BR102013024138A2 - Turbina eólica, método para operar uma turbina eólica e sistema de controle para uma turbina eólica - Google Patents

Abstract

TURBINA EÓLICA, MÉTODO PARA OPERAR UMA TURBINA EÓLICA E SISTEMA DE CONTROLE PARA UMA TURBINA EÓLICA. Trata-se de um método e sistema para reduzir um movimento torcional e/ou um carregamento torcional de uma torre de uma turbina eólica que é revelado e inclui gerar um sinal de torção de torre com um sistema de detecção e fornecer o sinal para uma montagem de controle de carga assimétrica. O sinal de torção de torre pode corresponder a um movimento torcional real da torre ou um carregamento torcional da torre. A montagem de controle de carga assimétrica é configurada para mitigar uma carga assimétrica que atua na turbina eólica com o uso do sinal de torção de torre.

Description

"TURBINA EÓLICA, MÉTODO PARA OPERAR UMA TURBINA EÓLICA E SISTEMA DE CONTROLE PARA UMA TURBINA EÓLICA" Campo da Invenção A presente invenção refere-se geralmente a métodos e sistemas para controlar turbinas eólicas, e mais particularmente, a métodos e sistemas para mitigar carregamento assimétrico de uma turbina eólica, que reduz, desse modo, o movimento torcional e/ou o carregamento torcional de uma torre de turbina eólica.

Antecedentes da Invenção A potência eólica é considerada como uma das fontes de energia mais ambientalmente amigáveis e limpas atualmente disponíveis, e turbinas eólicas ganharam atenção aumentada a esse respeito. Uma turbina eólica moderna tipicamente inclui uma torre, gerador, caixa de câmbio, nacela, e uma ou mais pás de rotor. As pás de rotor capturam energia cinética de vento com o uso de princípios de aerofólio conhecidos. As pás de rotor transmitem a energia cinética na forma de energia rotacional de modo a girar um eixo que acopla as pás de rotor a uma caixa de câmbio, ou se uma caixa de câmbio não é usada, diretamente ao gerador. O gerador converte, então, a energia mecânica em energia elétrica que pode ser empregada em uma grade de serviços públicos.

Cisalhamentos por vento vertical e horizontal, dèsalinhamento de guinada, e/ou turbulência por vento podem atuar coletivamente ou individualmente para produzir um carregamento assimétrico da turbina eólica. Em particular, tal carregamento assimétrico pode atuar ao longo do rotor de turbina eólica. Como um resultado, pelo menos alguns elementos da turbina eólica podem ser deformados. Por exemplo, o eixo principal da turbina eólica pode ser dobrado (por exemplo, radialmente deslocado) ???.? um resultado de carregamento de rotor assimétrico.

Com o intuito de mitigar o efeito do carregamerlto assimétrico de uma turbina eólica, sistemas de controle de carga assimétrica (ALC) convencionais podem usar um arranjo de sensores, tais cpmo sensores de proximidade, na turbina eólica para medir diretamente deformação de pelo menos alguns elementos da turbina eólica, tal como uma dobra do eixo principal conforme descrito, por exemplo, em Pat. n° U.S. 7.160.083 intitulada Method and Apparatus for Wind Turbine Rotor Load Contro^. Adicionalmente, um conjunto de sensores para ALC pode ser fornecido no sistema de guinada para medir diretamente um sinal de acionamento de guinada tal como descrito em Pedido de Patente n° U.S. 2012/0027589 intitulado Method and Apparatus for Control of Asymetric Loading of a Wind Turbine. Em cada exemplo, o sistema de ALC usa sinais gerados pelos sensores de ALC pára mitigar o efeito de uma carga assimétrica do rotor controlando-se, por exemplo, o passo de pá e/ou o alinhamento de guinada da turbina eólica. Consequentemente, uma montagem de ALC pode facilitar a reduzir os efeitos de cargas extremas e ciclos de fadiga que atuam na turbina eólica.

As montagens de ALC atuais, entretanto, são somente configuradas para detectar um número limitado de desvios (isto é, desvio de eixo principal, movimento de torre dianteiro para traseiro e lado para lado, e um desvio de acionamento de guinada), embora novos desenvolvimentos em tecnologia de torre tenham criado uma necessidade para detectar parâmetros de carregamento adicionais. Por exemplo, estruturas de torre em treliça, também conhecidas como estruturas de armação de espaço, utilizam uma estrutura altamente otimizada e projetada capaz de rjnanipular cargas dinâmicas e estáticas únicas que ocorrem durante a operação de turbina eólica. Tais estruturas de torre, entretanto, têm frequências e dureza torcional geraimente inferior. Essas características influenciam altamente custos de modelo e podem tornar a torre mais suscetível à retorçãc^ devido a cargas torcionais que podem ocorrer frequentemente a partir de carrègamento de rotor assimétrico. Portanto, seria desejável detectar movimento torcional e/ou carregamento torcional na torre antes que torção extrema e fadiga ocorram, que aumenta, desse modo, a vida da torre.

Assim, um sistema e método aprimorado para reduzir adicionalmente carregamento assimétrico e/ou aumentar a confiabilidade de montagens de ALC atuais são desejáveis. Consequentemente, um método e sistema para detectar e reduzir movimento torcional e/ou carregamento torcional de uma torre de turbina eólica seriam vantajosos.

Breve Descrição da Invenção Aspectos e vantagens da invenção serão estabelecidos em parte na descrição a seguir, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através de prática da invenção.

Em uma realização, uma turbina eólica de acordo com a presente invenção é revelada. A turbina eólica inclui uma torre, uma nacela configurada no topo da torre, um rotor que tem um cubo rotativo conéctado a um eixo principal e pelo menos uma pá de rotor, um sistema de detepção de torção de torre configurado de modo operável para gerar um sinal de torção de torre, e uma montagem de controle de carga assimétrica. O sinal cjle torção de torre pode corresponder a um movimento torcional real da torre ou um carregamento torcional da torre que pode ou não induzir movimento torcional real. Adicionalmente, a montagem de controle de carga assjmétrica está em comunicação com o sistema de detecção de torção de torre para receber o sinal de torção de torre e mitigar uma carga assimétrica que atua na turbina eólica com o uso do sinal de torção de torre.

