BR102016008583B1 - Método para o controle autônomo de guinada de uma turbina eólica, método para operar uma turbina eólica e sistema de controle distribuído para o controle autônomo de guinada de uma turbina eólica - Google Patents
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Abstract
MÉTODOS PARA O CONTROLE AUTÔNOMO DE GUINADA E PARA OPERAR UMA TURBINA EÓLICA E SISTEMA DE CONTROLE DISTRIBUÍDO. A presente revelação é direcionada a um sistema e método para o controle autônomo de guinada de uma turbina eólica. O método inclui medir, através de um sensor eólico, uma ou mais condições de vento perto da turbina eólica. Outra etapa inclui receber, através de um módulo de entradas e saídas (I/O) distribuído, as uma ou mais condições de vento a partir do sensor eólico. O método inclui, também, a determinação, através do módulo de I/O distribuídas, um sinal de controle para um mecanismo de acionamento de guinada da turbina eólica como uma função das uma ou mais condições de vento. Além disso, o mecanismo de acionamento de guinada é configurado para modificar uma orientação de uma nacela da turbina eólica. Dessa forma, o método inclui, também, controlar, através do módulo de I/O distribuídas, o mecanismo de acionamento de guinada com base no sinal de controle.
Description
[001] A presente revelação refere-se, em geral, à turbina eólica e, mais particularmente, ao controle autônomo de guinada para turbinas eólicas.
[002] A potência eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas e mais ecologicamente corretas disponíveis atualmente e as turbinas eólicas ganharam uma atenção aumentada nesse aspecto. Uma turbina eólica moderna inclui tipicamente uma nacela fixada no topo de uma torre, um gerador e uma caixa de engrenagem alojados com a nacela, e um rotor configurado de modo que a nacela tenha um cubo passivo de rotação com uma ou mais pás de rotor. As pás de rotor capturam energia cinética do 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 engrenagem ou, se uma caixa de engrenagem não for usada, diretamente ao gerador. O gerador converte, então, a energia mecânica em energia elétrica que pode ser distribuída a uma rede de utilidade.
[003] Pelo menos algumas nacelas conhecidas incluem um sistema de guinada para controlar uma perspectiva do rotor em relação a uma direção do vento. Tais turbinas eólicas incluem, também, sensores para captar uma direção do vento. Dessa forma, o controlador de turbina eólica é configurado para ajustar a guinada da turbina eólica através do sistema de guinada com base na direção do vento captada.
[004] Entretanto, se o controlador de turbina eólica estiver offline, então, não há nenhuma maneira de operar o sistema de guinada. Sem o sistema de guinada, a turbina eólica pode estar sujeita cargas aumentadas (por exemplo, cargas assimétricas) que resultam do desalinhamento de guinada que pode contribuir para os ciclos de fadiga significativos nos componentes de turbina eólica. Conforme os componentes de turbina eólica se tornam gastos, a turbina eólica se torna menos eficaz.
[005] Dessa forma, não há a necessidade de um sistema e método novos e aperfeiçoados para o controle de guinada de turbina eólica que abordam as questões acima mencionadas. Mais especificamente, um sistema e um método autônomos para controlar a guinada da turbina eólica que não dependam do controlador principal da turbina eólica seriam vantajosos.
[006] Os aspectos e as vantagens da invenção serão apresentados parcialmente na descrição a seguir, ou podem se tornar óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.
[007] Em um aspecto, a presente revelação é direcionada a um método de controle autônomo de guinada de uma turbina eólica. O método inclui medir, através de um sensor eólico, uma ou mais condições de vento, por exemplo, a velocidade de vento ou a direção de vento perto da turbina eólica. Outra etapa inclui receber, através de um módulo de entradas e saídas (I/O) distribuídas, as uma ou mais condições de vento do sensor eólico. O método inclui determinar também, através do módulo de I/O distribuídas, um sinal de controle para um mecanismo de acionamento de guinada da turbina eólica como uma função das uma ou mais condições de vento. Além disso, o mecanismo de acionamento de guinada é configurado para modificar uma orientação de uma nacela da turbina eólica. Dessa forma, o método inclui controlar também, através do módulo de I/O distribuídas, o mecanismo de acionamento de guinada com base no sinal de controle.
[008] Em uma realização, o módulo de I/O distribuídas é parte de um sistema de controle distribuído de turbina eólica. Em outra realização, o método pode incluir armazenar também, através de um armazenamento de memória, um esquema de controle de guinada dentro do módulo de I/O distribuído. Em realizações adicionais, o sistema de controle distribuído de turbina eólica pode incluir também uma ou mais intertravamentos configurados para proteger o módulo de I/O distribuídas. Ainda em outra realização, o método pode incluir receber também, através do módulo de I/O distribuídas, um sinal de um controlador de turbina principal do sistema de controle distribuído de turbina eólica indicando que o controlador de turbina principal está offline.
