BR102018000109A2 - método para a operação de uma turbina eólica possuindo pás de rotor conectadas a um cubo - Google Patents

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Abstract

é proporcionado um método para a operação de uma turbina eólica (10) possuindo pás de rotor (22) conectadas a um cubo (20), em que um controlador (26) compensa o giro (twist) da pá induzido por torção. o método inclui a operação (200) da turbina eólica de acordo com uma curva de potência de saída nominal e valor máximo de impulso projetado, e detecção periódica ou contínua (202) de giro de torção induzido nas pás do rotor (22). após a determinação do giro de torção ser induzido nas pás do rotor (22), o método inclui o ajuste (210) do valor máximo de impulso no programa de controle para compensar o giro induzido. o controlador (26) da turbina eólica controla então (212) o passo (pitch) das pás do rotor (22) em função do aumento do valor máximo de impulso de modo que a potência de saída da turbina eólica (10) não seja desnecessariamente limitada ou aumentada pelo giro induzido nas pás do rotor.

Description

(54) Título: MÉTODO PARA A OPERAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA POSSUINDO PÁS DE ROTOR CONECTADAS A UM CUBO (51) Int. Cl.: F03D 7/04; F03D 1/06 (30) Prioridade Unionista: 04/01/2017 US 15/397,896 (73) Titular(es): GENERAL ELECTRIC COMPANY (72) Inventor(es): THOMAS FRANKLIN PERLEY; THOMAS FRANK FRIC; ARNE KOERBER (85) Data do Início da Fase Nacional:
03/01/2018 (57) Resumo: É proporcionado um método para a operação de uma turbina eólica (10) possuindo pás de rotor (22) conectadas a um cubo (20), em que um controlador (26) compensa o giro (twist) da pá induzido por torção. O método inclui a operação (200) da turbina eólica de acordo com uma curva de potência de saída nominal e valor máximo de impulso projetado, e detecção periódica ou contínua (202) de giro de torção induzido nas pás do rotor (22). Após a determinação do giro de torção ser induzido nas pás do rotor (22), o método inclui o ajuste (210) do valor máximo de impulso no programa de controle para compensar o giro induzido. O controlador (26) da turbina eólica controla então (212) o passo (pitch) das pás do rotor (22) em função do aumento do valor máximo de impulso de modo que a potência de saída da turbina eólica (10) não seja desnecessariamente limitada ou aumentada pelo giro induzido nas pás do rotor.
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Figure BR102018000109A2_D0001
V.
1/21 “MÉTODO PARA A OPERAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA POSSUINDO PÁS DE ROTOR CONECTADAS A UM CUBO”
Campo Técnico [001] A presente divulgação refere-se, em geral, a turbinas eólicas, e mais particularmente a métodos de controle de carregamento e de impulso da turbina eólica com compensação para o giro (twist) da pá.
Antecedentes da Invenção [002] A energia eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas e amigável ao meio ambiente atualmente disponíveis, e as turbinas eólicas ganharam maior atenção a este respeito. Uma turbina eólica moderna tipicamente inclui uma torre, gerador, caixa de transmissão, nacela e um rotor que inclui uma ou mais pás do rotor. As pás do rotor captam a energia cinética do vento usando princípios de folha conhecidas e transmitem a energia cinética através da energia rotacional para girar um eixo que engata as pás do rotor com uma caixa de transmissão, ou se uma caixa de transmissão não é usada diretamente no gerador. O gerador converte então a energia mecânica em energia elétrica que pode ser implantada em uma rede elétrica.
[003] Durante a operação de uma turbina eólica, vários componentes da turbina eólica são submetidos a várias cargas devido às cargas de vento aerodinâmicas que atuam sobre a pá. Em particular, as pás do rotor apresentam carga significativa e mudanças frequentes no carregamento, durante a operação devido à interação com o vento. As mudanças na velocidade e direção do vento, por exemplo, podem modificar as cargas experimentadas pelas pás do rotor. Para reduzir o carregamento da pá do rotor, vários métodos e aparelhos foram desenvolvidos para habilitar a arfagem (pitching) das pás do rotor durante a operação. A arfagem, de forma geral, permite que as pás do rotor lancem uma parte das cargas assim experimentadas.