Em outra realização, o sistema de detecção cjle torção de torre pode incluir uma pluralidade de sensores circunferencialmen^e distanciados em relação à torre para detectar movimento torcional e/ou carregamento torcional da torre. Adicionalmente, o sistema de detecção de torção dje torre pode gerar um sinal de torção de torre com base no movimento torcional e/ou carregamento torcional. Em realizações adicionais, a turbina eólica pode incluir pelo menos três sensores circunferencialmente distanciados em um plano geralmente horizontal comum ao redor da torre de modo a detectar um movimento torcional e/ou carregamento torcional da torre. Os sensores podem ser acelerômetros, sensores de pressão, calibradores de tensão, ou qualquer combinação dos mesmos.

Em ainda outra realização, a turbina eólica pode incluir um sistema de controle de passo de pá de rotor. A montagem de controle de carga assimétrica pode estar em comunicação com o sistema de controle de passo para mitigar a carga assimétrica que atua no rotor alterando-se um ângulo de passo da pá de rotor. Ainda em realizações adicionais, a montagem de controle de carga assimétrica pode ser configurada para mitigar a carga assimétrica com base diretamente no sinal de torção de torre.

Em realizações adicionais, a montagem de controle de carga assimétrica pode incluir adicionalmente um sensor configurado para detectar direta ou indiretamente o dobramento do eixo principal devido ao carregamento assimétrico do rotor e pode gerar um sinal de carga assimétrica correspondente. Adicionalmente, a montagem de controle de carga assimétrica pode ser configurada para mitigar a carga assimétrica com o uso do sinal de carga assimétrica e do sinal de torção de torre. Adicionalmente, a montagem de controle de carga assimétrica pode ser configurada adicionalmente para mitigar a carga assimétrica diretamente com base no sinal de carga assimétrica e usar o sinal de torção de torre para validar o sinal de carga assimétrica.

Em ainda outra realização, um método para operar uma turbina eólica é revelado. O método inclui: gerar um sinal de torção de torre que corresponde a um movimento torcional real da torre ou um carregamento torcional da torre; e, mitigar uma carga assimétrica que atua na turbina eólica com o uso do sinal de torção de torre.

Em realizações adicionais, o método pode incluir adicionalmente mitigar a carga assimétrica alterando-se o ângulo de passo de pelo menos uma pá de rotor. Adicionalmente, o método pode incluir mitigar a carga assimétrica diretamente com base no sinal de torção de torre. Ainda em realizações adicionais, o método pode compreender adicionalmente detectar direta ou indiretamente o dobramento do eixo principal devido ao carregamento assimétrico do rotor e gerar um sinal de carga assimétrica correspondente, em que a carga assimétrica é mitigada com o uso do sinal de carga assimétrica e do sinal de torção de torre.

Em ainda outra realização, um sistema de controle para uma turbina eólica é revelado. O sistema de controle inclui uma montagem de controle de carga assimétrica configurada para receber um sinal de torção de torre e mitigar uma carga assimétrica que atua no rotor com o uso do sinal de torção de torre. O sinal de torção de torre pode corresponder a um movimento torcional real da torre ou um carregamento torcional da torre. Adicionalmente, o sistema de controle pode ser configurado para ajustar um ângulo de passo de pelo menos uma pá de rotor da turbina eólica de modo a reduzir a carga assimétrica que atua no rotor. Ainda em realizações adiciona s, a montagem de controle de carga assimétrica pode incluir adicionalmente um sensor configurado para detectar direta ou indiretamente o dobramento do eixo principal devido ao carregamento assimétrico do rotor, e gerar um sinal de carga assimétrica correspondente. É para ser entendido que a montagem de controle de carga assimétrica do sistema de controle pode incluir adicionalmente todas as limitações descritas no presente documento.

Esses e outros atributos, aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão mais bem entendidos com referência à descrição a seguir e reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo, ilustram às realizações da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.

Breve Descrição dos Desenhos Uma revelação completa e capacitiva da preseifite invenção, que inclui o melhor modo da mesma, direcionada a um indivíduo com habilidade comum na técnica, é estabelecida no relatório descritivo, que| faz referência às figuras anexas, em que: A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de úma realização de uma turbina eólica de acordo com a presente revelação; A Figura 2 ilustra uma vista em perspectiva de uma realização de uma nacela configurada no topo de uma torre de uma turbina eólica de acordo com a presente revelação; A Figura 3 ilustra uma vista em perspectiva de uma realização de uma torre de turbina eólica que tem uma estrutura em treliça de acordo com a presente revelação; A Figura 4 ilustra outra vista em perspectiva de uma realização de uma torre de turbina eólica que tem uma estrutura em treliça de acordo com a presente revelação; A Figura 5 ilustra um diagrama de bloco dp um sistema de controle para controlar a turbina eólica de acordo com a presente revelação; e A Figura 6 ilustra um fluxograma de um método para detectar e reduzir um movimento torcional e/ou carregamento torcional de uma torre de uma turbina eólica de acordo com a presente revelação.

Descrição Detalhada da Invenção Será feita referência agora em detalhe a realizações da invenção, um ou mais exemplos das quais são ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido por meio de explicação da invenção, não de limitação da invenção.

De fato, será aparente para aqueles versados na tédnica que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem desviar do escopo ou espírito da invenção. Por exemplo, os atributos ilustrados ou descritos como parte de uma realização podem ser usados com outra realização para render uma realização ainda adicional. Assim, é destinado que a presente invenção cubra tais modificações e variações que estão dentro do escopo das reivindicações anexas e suas equivalentes.