[009] Em certas realizações, o módulo de I/O distribuídas pode incluir um módulo de I/O distribuídas de caixa de topo do sistema de controle distribuído de turbina eólica. Em realizações adicionais, o módulo de I/O distribuídas pode incluir qualquer outro módulo de I/O adequado em um sistema de controle de turbina eólica existente.
[010] Em realizações adicionais, o mecanismo de acionamento de guinada pode incluir um motor de acionamento de guinada, um pinhão de acionamento de guinada e um rolamento de guinada acoplados operacionalmente com o pinhão de acionamento de guinada, com o rolamento de guinada que é configurado entre a nacela e uma torre da turbina eólica. Mais especificamente, em certas realizações, o mecanismo de acionamento de guinada pode incluir também a caixa de engrenagem de acionamento de guinada acoplada operacionalmente ao motor de acionamento de guinada e ao pinhão de acionamento de guinada, em que o pinhão de acionamento de guinada está em engate rotacional com o rolamento de guinada. Dessa forma, em realizações particulares, a etapa de controlar o mecanismo de acionamento de guinada com base no sinal de controle pode incluir enviar o sinal de controle ao motor de acionamento de guinada, de modo que o motor de acionamento de guinada confira força mecânica à caixa de engrenagem de acionamento de guinada e a caixa de engrenagem de acionamento de guinada acione o pinhão de acionamento de guinada, de modo a girar o rolamento de guinada e, consequentemente, a nacela ao redor de um eixo geométrico de guinada.
[011] Em realizações adicionais, o sensor eólico pode ser qualquer sensor eólico adequado, incluindo, mas sem limitação, um dispositivo de Detecção e Localização por Laser (LIDAR), um dispositivo de Detecção e Localização por Som (SODAR), um anemômetro, um cata-vento, um barômetro, ou qualquer outro dispositivo de captação que possa fornecer informações direcionais de vento conhecidas agora ou desenvolvidas depois na técnica.
[012] Em outro aspecto, a presente revelação é direcionada a um método para operar uma turbina eólica quando um controlador principal da turbina eólica está offline. O método inclui programar um módulo de entradas e saídas (I/O) distribuídas com um esquema de controle para um ou mais componentes de turbina eólica. Outra etapa inclui medir, através de um sensor eólico, uma ou mais condições de vento perto da turbina eólica. O método inclui também determinar, através de esquema de controle, um sinal de controle para os um ou mais componentes de turbina eólica como uma função das uma ou mais condições de vento. Dessa forma, o método inclui também controlar, através do módulo de I/O distribuídas, os um ou mais componentes de turbina eólica com base no sinal de controle. Deve ser entendido que o método pode incluir também quaisquer das etapas e/ou dos recursos adicionais, conforme descrito no presente documento.
[013] Ainda em outro aspecto, a presente revelação é direcionada a um sistema de controle distribuído para o controle autônomo de guinada de uma turbina eólica. O sistema pode incluir um sensor eólico configurado para medir uma ou mais condições de vento perto da turbina eólica, um controlador de turbina principal, e pelo menos um módulo de controle distribuído acoplado comunicativamente com o controlador de turbina principal e com o sensor eólico. Além disso, o módulo de controle distribuído é configurado para realizar uma ou mais operações que incluem, mas sem limitação, receber as uma ou mais condições de vento do sensor eólico, determinar um sinal de controle para um mecanismo de acionamento de guinada da turbina eólica, em que o mecanismo de acionamento de guinada está configurado para modificar uma orientação de uma nacela da turbina eólica e controlar o mecanismo de acionamento de guinada com base no sinal de controle.
[014] Em uma realização, o módulo de controle distribuído é parte de um sistema de controle distribuído de turbina eólica. Mais especificamente, em certas realizações, o módulo de controle distribuído inclui pelo menos um de um módulo de I/O distribuídas de caixa de topo ou um controlador de segurança independente do sistema de controle distribuído. Deve-se compreender que o sistema pode incluir também qualquer um dos recursos, conforme descrito no presente documento.
[015] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão mais bem compreendidos com referência à descrição a seguir e às reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados neste relatório descritivo e constituem uma parte do mesmo, ilustram realizações da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.
[016] Uma revelação completa e viabilizadora da presente invenção, incluindo o melhor modo da mesma, direcionada a uma pessoa de habilidade comum na técnica, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às Figuras anexas, nas quais: a Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma realização de uma turbina eólica, de acordo com a presente revelação; a Figura 2 ilustra uma vista simplificada, interna de uma realização de uma nacela, de acordo com a presente revelação; a Figura 3 ilustra um diagrama esquemático de uma realização de um sistema de controle distribuído, de acordo com a presente revelação; a Figura 4 ilustra um diagrama de blocos de uma realização de um módulo de controle distribuído, de acordo com a presente revelação; a Figura 5 ilustra um fluxograma de uma realização de um método para o controle autônomo de guinada de uma turbina eólica, de acordo com a presente revelação; e a Figura 6 ilustra um fluxograma de uma realização de um método para operar uma turbina eólica quando um controlador principal da turbina eólica está offline, de acordo com a presente revelação.
