como uma viga livre vibrante. Esta região é identificada como a mais suscetível à falha por fadiga.
2. Comportamento da Deformação Média: A presença de uma turbina a montante não aumentou substancialmente a deformação média no local crítico do grampo em comparação com a linha de base sem turbina. Na verdade, para condutores totalmente imersos na esteira (próximo à altura do cubo), a deformação média diminuiu. Para alturas de condutor menores, a presença da turbina às vezes induziu um efeito de "compressão" entre a esteira e o solo, aumentando ligeiramente a deformação em separações próximas ($1,5D$ e $2D$), mas esses aumentos foram marginais.
3. Deformação Flutuante e Vibração Eólica: As deformações flutuantes foram dominadas pela vibração eólica (vibração induzida por vórtices) em vez de bombardeio turbulento. A esteira da turbina geralmente aumentou a amplitude dessas vibrações e reduziu sua frequência característica devido ao déficit de velocidade da esteira.
   • Quando o condutor estava totalmente imerso na esteira (altura do cubo), a deformação flutuante aumentou conforme a turbina se movia mais para montante (recuperação da esteira), mas permaneceu abaixo dos níveis de linha de base.
   • Para alturas de condutor menores, as separações mais próximas ($1,5D$ e $2D$) resultaram em pequenos aumentos na deformação flutuante, enquanto as separações de $3D$ e $4D$ frequentemente reduziram as flutuações de deformação abaixo da linha de base.
4. Acumulação de Dano por Fadiga: A acumulação de dano por fadiga foi altamente dependente da altura do condutor e da separação:
   • Totalmente Imerso (Altura do Cubo): As taxas de dano por fadiga aumentaram quando o condutor estava totalmente imerso na esteira, com o dano máximo ocorrendo em uma separação de $2D$.
   • Alturas Menores: Contrariando a suposição de que a proximidade sempre aumenta o risco, as alturas de condutor menores experimentaram redução na acumulação de dano por fadiga quando colocadas mais próximas da turbina (especificamente em $1,5D$ e $2D$) em comparação com a linha de base.
   • O Limiar de 3D: Os dados mostraram que não houve uma descontinuidade específica ou comportamento "especial" na resposta mecânica ou na acumulação de dano na distância de separação de $3D$, atualmente recomendada no Reino Unido.

Significância e Alegações
Os autores alegam que estes resultados fornecem a primeira base física derivada de experimentos controlados de alta fidelidade para desafiar a universalidade da atual orientação de separação de 3D. O estudo sugere que, sob condições atmosféricas florestais, a suposição de que uma esteira de turbina invariavelmente acelera o dano por fadiga é incorreta. Especificamente:

• Viabilidade de Separações Mais Próximas: O artigo conclui que separações entre condutor e turbina menores que a orientação atual de 3D podem ser viáveis, desde que o condutor não esteja totalmente imerso na esteira da turbina. Nesses casos, o déficit de velocidade da esteira pode de fato reduzir a acumulação de dano por fadiga em comparação com o fluxo desimpedido.
• Risco Dependente de Contexto: O risco de falha por fadiga não é uma função simples da distância, mas é fortemente modulado pela altura do condutor em relação à estrutura da esteira. O local "mais perigoso" identificado foi $2D$ a jusante para condutores totalmente imersos na esteira, provavelmente devido à quebra de movimentos coerentes de grande escala (ex: vórtices de ponta) na região de transição.
• Limitações: Os autores reconhecem modestamente as limitações, incluindo o uso de um modelo de borracha EPDM (que difere dos condutores de alumínio reais em propriedades de material) e os limites de resposta de frequência do sistema RBS, que não conseguiu resolver as emissões de vórtices de frequência mais alta, mas capturou os modos de frequência natural dominantes.

Em resumo, o trabalho argumenta que a aplicação indiscriminada de uma margem de segurança de 3D pode ser excessivamente conservadora para condutores situados abaixo da altura do cubo da turbina, potencialmente permitindo um uso mais eficiente da terra no desenvolvimento de infraestruturas de energia renovável.