Conforme mencionado acima, cisalhamentos por vento vertical e horizontal, desalinhamento de guinada, e/ou turbulência podem atuar individualmente ou em conjunto para produzir carregamento assimétrico ao longo de um rotor de turbina eólica. A carga assimétrica resultante produz um momento de dobragem nas pás de rotor que estão reagidas através do cubo e subsequentemente a outros componentes de turbina eólica Tal carregamento assimétrico pode causar deformações de elementos na turbina eólica, que inclui, por exemplo, dobra ou deslocamento radial do ei>j:o principal ou um movimento torcional e/ou carregamento torcional da torre. Mais especificamente, movimento torcional e/ou carregamento torcional de uma torre de turbina eólica pode existir mais frequentemente em estruturas de torre em treliça. Tais estruturas podem ter frequências e dureza torèional relativamente baixa (quando comparadas a estruturas de torre tubularqs), em que a torre pode ser mais suscetível à retorção ou deformação torcional. Um “movimento torcional” é usado no presente documento para se referir a qualquer deformação torcional, que inclui retorção ou movimento rotacional em relação ao eixo geométrico vertical de uma torre de turbina eólica.

As realizações descritas no presente documento facilitam redução de carregamento assimétrico que atua no rotor de uma turbina eólica, que reduz, desse modo, carregamento torcional e/ou movimentp torcional da torre e deformações do eixo principal. Adicionalmente, realizações no presente documento podem aumentar confiabilidade de controle de carga assimétrica (ALC) de uma turbina eólica.

Em particular, uma turbina eólica que inclui uma torre, uma nacela, um rotor que tem um cubo rotativo conectado a um eixo principal e pelo menos uma pá de rotor, um sistema de detecção de torção de torre configurado de modo operável para gerar um sinal de torção de torre, e uma montagem de controle de carga assimétrica são revelados. O sinal de torção de torre pode corresponder a um movimento torcional real da torre ou um carregamento torcional da torre. Adicionalmente, a montagem de controle de carga assimétrica está em comunicação com o sistema de detecção de torção de torre para receber o sinal de torção de torre. Além disso, a montagem de controle de carga assimétrica é adicionalmente configurada para mitigar uma carga assimétrica que atua na turbina eólica com o uso do sinal de torção de torre. A montagem de controle de carga assimétrica (doravante no presente documento referida como a montagem de ALC) ? configurada para receber um sinal de torção de torre gerado por um sistema de detecção de torção de torre. O sinal de torção de torre pode ser usado, então, para determinar a magnitude e/ou a orientação da carga de rotor resultante. A montagem de ALC pode usar, então, o sinal de torção de torre em qualquer tipo de esquema de controle de retroalimentação de laço aberto ou fechado para mitigar uma carga assimétrica. A mitigação de carga^ assimétricas pode incluir reduzir ou reagir contra carregamento de rotor assimétrico. Desse modo, a montagem de ALC é configurada para causar uma carg£ mais simétrica no rotor. A montagem de ALC pode mitigar a carga assimétriÇa colocando-se em passo adequadamente as pás da turbina eólica.

Adicionalmente, a montagem de ALC pode| mitigar as cargas assimétricas diretamente com base no sinal de torção cje torre. Em outras palavras, o sinal de torção é o sinal primário que é medido e corrigido para em ações corretivas/de controle subsequentes. Por exemplo, a montagem de ALC pode implantar um esquema de controle configurado para produzir um sinal de controle com base no sinal de torção de torre para reduzir as cargas assimétricas (discutidas adicionalmente em relação à Figura 5 abaixo) como refletido por uma mudança (por exemplo, redução) do sinal de torção de torre. Alternativamente, ou em adição a isso, a turbina eólica pode implantar um sensor de ALC para detectar diretamente cargas assimétricas que atuam no rotor. Em tais realizações, a montagem de ALC pode mitigar as cargas assimétricas diretamente com base nas medições do sensor de ALC e usar o sinal de torção de torre para validar as medições. Desse modo, realizações no presente documento podem facilitar aumento de confiabilidade de ALC da turbina eólica.

Em uma turbina eólica que implanta um sensor de ALC, o sinal de torção de torre também pode ser usado para propósitos de redundância no exemplo de falha de sensor de ALC. Adicionalmente, o sinal de torção de torre também pode ser usado em combinação com as medições do sensor de ALC para gerar um sinal de ALC.

Referindo-se agora às figuras, a Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma turbina eólica exemplificativa 1C. Na realização exemplificativa, a turbina eólica 10 é uma turbina eólica de eixo geométrico horizontal. Adicionalmente, a turbina eólica 10 inclui uma torre 12 que se estende de um sistema de suporte 14, uma nacela 16 montada em torre 12, e um rotor 18 que é acoplado a nacela 16. O rotor 18 inclui um cubo rotativo 20 conectado a um eixo principal (não mostrado) e pelo menos uma pá de rotor 22 acoplada e que se estende para fora do cubo 20. Na realização exemplificativa, rotor 18 tem três pás de rotor 22. Em uma realização alternqtiva, rotor 18 pode incluir mais ou menos que três pás de rotor 22.

As pás de rotor 22 são distanciadas ao redor do cubo 20 para facilitar rotação do rotor 18 para permitir que energia cinética seja transferida do vento para energia mecânica usável, e subsequentemente, energia elétrica. As pás de rotor 22 podem ser ligadas ao cubo 20 acoplando-se uma porção de raiz de pá 24 ao cubo 20 em uma pluralidade de regiões de transferência de carga 26. As regiões de transferência de carga 26 têm uma região de transferência de carga de cubo e uma região de transferência de carga de pá (ambos não mostrados na Figura 1). As cargas induzidas para pás de rotor 22 são transferidas ao cubo 20 por meio de regiões de transferência de carga 26.