[017] Referências serão feitas agora em detalhes às realizações da invenção, sendo que um ou mais exemplos da mesma estão ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, não de limitação da invenção. De fato, ficará evidente para aqueles versados na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo ou do espírito da invenção. Por exemplo, os recursos ilustrados ou descritos como parte de uma realização podem ser usados com outra realização para gerar ainda outra realização. Portanto, a presente invenção é destinada a abranger tais modificações e variações, conforme incluídas no escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.
[018] Geralmente, a presente revelação é direcionada a sistemas e métodos para o controle autônomo de guinada de uma turbina eólica. Um típico controlador de turbina eólica inclui um sistema de controle distribuído que tem uma pluralidade de módulos de entrada e saída (I/O) distribuídas ao longo da turbina para o controle dos componentes de turbina eólica individuais. Nesse tipo de sistema, o controlador principal precisa geralmente receber todas as I/O de cada um dos módulos antes de ficar online. Dessa forma, o controlador continuará a esperar por todas as entradas necessárias, sendo que durante esse tempo o controlador principal não pode controlar a turbina. Nesse estado de espera, a turbina eólica pode experimentar vibrações e/ou carregamento elevado. De tal modo, o sistema e o método da presente revelação fornecem um módulo de entradas e saídas (I/O) distribuídas que tem um esquema de controle pré-programado, armazenado no mesmo, que é configurado para controlar vários componentes de turbina eólica quando o controlador principal está offline. Mais especificamente, em certas realizações, o módulo de I/O distribuídas recebe uma ou mais condições de vento e determina um sinal de controle para um mecanismo de acionamento de guinada da turbina eólica como uma função das uma ou mais condições de vento. O módulo de I/O distribuídas, então, controla autonomamente o mecanismo de acionamento de guinada com base no sinal de controle.
[019] A presente revelação fornece muitas vantagens que não se encontram presentes na técnica anterior. Por exemplo, se o controlador principal falhar ao receber certas entradas e saídas, então, o módulo de I/O distribuídas é configurado para guinar a nacela para proteger a turbina eólica de carregamento excessivo. De tal modo, os estresses de torre da turbina eólica são reduzidos, aumentando, assim, a vida útil da torre. Adicionalmente, a presente revelação é configurada para utilizar hardware existente e tem, por esse motivo, uma implantação de custo relativamente baixo.
[020] Agora, em referência aos desenhos, a Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma realização de uma turbina eólica 10. Conforme mostrado, a turbina eólica 10 inclui geralmente uma torre 12 que se estende a partir de uma superfície de apoio 14, uma nacela 16 montada na torre 12 e um rotor 18 acoplado à nacela 16. O rotor 18 inclui um cubo passível de rotação 20 e pelo menos uma pá de rotor 22 acoplados ao cubo 20 e que se estendem para fora a partir do mesmo. Por exemplo, na realização ilustrada, o rotor 18 inclui três pás de rotor 22. No entanto, em uma realização alternativa, o rotor 18 pode incluir mais ou menos que três pás de rotor 22. Cada pá de rotor 22 pode estar espaçada ao redor do cubo 20 para facilitar o giro do rotor 18 para permitir que a energia cinética seja transferida do vento para energia mecânica útil e, subsequentemente, para energia elétrica. Por exemplo, o cubo 20 pode ser acoplado de forma rotacional a um gerador elétrico 24 (Figura 2) posicionado dentro da nacela 16 para permitir que energia elétrica seja produzida.
[021] A turbina eólica 10 pode incluir, também, um controlador de turbina eólica 26 centralizado no interior da nacela 16. Entretanto, em outras realizações, o controlador 26 pode estar situado dentro de qualquer outro componente da turbina eólica 10 ou em uma localização fora da turbina eólica 10. Além disso, o controlador 26 pode ser acoplado comunicativamente a qualquer quantidade de componentes da turbina eólica 10 a fim de controlar a operação de tais componentes e/ou implantar uma ação de correção. Como tal, o controlador 26 pode incluir um computador ou outra unidade de processamento adequada. Portanto, em várias realizações, o controlador 26 pode incluir instruções legíveis por computador adequadas que, quando implantadas, configuram o controlador 26 para realizar várias funções diferentes, tais como receber, transmitir e/ou executar sinais de controle de turbina eólica. Consequentemente, o controlador 26 pode ser configurado geralmente para controlar os vários modos de operação (por exemplo, sequências de ligar ou desligar), o aumento ou a diminuição de potência da turbina eólica, e/ou dos componentes individuais da turbina eólica 10.
[022] Referindo-se, agora, à Figura 2, é ilustrada uma vista interna simplificada de uma realização da nacela 16 da turbina eólica 10 mostrada na Figura 1. Conforme mostrado, um gerador 24 pode estar disposto dentro da nacela 16. Em geral, o gerador 24 pode ser acoplado ao rotor 18 para produzir potência elétrica a partir da energia rotacional gerada pelo rotor 18. Por exemplo, conforme mostrado na realização ilustrada, o rotor 18 pode incluir uma haste de rotor 34 acoplada ao cubo 20 para realizar a rotação com o mesmo. Uma haste de rotor 34 pode, por sua vez, ser acoplada de forma rotacional a uma haste de gerador 36 do gerador 24 através de uma caixa de engrenagem 38. Como é compreendido geralmente, a haste de rotor 34 pode fornecer uma entrada de baixa velocidade e alto torque à caixa de engrenagem 38 em resposta à rotação das pás de rotor 22 e do cubo 20. A caixa de engrenagem 38 pode, então, ser configurada para converter a entrada de baixa velocidade e alto torque em uma saída de alta velocidade e baixo torque para acionar a haste de gerador 36 e, consequentemente, o gerador 24.
[023] Cada pá de rotor 22 pode incluir um mecanismo de acionamento de guinada 40 configurado para mudar o ângulo da nacela 16 em relação ao vento (por exemplo, engatando-se um rolamento de guinada 43 da turbina eólica 10). Além disso, cada mecanismo de acionamento de guinada 40 pode incluir um motor de acionamento de guinada 44 (por exemplo, qualquer motor elétrico adequado), uma caixa de engrenagem de acionamento de guinada 45 e um pinhão de acionamento de guinada 46. Em tais realizações, o motor de acionamento de guinada 44 pode ser acoplado à caixa de engrenagem de acionamento de guinada 45, de tal forma que o motor de acionamento de guinada 44 confira força mecânica à caixa de engrenagem de acionamento de guinada 45. De modo semelhante, a caixa de engrenagem de acionamento de guinada 45 pode ser acoplada ao pinhão de acionamento de guinada 46 para rotação com o mesmo. O pinhão de acionamento de guinada 46 pode, por sua vez, estar em engate rotacional com um rolamento de guinada 42 acoplado entre a torre 12 e a nacela 16 de modo que a rotação do pinhão de acionamento de guinada 46 provoque a rotação do rolamento de guinada 42. Dessa forma, em tais realizações, a rotação do motor de acionamento de guinada 44 aciona a caixa de engrenagem de acionamento de guinada 45 e o pinhão de acionamento de guinada 46, girando, com isso, o rolamento de guinada 42 e a nacela 16 ao redor do eixo geométrico de guinada 43. De modo semelhante, a turbina eólica 10 pode incluir um ou mais mecanismos de ajuste de passo 32 acoplados comunicativamente ao controlador de turbina eólica 26, sendo que cada um dentre os um ou mais mecanismos de ajuste de passo 32 é configurado para girar o rolamento de passo 47 e, portanto, a(s) pá(s) de rotor individual(is) 22 sobre o eixo geométrico de passo 28.
[024] Adicionalmente, a turbina eólica 10 pode incluir, também, um ou mais sensores 52 para monitorar várias condições de vento da turbina eólica 10. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 2, a direção de vento, a velocidade de vento ou qualquer outra condição de vento adequada perto da turbina eólica 10 pode ser medida, tal como através do uso de um sensor meteorológico adequado 52. Os sensores meteorológicos adequados 52 incluem, por exemplo, dispositivos de Detecção e Localização por Laser (“LIDAR”), dispositivos de Detecção e Localização por Som (“SODAR”), anemômetros, cata-ventos, barômetros, dispositivos de radar (tais como dispositivos de radar Doppler) ou qualquer outro dispositivo de captação que possa fornecer informações direcionais de vento conhecido atualmente ou desenvolvido posteriormente na técnica.
[025] Como mencionado, um típico controlador de turbina eólica inclui um sistema de controle distribuído que tem um controlador principal e uma pluralidade de módulos de entrada e saída (I/O) distribuídas ao longo da turbina para o controle dos componentes individuais de turbina eólica. Dessa forma, para as turbinas eólicas convencionais, o controlador principal é precisa receber todas as I/O de cada um dos módulos antes de ficar online. O controlador irá continuar a esperar por todas as entradas necessárias, sendo que durante esse tempo, o controlador não pode controlar a turbina, causando, assim, vibrações e/ou carregamento excessivo. Ainda em outras situações, o controlador principal pode estar inacessível ou indisponível de outro modo, por exemplo, devido a uma falta de potência e/ou uma manutenção programada. De tal modo, a presente revelação é direcionada a sistemas e métodos que abordam as questões acima mencionadas.