As pás de rotor 22 podem ter qualquer compdimento adequado que permita que a turbina eólica 10 funcione conforme descrito no presente documento. Conforme vento atinge as pás de rotor 22 a partir de uma direção 28, o rotor 18 é girado ao redor de um eixo geométrico de rotação 30. Conforme as pás de rotor 22 são giradas e sujeitas a forças centrífugas, as mesmas também são sujeitas a várias forças e momentos. Como tal, as pás de rotor 22 podem desviar e/ou girar a partir de uma posição neutra, ou não desviada, para uma posição desviada.

Além disso, um ângulo de passo ou passo de pá de pás de rotor 22 (isto é, um ângulo que determina a perspectiva das pás de rotor 22 em relação a direção 28 do vindo), pode ser mudado por um sistema de controle de passo de pá de rotor 32 para controlar a carga e potência gerada pela turbina eólica 10. Por exemplo, durante a operação de turbina eólica 10, o sistema de controle de passo de pá 32 pode girar o passo das pás de rotor 22 ao redor de eixos geométricos de passo 34, de modo que as pás de rotor 22 sejam movidas para uma posição embandeirada, que facilita reduzir uma velocidade rotacional do rotor 18 e/ou facilita um estol do rotor 18. Em uma realização exemplificativa, o passo de cada pá de rotor 22 é controlado individualmente por um sistema de controle 25 (Figura 2). Alternativamente, o passo para todas as pás de rotor 22 pode ser controlado simultaneamente por sistema de controle 25.

Referindo-se agora à Figura 2, uma vista em corte ampliada de uma porção de uma nacela 16 no topo de uma torre 12 de uma turbina eólica 10 é ilustrada. Na realização exemplificativa, a turbina eólica 10 inclui uma nacela 16 e um rotor 18. O rotor 18 inclui cubo 20 acoplado de modo rotativo à nacela 16. Mais especificamente, o cubo 20 é acoplado de modo rotativo a um gerador elétrico 42 posicionado dentro da nacela 16 por eixo de rotor 39 (também referido como ou um eixo principal ou um eixo de velocidade baixa), uma caixa de câmbio 38, um eixo de velocidade alta 48, e um acoplamento 36. Em uma realização exemplificativa, o eixo de rotor 39 é disposto coaxial a eixo geométrico longitudinal 116. Rotação do eixo principal 39 aciona a caixa de câmbio 38 que subsequentemente aciona o eixo de velocidade alta 48. O eixo de velocidade alta 48 aciona o gerador 42 com o acoplamento 36. Adicionalmente, a rotação do eixo de velocidade alta 48 faci ita a produção de potência elétrica pelo gerador 42. A caixa de câmbio 38 e gerador 42 são sustentados por uns suportes 52, 54.

Ainda referindo-se à Figura 2, a turbina eólica 10 inclui um sistema de detecção de torção de torre 92, conforme indicado pelas linhas pontilhadas. O sistema de detecção de torção de torre 92 pode incluir sensores 37 localizados em qualquer localização adequada na ou próxima da torre 12 de modo a inferir um movimento torcional e/ou carregamento torcional da torre. Por exemplo, conforme ilustrado, os sensores 37 são circunferencialmente distanciados em relação à torre 12. Mais especificamente, os sensores 37 são circunferencialmente distanciados em um plano geralmente horizontal comum ao redor da torre de modo a detectar movimento torcional ^/ou carregamento torcional da torre 12. Por exemplo, um sinal torcional de magnitude geralmente igual detectado na pluralidade de sensores 37 dispostos em um plano horizontal comum é um indicador de distorção torcional como comparado a um dobramento da torre em uma direção de lado para lado ou tráp para frente. Em outras realizações, os sensores 37 podem estar localizados na, próximos da, ou dentro da torre 12 ou da nacela 16, ou qualquer combinação dos mesmos. Os sensores 37 também podem estar localizados no sistema de guinada 50. Por exemplo, os sensores 37 podem estar localizados entre q> pinhão e cabide nas engrenagens de guinada 44 (não mostradas).

Em uma realização, qualquer número de sensòres 37 pode ser empregado para detectar um movimento torcional e/ou carregamento torcional da torre 12. Por exemplo, conforme ilustrado na in Figura 2, há três sensores 37. Em outras realizações, mais que três sensores podem ser empregados. Ainda em realizações adicionais, menos que três sensores podem ser empregados.

Adicionalmente, o sistema de detecção de torção de torre 92 pode incluir qualquer tipo adequado de sensor capaz de inferir um movimento e/ou carregamento torcional da torre 12. Por exemplo, em uma realização, os sensores podem ser uma tríade de acelerômetros circunferencialmente distanciados em relação à torre de modo a detectar movimento torcional e/ou carregamento torcional da torre. Em realizações adicionais, os sensores 37 podem ser sensores de unidade de medição de inércia (IMU) ou sensores de unidade de medição de inércia miniaturas (MIMU). Ainda em realizações adicionais, os sensores de pressão podem ser empregados, tais como no sistema de guinada 50 entre o pinhão e cabide (não mostrado) nas engrenagens de guinada 44. Ainda em realizações adicionais, os sensores 37 podem ser calibradores de tensão. É para ser entendido que qualquer combinação de sensores mencionados no presente documento ou outro sensor adequado pode ser empregada na presente invenção.

Além disso, o sistema de detecção de torção de torre 92 não é limitado a usar sensores, mas pode incluir quaisquer meios adequados para medir um movimento torcional e/ou carregamento torcional da torre 12. Adicionalmente, é para ser entendido que o sistema de detecção de torção de torre 92 pode incluir quaisquer meios adequados para reduiir um movimento e/ou carregamento torcional da torre 12. Por exemplo, os meios para reduzir movimento torcional e/ou carregamento torcional da torre também podem incluir variar a orientação da nacela 16 em relação à direção de vento 28.