[026] Por exemplo, conforme mostrado na Figura 3, é ilustrado um sistema de controle distribuído 100 para uma turbina eólica, tal como a turbina eólica 10 da Figura 1, de acordo com realizações exemplificativas da revelação. Conforme mostrado, o sistema de controle 100 inclui o controlador de turbina eólica principal 26 e uma pluralidade de módulos de entrada e saída (I/O) distribuídas 104, 106, 108 para o controle individual de um ou mais componentes de turbina eólica. Mais especificamente, conforme mostrado na realização ilustrada, o sistema de controle 100 inclui uma I/O distribuída de caixa de topo 104, uma I/O distribuída de parte inferior de torre 106 e uma I/O distribuída de conversão de potência 108. Além disso, conforme mostrado, cada um dos módulos de I/O distribuídas 104, 106, 108 são conectados ao controlador de turbina principal 26 através de uma das redes de comunicações 112 para comando e monitoração. Deve-se compreender que a rede de comunicações 112, conforme descrito no presente documento, pode incluir qualquer meio de comunicação adequado para transmitir os sinais. Por exemplo, a rede de comunicação 112 pode incluir inúmeros enlaces com ou sem fio, incluindo a comunicação através de uma ou mais conexões de Ethernet, conexões de fibra óptica, barramentos de rede, linhas de alimentação, condutores ou circuitos para transmitir as informações sem fio. Além disso, os sinais podem ser comunicados através da rede de comunicações 112 com o uso de qualquer protocolo de comunicação adequado, tal como um protocolo de comunicação em série, um protocolo de banda larga via linha de alimentação, um protocolo de comunicação sem fio ou outro protocolo adequado.
[027] Dessa forma, o controlador de turbina 26 é configurado para receber informações a partir dos módulos de entrada e enviar informações para os módulos de saída. As entradas e as saídas podem ser tanto os sinais analógicos que estão mudando continuamente como os sinais discretos. Mais especificamente, em certas realizações, a I/O distribuída de caixa de topo 104 é configurada para fornecer I/O para o controlador de turbina 26 de modo a controlar os componentes de parte superior de torre da turbina eólica 10, por exemplo, o mecanismo de acionamento de guinada 40. De modo semelhante, a I/O distribuída de parte inferior de torre 106 é configurada para fornecer I/O ao controlador de turbina 26 de modo a controlar o conjunto elétrico de parte inferior de torre, por exemplo, os transformadores etc. A I/O distribuída de conversão de potência 108 é configurada para fornecer I/O ao controlador de turbina 26 de modo a controlar o conversor de potência da turbina eólica 10. Adicionalmente, o sistema de controle 100 pode incluir, opcionalmente, um ou mais controladores de segurança independentes 110 configurados para proteger os vários componentes do sistema de controle 100. Ainda em realizações adicionais, o sistema de controle 100 pode incluir mais ou menos módulos de I/O distribuídas do que aqueles representados na Figura 3, dependendo dos componentes específicos da turbina eólica 10.
[028] O sistema de controle 100 inclui, também, um ou mais sistemas de controle de passo 102 configurados para controlar o ângulo de passo das pás de rotor 22. Por exemplo, conforme mostrado, o sistema de controle 100 inclui três sistemas de controle de passo 102, isto é, uma para cada uma das três pás de rotor 22 da turbina eólica 10 da Figura 1 De tal modo, em realizações adicionais, o sistema de controle 100 pode ter, também, mais que três ou menos que três sistemas de controle de passo 102.
[029] Durante a operação normal, o controlador principal 26 espera tipicamente até receber todas as I/O de cada um dos módulos 104, 106, 108 antes de ficar online. Entretanto, um benefício da presente revelação é que, se o controlador 26 falhar ao ficar online, um ou mais dos módulos 104, 106, 108 do sistema de controle 100 podem ser configurados para operar autonomamente de modo a proteger a turbina eólica 10 contra estresses ou carregamentos aumentados.
[030] Por exemplo, em certas realizações, um ou mais dos módulos 104, 106, 108 do sistema de controle 100 podem incluir um computador ou outra unidade de processamento adequada que possa incluir instruções legíveis por computador adequadas que, quando implantadas, configuram os módulos 104, 106, 108 para realizar várias funções diferentes, tais como receber, transmitir e/ou executar sinais de controle de turbina eólica. Mais especificamente, conforme mostrado na Figura 4, é ilustrado um diagrama de blocos de uma realização de componentes adequados que podem ser incluídos dentro dos módulos 104, 106, 108 (ou controlador de turbina 26), de acordo com os aspectos exemplificativos da presente revelação. Conforme mostrado, os módulos 104, 106, 108 podem incluir um ou mais processadores 58 e dispositivos de memória associados 60 configurados para realizar uma variedade de funções implantadas por computador (por exemplo, realizar os métodos, etapas, cálculos e similares revelados no presente documento).
[031] Conforme usado no presente documento, o termo "processador" se refere, não somente a circuitos integrados referidos na técnica como sendo incluídos em um computador, mas se refere também a um controlador, um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um circuito integrado específico a uma aplicação e outros circuitos programáveis. Adicionalmente, o(s) dispositivo(s) de memória 60 pode(m) geralmente compreender elemento(s) de memória que inclui(em), porém, sem limitação, o meio legível por computador (por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM)), meio não volátil legível por computador (por exemplo, uma memória flash), um disquete, uma memória de somente de leitura de disco compacto (CD-ROM), um disco óptico-magnético (MOD), um disco digital versátil (DVD) e/ou outros elementos de memória adequados.
[032] Tal(is) dispositivo(s) de memória 60 pode(m), em geral, ser configurados para armazenar instruções legíveis por computador adequadas que, quando implantadas pelo(s) processador(es) 58 configuram os módulos 104, 106, 108 para realizar várias funções, conforme descrito no presente documento. Adicionalmente, os módulos 104, 106, 108 podem incluir também uma interface de comunicações 62 para facilitar as comunicações entre os módulos 104, 106, 108 e os vários componentes da turbina eólica 10. Uma interface pode incluir um ou mais circuitos, terminais, pinos, contatos, condutores ou outros componentes para enviar e receber sinais de controle. Além disso, os módulos 104, 106, 108 podem incluir uma interface de sensor 64 (por exemplo, um ou mais conversores de analógico para digital) para permitir que sinais transmitidos a partir dos sensores sejam convertidos em sinais que podem ser compreendidos e processados pelos processadores 58.
[033] Dessa forma, em certas realizações, a I/O distribuída de caixa de topo 104 pode usar diferentes instruções legíveis por computador armazenadas em uma linguagem ou protocolo diferentes em relação ao controlador de turbina 26. Dessa forma, a I/O distribuída de caixa de topo 104 pode ser um dispositivo independente e separado do controlador de turbina 26. Dessa forma, em certas realizações, a I/O distribuída de caixa de topo 104 (que já recebe sinais do anemômetro 52) pode incluir um esquema de controle ou algoritmo para controlar um ou mais componentes de turbina eólica, por exemplo, o mecanismo de acionamento de guinada 40 da turbina eólica 10. Consequentemente, em certas realizações, o esquema de controle da I/O distribuída de caixa de topo 104, quando implantado desse modo, é configurado para fornecer controle autônomo de guinada da turbina eólica 10 independentemente da possibilidade de o controlador principal 26 estar online.
[034] Referindo-se agora à Figura 5, trata-se de um fluxograma de um método exemplificativo (200) para controlar uma turbina eólica de acordo com as realizações exemplificativas da presente revelação. O método (200) pode ser implantado usando um ou mais dispositivos de controle, tais como um ou mais dos módulos 104, 106, 108 ou o controlador de segurança separado 110 retratado na Figura 3. Além disso, a Figura 5 retrata as etapas realizadas em uma ordem particular para propósitos de ilustração e discussão. As pessoas de habilidade comum na técnica, com o uso das revelações fornecidas no presente documento, irão compreender que as etapas de qualquer um dos métodos revelados no presente documento podem ser modificadas, expandidas, omitidas, redispostas e/ou adaptadas de várias maneiras sem se desviar do escopo da presente revelação.
[035] Conforme mostrado em (202), o método 200 inclui medir, através de um sensor eólico, uma ou mais condições de vento perto da turbina eólica. Em (204), o método 200 inclui receber, através do módulo de I/O distribuídas 104, as uma ou mais condições de vento do sensor eólico. Conforme mencionado, o módulo de I/O distribuídas 104 inclui um ou mais esquemas ou lógicas de controle de guinada pré-programados armazenados no dispositivo de memória 60. De tal modo, em (206), o método 200 inclui determinar um sinal de controle para o mecanismo de acionamento de guinada 40 da turbina eólica 10 como uma função das uma ou mais condições de vento através do esquema de controle. Dessa forma, em (208), o método inclui controlar, através do módulo de I/O distribuídas, o mecanismo de acionamento de guinada 40 com base no sinal de controle. Mais especificamente, em realizações particulares, a etapa de controlar o mecanismo de acionamento de guinada 40 com base no sinal de controle pode incluir enviar o sinal de controle ao motor de acionamento de guinada 44, de modo que o motor de acionamento de guinada 44 confira uma força mecânica à caixa de engrenagem de acionamento de guinada 45, e a caixa de engrenagem de acionamento de guinada 45 acione o pinhão de acionamento de guinada 47, de modo a girar o rolamento de guinada 42 e, consequentemente, a nacela 16 ao redor do eixo geométrico de guinada 43.