Ainda referindo-se à Figura 2, o cubo 20 pode incluir adicionalmente uma montagem de passo 66. A montagem de passo 66 pode incluir um sistema de controle de passo de pá de rotor 73 acoplado de modo operativo a uma ou mais sistemas de acionamento de passo 68. Cada sistema de acionamento de passo 68 é acoplado a uma pá de rotor respectiva 22 (mostrada na Figura 1) para alterar o passo da pá de rotor associada 22 ao longo de eixo geométrico de passo 34. Somente um dos três sistemas de acionamento de passo 68 é mostrado na Figura 2. É para sdr entendido que o sistema de controle de passo de pá 73 pode ser um contro ador centralizado associado a uma pluralidade de sistemas de acionamento de passo 68, tais como mostrados na Figura 5. Alternativamente, a turbina eólica 10 pode incluir um sistema de controle de passo de pá distribuído 73 que inclui, por exemplo, uma pluralidade de sistema de controle de passo de pás, sendo que cada um é associado a um sistema de acionamento de passo respectivo 68.

Na realização exemplificativa, a montagem de passo 66 inclui pelo menos um mancai de passo 72 acoplado a cubo 20 e à pá de rotor respectiva 22. Adicionalmente, o sistema de acionamento de passo 68 inclui um motor de acionamento de passo 74, uma caixa de câmbio de acionamento de passo 76, e um pinhão de acionamento de passo 78. O motor de acionamento de passo 74 é acoplado à caixa de câmbio de acionamento de passo 76 de modo que o motor de acionamento de passo 74 transmita força mecânica para a caixa de câmbio de acionamento de passo 76. A caixa de câmbio dé acionamento de passo 76 é acoplada ao pinhão de acionamento de passo 73 de modo que o pinhão de acionamento de passo 78 é girado pela caixá de câmbio de acionamento de passo 76. O mancai de passo 72 é acoplado ao pinhão de acionamento de passo 78 de modo que a rotação do pinhão de acionamento de passo 78 cause rotação do mancai de passo 72. Mais especificamente, o pinhão de acionamento de passo 78 é acoplado ao manca de passo 72 de modo que rotação da caixa de câmbio de acionamento de passo 76 gire o mancai de passo 72 e a pá de rotor 22 ao redor do eixo geométrico de passo 34 de modo a mudar o passo da pá de rotor 22. O sistema de acionamento de passo 68 pode ser acoplado ao sistema de controle 25 para ajustar o passo da pá de rotor 22 mediante recebimento de um ou mais sinais do sistema de controle 25. O motor de acionamento de passo 74 pode ser qualquer motor adequado acionado por potência elétrica, sistema pneumático e/ou um sistema hidráulico que permite que a montagem de passo 66 funcione conforme descrito no presente documento. Alternativamente, a montagem de passo 66 pode incluir qualquer estrutura adequada, configuração, arranjo, e/ou componentes tais como, porém sem limitação, cilindros hidráulicos, molas, e/ou mecanismos servos. Além disso, a montagem de passo 66 pode ser acionada por quaisquer meios adequados tais como, porém sem limitação, fluido hidráulico, e/ou potência mecânica, tais como, porém sem limitação, forças de mola induzidas e/ou forças eletromagnéticas.

Conforme mencionado anteriormente, a turbina eólica 10 também pode incluir um sistema de guinada 50 que pode ser usado para girar nacela 16 e cubo 20 ao redor de eixo geométrico de guinada 38 (mostrado na Figura 1). O sistema de guinada 50 pode ser colocado na articulação entre a torre 12 e a nacela 16. Adicionalmente, o sistema de guinada 50 pode colaborar com um mecanismo de acionamento de guinada 32 para girar a nacela 16. Cada mecanismo de acionamento de guinada 32 pode incluir um motor de guinada 64 acoplado a uma engrenagem de guinada 44 configurada para engatar o mancai de guinada 51.

Referindo-se agora às Figuras 1, 3, e 4, a torr^ 12 da presente invenção pode ser fabricada de aço tubular que se estende entre o sistema de suporte Mea nacela 16, conforme mostrado na Figura 1. Em uma realização exemplificativa, a torre 12 pode ser fabricada de uma estrutura em treliça conforme mostrado nas Figuras 3 e 4. Estruturas de torre em treliça utilizam uma estrutura altamente otimizada e projetada capaz de sustentar cargas dinâmicas e estáticas únicas que ocorram durante a operação de turbina eólica. Conforme ilustrado, cada turbina eólica 10 que tem uma estrutura de torre em treliça 13 inclui um rotor 18 que tem uma pluralidade de pás de rotor 22 montada em um cubo 20. O rotor 18 é acoplado à nacela 16, que é sustentada no topo da torre 12. A estrutura de torre em treliça 13 é formada por pernas orientadas verticalmente 15, braçadeiras horizontais 17, e braçadeiras diagonais 19. As pernas 15 são tipicamente membros de ferro angulados ou membros de tubo, e as braçadeiras 17, 19 são tipicamente membros de ferro angulados. Conforme mencionado, essas estruturas de torre em treliça 13 também são referidas na técnica como torres de armação de espaço. A estrutura de torre em treliça 13 pode ser fabricada em seções e erguida no local de turbina eólica. Na realização da Figura 3, um material de revestimento 21 é apl cado ao longo da estrutura de treliça, que pode ser qualquer tipo de tecido adequado, tal como um tecido arquitetônico modelado para condições climáticas adversas. O revestimento 21 protege funcionários e equipamento dentro da torre e fornece uma aparência estética para a turbina eólica 10.

Embora estruturas de torre em treliça ofereçam muitos benefícios como descrito no presente documento, as mesmas podem ter frequências e dureza torcional baixas. Conforme mencionado, tais características influenciam grandemente custos de modelo e podem tornar a torre mais suscetível à retorção devido ao carregamento torcional que pode ocorrer frequentemente devido ao carregamento de rotor assimétrico. A presente invenção, portanto, é capaz de detectar um movimento torcional e/ou carregamento torcional dessas estruturas de treliça antes que torção extrema e fadiga ocorrqm, que aumenta, desse modo, a vida da torre.