[036] Em realizações adicionais, o sistema de controle distribuído 100 pode incluir também um ou mais intertravamentos configurados para proteger os módulos 104, 106, 108, particularmente o módulo distribuído de caixa de topo 104. Por exemplo, em certas realizações, o(s) intertravamento(s) é(são) configurado(s) para impedir que o módulo distribuído de caixa de topo 104 controle o mecanismo de acionamento de guinada 40 de uma forma que danifique a turbina 10. Em realizações adicionais, o módulo de I/O distribuídas 104 pode permanecer em um modo de operação padrão, exceto se ou até que o módulo 104 receba um sinal do controlador de turbina 26 que indica que o controlador 26 está offline.
[037] A presente revelação, conforme descrito no presente documento, se refere ao controle autônomo de guinada de uma turbina eólica, entretanto, deve ser compreendido que o esquema de controle da presente revelação pode ser aplicado também para controlar vários outros componentes de turbina eólica além do mecanismo de acionamento de guinada. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 6, é ilustrado um fluxograma de um método 300 para operar uma turbina eólica quando um controlador principal da turbina eólica estiver offline. Conforme mostrado em 302, o método 300 inclui programar um módulo de entradas e saídas (I/O) distribuídas com um esquema de controle para um ou mais componentes de turbina eólica. Em 304, o método 300 inclui a medição, através de um sensor eólico, de uma ou mais condições de vento perto da turbina eólica. Em 306, o método 300 inclui determinar também, através de esquema de controle, um sinal de controle para os um ou mais componentes de turbina eólica como uma função das uma ou mais condições de vento. Dessa forma, em 308, o método 300 inclui controlar também, através do módulo de I/O distribuídas, os um ou mais componentes de turbina eólica com base no sinal de controle.
[038] Esta descrição técnica usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo e, também, para capacitar qualquer versado na técnica a praticar a invenção, inclusive a produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e a executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estar dentro do escopo das reivindicações caso os mesmos incluam elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações. LISTA DE COMPONENTES 10 Turbina Eólica 12 Torre 14 Superfície de Suporte 16 Nacela 18 Rotor 20 Cubo Giratório 22 Pá de Rotor 24 Gerador 26 Controlador de Turbina 28 Eixo Geométrico de Passo 32 Mecanismo de Ajuste de Passo 34 Eixo de Rotor Principal 36 Eixo Gerador 38 Caixa de Engrenagem 40 Mecanismo De Acionamento De Guinada 42 Rolamento De Guinada 43 Eixo Geométrico De Guinada 44 Motor De Acionamento De Guinada 45 Caixa De Engrenagem De Acionamento De Guinada 46 Pinhão De Acionamento De Guinada 47 Rolamento De Passo 52 Sensor 58 Processador(es) 60 Dispositivo(s) de Memória 62 Módulo de Comunicações 64 Interface De Sensor 100 Sistema de Controle Distribuído 102 Sistema de Controle de Passo 104 Módulo De Controle De E/S Distribuído de Caixa de Cima 106 Módulo De Controle De E/S Distribuído Da Parte Superior De Torre 108 Módulo De Controle de E/S Distribuído de Conversão de Energia 110 Controlador De Segurança 112 Rede de Comunicações 200 Método 202 Etapa de Método 204 Etapa de Método 206 Etapa de Método 208 Etapa de Método 300 Método 302 Etapa de Método 304 Etapa de Método 306 Etapa de Método 308 Etapa de Método
Claims (15)
1. MÉTODO (200) PARA O CONTROLE AUTÔNOMO DE GUINADA DE UMA TURBINA EÓLICA (10), caracterizado por compreender: medir (202), através de um sensor eólico (52), uma ou mais condições de vento perto da turbina eólica (10); receber (204), através de um módulo de entradas e saídas distribuídas (104), as uma ou mais condições de vento do sensor eólico (52); receber, através do módulo de de entradas e saídas distribuídas (104), um sinal de um controlador de turbina principal do sistema de controle distribuído de turbina eólica (10) que indica que o controlador de turbina principal está off-line; determinar (206), através do módulo de entradas e saídas distribuídas (104), um parasinal de controle para um mecanismo de acionamento de guinada (40) da turbina eólica (10) como uma função das uma ou mais condições de vento, sendo que o mecanismo de acionamento de guinada (40) é configurado para modificar uma orientação de uma nacela (16) da turbina eólica (10); e, controlar (208), através do módulo de entradas e saídas distribuídas (104), o mecanismo de acionamento de guinada (40) com base no sinal de controle.
2. MÉTODO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo módulo de entradas e saídas distribuídas (104) ser parte de um sistema de controle distribuído de turbina eólica (100).
3. MÉTODO (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por compreender, adicionalmente, armazenar, através de um armazenamento de memória (60), um esquema de controle de guinada dentro do módulo de entradas e saídas distribuídas (104).