Referindo-se agora à Figura 5, um diagrama de bloco de um sistema de controle 25 para controlar a turbina eólica 10 é ilustrado. O sistema de controle 25 pode implantar um número de ações de controle, que inclui, porém sem limitação, controle de guinada, controle de passo de ALC, e gerenciamento de sensores de ALC. O sistema exemplificativo 25 inclui a montagem de ALC 100 configurada para receber um sinal de torção de torre 101 gerado pelo sistema de detecção de torção de torre 92 e (nitigar uma carga assimétrica que atua no rotor de turbina eólica.

Opcionalmente, a montagem de ALC 100 pode ser conectada de modo operativo a um ou mais sensores de ALC 134. Os senôores de ALC 134 podem ser configurados para receber sinais que correspondem a medições diretas de efeitos causados por um carregamento de rotqr assimétrico tais como, porém sem limitação, um dobramento ou deslocamento radial do eixo principal 39 (Figura 2). Mais especificamente, o sensor de ALC 134 pode ser um sensor de proximidade que mede deslocamento ou tensão do eixo 39 com o uso de tecnologias de sensor com base em efeitos de campo acústicos, ópticos, magnéticos, capacitivos ou indutivos. Na Figura 5, somente um sensor 134 é ilustrado, embora seja para ser entendido que urina pluralidade de sensores também possa ser empregada para medir deslocamento do eixo principal 39 causado por uma carga assimétrica. A montagem de ALC 100 pode analisar o sinal c^e torção de torre 101 e/ou o sinal de ALC 102 para determinar uma carga assimétrica que atua em rotor 18. O sinal de torção de torre 101 pode corresponder a um movimento torcional real ou um carregamento torcional da torre 12. A montagem de ALC 100 irá gerar, então, informações para mitigar a carga assimétrica. Alternativamente ou adicionalmente a isso, a montagem de ALC 100 pode usar um desses sinais para validar um sinal de referência usado para ALC ou como uns dados redundantes. Adicionalmente, a montagem de ALC 100 pode ser configurada para gerar um sinal de ALC com base no(s) sinal(is) recebido(s) para mitigar um carregamento assimétrico.

De acordo com o esquema exemplificativo da Figura 5, e outras realizações descritas no presente documento, a montagem de ALC 100 é conectada de modo operativo a um sistema de controle de passo de pá de rotor 73 configurado para alterar o passo de pelo menos uma das pás de rotor 22. O sistema de controle de passo de pá 73 recebe a montagem de sinal de ALC 103 e, com base nesse sinal 103, opera pelo menos um dos sistemas de acionamento de passo 68 para mitigar um carregamento assimétrico que atua no rotor 18.

De acordo com pelo menos some realizações no presente documento, a montagem de ALC 100 é configurada para fnitigar uma carga assimétrica diretamente com base em um sinal de torção de ^orre 101. Isso é, a montagem de ALC 100 pode ser configurada para determinbr uma montagem de sinal de ALC 103 que facilita mitigação de um carrqgamento de rotor assimétrico diretamente com base nos dados de referência contidos no sinal de torção de torre 101. Desse modo, ALC pode ser implantádo com o uso de informações geradas pelo sistema de detecção de torção de torre 92. O sinal de torção de torre 101 é tipicamente adequado para implantar diretamente ALC uma vez que o sinal 101 tipicamente fornece informaçqes, que pode ser correlacionado a um movimento torcional e/ou carregamento torcional da torre 12 causado por uma carga assimétrica da turbina eólica 10. Adicionalmente, o sinal de torção de torre 101 pode ser gerado em formato análogo e/ou digital.

Conforme estabelecido acima, a montagem de ALC 100 pode ser configurada para mitigar um carregamento de rotor assimétrico colocando-se em passo pelo menos uma das pás de rotor 22. Em particular o sinal de torção de torre 101 e/ou o sinal de ALC 102 podem ser usados para determinar um passo para cada uma das pás de rotor 22. Por exemplo, o sinal de torção de torre 101 pode ser usado para estimar um movimento torcional e/ou carregamento torcional e, desse modo, o ângulo de fase e/ou magnitude de carregamento de rotor assimétrico. O ângulo de fase e/ou magnitude estimada pode ser usada, então, para determinar um passo de pá para pelo menos uma das pás de rotor 22 para reduzir o carregamento de rotor assimétrico. O passo pode ser determinado com o uso de informações unicamente do sinal de torção de torre 101 ou de ambos o sinal de torção de torre 101 e o s nal de ALC 102.

Em uma realização exemplificativa, o sistema de detecção de torção de torre 92 fornece tipicamente um sinal de torção de torre 101 que tem uma qualidade alta. Desse modo, confiabilidade de ALC pode ser aprimorada adicionalmente pelo uso do sinal de torção de torre 101 para mitigar um carregamento de rotor assimétrico. Por exemplo, a montagem de ALC 100 pode ser configurada para mitigar uma carga assimétrica com o uso de um sinal de torção de torre 101 gerado pelo sistema de detecçãò de torção de torre 92 e um sinal de ALC 102 gerado pelo sensor(es) de ALC 134. Desse modo, confiabilidade de ALC pode ser aumentada. Adicionalm^nte, em algumas realizações, a montagem de ALC 100 é configurada para 1^ realizar ALC com base no sinal fornecido por sensores de ALC e 2) usar o sinal de torção de torre 101 para avaliar e/ou validar desempenho do(s) senspr(es) de ALC 134. De acordo com outras realizações, a montagem de ALC 100 é configurada para usar o sinal de torção de torre 101 somente como um sirial redundante no exemplo de falha de sensor de ALC. Adicionalmente, a montagem de ALC 100 pode ser configurada para mitigar uma carga assimétrica com base na combinação do sinal de ALC 102 e do sinal de torção de torre 101. A Figura 2 ilustra o sistema de controle 25 como sendo centralizado dentro da nacela 16, entretanto, o sistema de controle 25 pode ser um sistema distribuído por toda a turbina eólica 10, em sistema de suporte 14, dentro de um parque eólico, e/ou em um centro de controle remoto. Adicionalmente, o sistema de controle 25 tipicamente inclui um processador (não mostrado) configurado para realizar os métodos e/ou etapas descritos no presente documento. Conforme usado no presente documento, o termo “processador” refere-se amplamente a um controlador, um microcontrolador, um microcomputador, um controlador de lógica programável (PLC), um arranjo de porta programável em campo (FPGA), um circuito integrado específico de aplicação, e outros circuitos programáveis. Adicionalmente, esses termos podem ser usados de modo intercambiável no presente documento.

Adicionalmente, é para ser entendido que o sistema de controle 25 também pode incluir memória, canais de entrada, e/ou canais de saída. Nas realizações descritas no presente documento, memória pode incluir, sem limitação, um meio legível por computador, tal como uma memória de acesso aleatório (RAM), e um meio não volátil legível por computador, tal como memória flash. Alternativamente, um disquete, uma memória somente de leitura de disco compacto (CD-ROM), um disco magneto-óptico (MOD), e/ou um disco versátil digital (DVD) também pode ser usado. Do mesmo modo, nas realizações descritas no presente documento, canais de entrada incluem, sem limitação, sensores e/ou computador periféricos associados a uma interface de operador, tal como um mouse e um teclado. Adicionalmente, na realização exemplificativa, canais de saída podem incluir, sem limitação, um dispositivo de controle, um monitor de interface de operador e/ou um visor.

Na realização exemplificativa, o sistema de ^ontrole 25 pode incluir um controlador em tempo real que tem qualquer sistema com base em processador ou com base em microprocessador adequado, tal como um sistema de computador, que inclui microcontroladores, circuitos de conjunto de instrução reduzidos (RISC), circuitos integrados específicos de aplicação (ASICs), circuitos de lógica, e/ou qualquer outro circuito ou processador que é capaz de executar as funções descritas no presente documento. Em uma realização, o controlador pode ser um microprocessador que inclui memória de leitura somente (ROM) e/ou memória de acesso aleatório (RAM), tal como, por exemplo, um microcomputador de 32 bit com ROM de 2 Mbit, e RAM de 64 Kbit.

Referindo-se agora à Figura 6, um fluxograrha de um método exemplificativo 600 de operar a turbina eólica 10 é ilustrado. Método 600 pode incluir gerar 610 um ou mais sinal(is) de torção de torre apropriados para serem usados para ALC da turbina eólica 10. De acordo com realizações no presente documento, o sinal de torção de torre é gerado pelo sistema de detecção de torção de torre 92, conforme descrito acima. De acordo com pelo menos algumas realizações descritas no presente documento, um sinal de ALC pode ser gerado pelo sensor de ALC 134 em adição ao sinal de torção de torre. Método 600 pode incluir adicionalmente receber 620 o sinal de torção de torre e opcionalmente, o sinal de ALC, gerado pelo sensor de ALC. Tipicamente, esses sinais são recebidos pela montagem de ALC 100. Adicionalmente, os componentes da montagem de ALC 100 que recebe os sinais (por exemplo, um processador ou um conversor de ànálogo para digital) são acoplados aos elementos da turbina eólica 10 usada para detectar uma carga assimétrica (por exemplo, sistema de detecção de torção de torre 92 e/ou sensor de ALC 134). A montagem de ALC 100 pdde converter esses sinais para um formato usável, se exigido. Método 600 inclui adicionalmente mitigar 630 uma carga assimétrica que atua no rotor 18 com o uso dos sinais para ALC, nomeadamente o sinal de torção de torre e, opcionalmente, o sinal de ALC.

Mitigar 630 a carga assimétrica pode incluir acjicionalmente uma etapa 632 para determinar os efeitos (por exemplo, cargas) causados em um ou mais componentes da turbina eólica 10 por uma carga assimétrica do rotor 18 com o uso dos sinais para ALC. Por exemplo, o sistema de controle 25 pode usar quaisquer meios adequados para converter os dados de entrada para dados de carga assimétrica relevantes (por exemplo, um carregamento torcional e/ou movimento torcional da torre e um desvio de eixo principal). Etapa 632 também pode incluir determinar a carga nas páé de rotor 22 assim como quaisquer propriedades de um carregamento de rotor assimétrico.

Mitigar 630 a carga assimétrica também pode incluir uma etapa 634 para determinar uma resposta para reduzir ou reagir contra o carregamento de rotor assimétrico. Por exemplo, em resposta a um carregamento de rotor assimétrico em particular, o sistema de controle 25 pode determinar que a resposta deva ser mudar o passo de uma ou mais pás de rotor 22. Como outro exemplo, a resposta determinada pode ser aplicar uma frenagem para parar ou retardar rotação do cubo 20.

Mitigar 630 a carga assimétrica pode incluir adicionalmente uma etapa 636 para gerar um sinal que permite responder à cafga assimétrica. Por exemplo, um sinal de resposta pode ser gerado na forma de, por exemplo, um conjunto de sinais de controle transmitidos ao longo de linhas de controle individuais, para fazer com que o sistema de controle de pgsso de pá 73 mude o passo de uma ou mais das pás de rotor 22. Se a respost^ selecionada falha a fazer com que a turbina eólica 10 opere dentro de uma faixa de operação aceitável, método 600 pode ser repetido tão frequente quanto necessário ou mesmo descontinuado, que resulta em um controle de passo sem os benefícios do(s) algoritmo(s) ALC descrito(s).

Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, que inclui o melhor modo, e também para permitir que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, que inclui fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram para aqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estarem dentro do escopo das reivindicações se os mesmos incluem elementos estruturais que não se diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Claims (20)

1. TURBINA EÓLICA, que compreende: uma torre; uma nacela, sendo que a nacela é configurada r^o topo da torre; um rotor, sendo que o rotor compreende òm cubo rotativo conectado a um eixo principal, e pelo menos uma pá de rotor; um sistema de detecção de torção de torre corjfigurado de modo operável para gerar um sinal de torção de torre que corresponde a pelo menos um dentre: i) um movimento torcional real da torre, ou ii) um carregamento torcional da torre; e, uma montagem de controle de carga assimétricà em comunicação com o sistema de detecção de torção de torre para receber o| sinal de torção de torre, em que a montagem de controle de carga assimétrica é configurada adicionalmente para usar o sinal torcional de torre para mitigar uma carga assimétrica que atua na turbina eólica.

2. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1, em que o sistema de detecção de torção de torre compreende qma pluralidade de sensores circunferencialmente distanciados em relação à llorre para detectar um carregamento torcional ou um movimento torcional da torre e gerar o sinal de torção de torre.

3. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 2, que compreende pelo menos três dos sensores circunferencialrjnente distanciados em um plano geralmente horizontal comum ao redor da torre de modo a detectar um carregamento torcional ou um movimento torcional da torre.

4. TURBINA EÓLICA, de acordo com a rèivindicação 3, em que os sensores são um dentre um acelerômetro, um sensor de pressão, ou um calibrador de tensão.

5. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1, em que a turbina eólica compreende adicionalmente um sistema de controle de passo de pá de rotor, a montagem de controle de cargaj assimétrica em comunicação com o sistema de controle de passo para mitigar a carga assimétrica que atua no rotor alterando-se um ângulo de passo da pá de rotor.

6. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1, em que a montagem de controle de carga assimétrica é configuráda para mitigar a carga assimétrica com base diretamente no sinal de torção de torre.

7. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1, em que a montagem de controle de carga assimétrica compreenqe adicionalmente um sensor configurado para detectar direta ou indiretamente o dobramento do eixo principal devido ao carregamento assimétrico do rotor, e para gerar um sinal de carga assimétrica correspondente, sendo que a montagem de controle de carga assimétrica é configurada para mitigar a carga assimétrica com o uso do sinal de carga assimétrica e do sinal de torção de torre.

8. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 7, em que a montagem de controle de carga assimétrica é configurada adicionalmente para: i) mitigar a carga assimétrica diretamente com base no sinal de carga assimétrica; e, ii) usar o sinal de torção de torre para validar o sinal de carga assimétrica.

9. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1, em que a torre compreende uma estrutura de treliça.

10. MÉTODO PARA OPERAR UMA TURBINA EÓLICA, sendo que a turbina eólica inclui um rotor, sendo que o rotor compreende um cubo rotativo conectado a um eixo principal e pelo menos uma pá de rotor; um sistema de detecção de torção de torre; e uma montagem de controle de carga assimétrica, sendo que o método compreende: gerar um sinal de torção de torre que corresponde a pelo menos um dentre: i) um movimento torcional real da torre, ou, ii) um carregamento torcional da torre; e, mitigar uma carga assimétrica que atua na turbina eólica com o uso do sinal de torção de torre.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que mitigar a carga assimétrica inclui alterar o ângulo de passo da pelo menos uma pá de rotor.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicarão 10, em que mitigação da carga assimétrica é realizada diretamente com base no sinal de torção de torre.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, que compreende adicionalmente detectar direta ou indiretamente |o dobramento do eixo principal devido ao carregamento assimétrico do rotor e gerar um sinal de carga assimétrica correspondente, em que a carga assimétrica é mitigada com o uso do sinal de carga assimétrica e do sinal de torção de torre.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, que compreende adicionalmente: mitigar a carga assimétrica diretamente com base no sinal de carga assimétrica; e, com o uso do sinal de torção de torre para validar o sinal de carga assimétrica.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, em que o método é aplicado para mitigar uma carga assimétrica em Uma iorre de turbina I eólica com estrutura em treliça.

16. SISTEMA DE CONTROLE PARA UMA TÚRBINA EÓLICA, sendo que a turbina eólica tem um rotor que compreende um cubo rotativo conectado a um eixo principal e pelo menos uma pá de rotor, sendo que o sistema de controle e configurado para ajustar um ângulo de passo da pelo menos uma pá de rotor, sendo que o sistema de controle compreende uma montagem de controle de carga assimétrica configurada par^: a) receber um sinal de torção de torre; e, b) mitigar uma carga assimétrica que atua no rotor com o uso do sinal de torção de torre.

17. SISTEMA DE CONTROLE, de acordo co[m a reivindicação 16, em que o sinal de torção de torre corresponde a pelo mefios um dentre: (i) movimento torcional real da torre, ou, ii) um carregamento torc^ional da torre.

18. SISTEMA DE CONTROLE, de acordo cofn a reivindicação 16, em que montagem de controle de carga assimétrica é configurada para mitigar a carga assimétrica com base diretamente no sinal de porção de torre.

19. SISTEMA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 16, em que a montagem de controle de carga assimétrica compreende adicionalmente um sensor configurado para detectar direta ou indiretamente o dobramento do eixo principal devido ao carregamento assirbétrico do rotor, e para gerar um sinal de carga assimétrica correspondente, sendo que a montagem de controle de carga assimétrica é configurada para mitigar a carga assimétrica com o uso do sinal de carga assimétrica e do sinal de torção de torre.

20. SISTEMA DE CONTROLE, de acordo com a reivindicação 16, em que a montagem de controle de carga assimétrica é configurada adicionalmente para: i) mitigar a carga assimétrica diretamente com base no sinal de carga assimétrica; e, ii) usar o sinal de torção de tdrre para validar o sinal de carga assimétrica.