4. MÉTODO (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo módulo de entradas e saídas distribuídas (104) compreender um módulo de entradas e saídas distribuídas (104) de caixa de topo do sistema de controle distribuído de turbina eólica.
5. MÉTODO (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo mecanismo de acionamento de guinada (40) compreender um motor de acionamento de guinada (44), um pinhão de acionamento de guinada (46), e um rolamento de guinada (42) acoplado operacionalmente com o pinhão de acionamento de guinada (46), em que o rolamento de guinada (42) é configurado entre a nacela e uma torre da turbina eólica.
6. MÉTODO (200), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo mecanismo de acionamento de guinada (40) compreender, adicionalmente, uma caixa de engrenagem de acionamento de guinada (45) acoplada operacionalmente ao motor de acionamento de guinada (44) e ao pinhão de acionamento de guinada (46), e em que o pinhão de acionamento de guinada (46) está em engate rotacional com o rolamento de guinada (42).
7. MÉTODO (200), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo controle do mecanismo de acionamento de guinada (40) com base no sinal de controle compreender, adicionalmente, enviar o sinal de controle para o motor de acionamento de guinada (44) de modo que o motor de acionamento de guinada (44) confira força mecânica à caixa de engrenagem de acionamento de guinada (45), e a caixa de engrenagem de acionamento de guinada (45) acione o pinhão de acionamento de guinada (46) de modo a girar o rolamento de guinada (42) e, consequentemente, a nacela (16) sobre um eixo geométrico de guinada (43).
8. MÉTODO PARA OPERAR UMA TURBINA EÓLICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por compreender: programar (302) um módulo de entradas e saídas distribuídas (104) com um esquema de controle para um ou mais componentes de turbina eólica (10); determinar (306), através de esquema de controle, um sinal de controle para os um ou mais componentes de turbina eólica como uma função das uma ou mais condições de vento; e, controlar (308), através do módulo de entradas e saídas distribuídas (104), os um ou mais componentes de turbina eólica com base no sinal de controle.
9. SISTEMA DE CONTROLE DISTRIBUÍDO PARA O CONTROLE AUTÔNOMO DE GUINADA DE UMA TURBINA EÓLICA (10), caracterizado por compreender: um sensor eólico (52) configurado para medir uma ou mais condições de vento perto da turbina eólica (10); um controlador de turbina principal configurado para receber entradas e saídas de um módulo de controle distribuído; pelo menos um módulo de controle distribuído acoplado comunicativamente ao controlador de turbina principal e ao sensor eólico (52), em que o módulo de controle distribuído é configurado para realizar uma ou mais operações, sendo que as uma ou mais operações compreendem: receber um sinal de um controlador de turbina principal indicando que o controlador de turbina principal está offline receber as uma ou mais condições de vento do sensor eólico (52), determinar um sinal de controle para um mecanismo de acionamento de guinada (40) da turbina eólica (10), sendo que o mecanismo de acionamento de guinada (40) é configurado para modificar uma orientação de uma nacela (16) da turbina eólica (10), e controlar o mecanismo de acionamento de guinada (40) com base no sinal de controle.
10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo módulo de controle distribuído compreender pelo menos um dentre um módulo de entradas e saídas distribuídas de caixa de topo ou um controlador de segurança independente.
11. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 10, caracterizado pelo módulo de controle distribuído compreender, adicionalmente, um armazenamento de memória (60) que tem um esquema de controle de guinada armazenado nisso.
12. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo mecanismo de acionamento de guinada compreender um motor de acionamento de guinada (44), um pinhão de acionamento de guinada (46) e um rolamento de guinada (42) acoplado operacionalmente ao pinhão de acionamento de guinada (46), sendo que o rolamento de guinada (42) é configurado entre a nacela (16) e uma torre da turbina eólica (10), e em que o pinhão de acionamento de guinada (46) está em engate rotacional com o rolamento de guinada (42).
13. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo controle do mecanismo de acionamento de guinada (40) com base no sinal de controle compreender, adicionalmente, enviar o sinal de controle ao motor de acionamento de guinada (44), de modo que o motor de acionamento de guinada (44) confira força mecânica à caixa de engrenagem de acionamento de guinada (45) e, a caixa de engrenagem de acionamento de guinada (45) acione o pinhão de acionamento de guinada (46) de modo a girar o rolamento de guinada (42) e, consequentemente, a nacela (16) sobre um eixo geométrico de guinada (43).
14. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo sensor eólico (52) compreender, adicionalmente, pelo menos um dentre um dispositivo de Detecção e Localização por Laser, um dispositivo de Detecção e Localização por Som, um anemômetro, um cata- vento, um barômetro ou um dispositivo de radar.
15. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 14, caracterizado pelo sistema de controle distribuído de turbina eólica compreender adicionalmente um ou mais intertravamentos configurados para proteger o módulo de controle distribuído.
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