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2/21 [004] A quantidade de energia produzida por uma turbina eólica é tipicamente limitada por limitações estruturais dos componentes individuais da turbina eólica. A potência disponível do vento é proporcional à área do rotor e ao quadrado do diâmetro do rotor. Assim, a quantidade de energia produzida a diferentes velocidades do vento pode ser significativamente maior através do aumento do diâmetro do rotor da turbina eólica. Tal aumento no tamanho do rotor, no entanto, também aumenta as cargas mecânicas e os custos dos materiais de uma forma que pode exceder o aumento correspondente na produção de energia. Além disso, embora seja útil controlar a potência e a velocidade do rotor, o impulso do vento no rotor realmente gera muitas cargas de fadiga dominantes, juntamente com qualquer assimetria desse impulso. A força de impulso vem de uma mudança de pressão à medida que o vento passa pela turbina e diminui a velocidade. Os termos “impulso”, “valor de impulso”, “parâmetro de impulso” ou termos semelhantes são, de forma geral, utilizados na arte para englobar uma força que atua na turbina eólica devido ao vento e na direção geral do vento, e também pode ser usado para descrever as entradas para um método de controle de um valor que muda em proporção direta ao impulso em uma região de operação de interesse (por exemplo, inclinação na direção flap-wise ou pá fora de plano individual ou médio, inclinação de torre (tower bending) ou aceleração do topo da torre).
[005] Os desenvolvimentos recentes na indústria de energia eólica levaram a novos métodos de controles de redução de carga mecânica que permitem que os diâmetros de rotor maiores sejam empregados com aumentos menores do que proporcionais nos custos de material. Por exemplo, algumas turbinas eólicas modernas podem implementar trem de transmissão e amortecedores de torre para reduzir cargas. Além disso, as turbinas eólicas modernas podem utilizar mecanismos individuais e coletivos de controle do passo da pá para reduzir a fadiga e as cargas extremas, permitindo maiores
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3/21 relações entre o diâmetro do rotor e as cargas estruturais ao mesmo tempo que reduzem o custo da energia.
[006] As turbinas eólicas convencionais são projetadas para uma velocidade de vento nominal, em que ocorre o impulso máximo e a geração máxima de potência. Na velocidade de vento nominal, o controlador da turbina tenta limitar o impulso estimado a um valor de limiar de controle (por exemplo, um valor de 350 kN na velocidade de vento nominal). À velocidade de vento superior à velocidade de vento nominal, as pás do rotor são lançadas para reduzir o impulso. Muitos métodos são conhecidos para determinar se devem passar as pás do rotor para reduzir o impulso. No entanto, esse controle de impulso não deveria desnecessariamente limitar a potência de saída da turbina eólica.
[007] Por conseguinte, são desejados métodos melhorados para controlar a carga de turbinas eólicas como uma função do controle de impulso, sem limitar prematuramente ou desnecessariamente a potência de saída.
Breve Descrição da Invenção [008] Os aspectos e vantagens da invenção serão apresentados em parte na descrição que se segue, ou podem ser evidentes a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.
[009] Um aspecto da presente invenção é a realização pelos presentes inventores de que as metodologias de controle de impulso convencionais na realidade superestimam o impulso em uma turbina eólica operacional e, assim, controlam o impulso (através do passo da pá) para um limiar ou valor máximo artificialmente baixo, limitando desnecessariamente a potência de saída. As metodologias atuais não levam em consideração o fato de que as pás de turbinas eólicas maiores se deformam por torção (giro) a velocidades de vento mais altas. Este giro induzido pode estar em uma direção de “pena”, em que as pás despejam vento e possuem cargas reduzidas, ou em
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4/21 uma direção de “potência” em que as pás produzem mais potência e aumentam as cargas. Os atuais inventores descobriram que, com certas turbinas eólicas, em que o impulso é controlado de modo a não exceder um valor de limiar projetado (por exemplo, um valor de 350 kN), após a medição, o impulso real das pás compatíveis com torsões giradas em direção a direção da pena é significativamente menor (por exemplo, cerca de (30)0 kN) do que o limite de limiar de controle projetado. Os mapas aerodinâmicos predefinidos (por exemplo, tabelas de consulta) que o controlador usa para correlacionar a velocidade de vento ao impulso não levam em consideração esse fenômeno. A turbina eólica é, assim, mantida em um valor de controle de impulso artificialmente baixo, resultando em potência de saída reduzida.
[010] Por outro lado, quando as pás são giradas por torção para a direção de potência, as cargas das pás podem exceder o valor do limite projetado (por exemplo, se o controlador não usar a carga da pá real como variável de controle).
[011] Assim, em uma forma de realização, a presente invenção é direcionada a um método para a operação de uma turbina eólica possuindo pás de rotor ligadas a um cubo, em que um controlador compensa o giro da pá induzido por torção. O método inclui a operação da turbina eólica de acordo com uma curva de potência de saída nominal e um valor máximo de impulso programado, e detectando periodicamente paro giro de torção induzido nas pás do rotor. Após a determinação do giro de torção ser induzida nas pás do rotor, o método inclui o ajuste do valor máximo de impulso programado no controlador para compensar o giro da pá induzida e o passo de controle das pás do rotor em função do valor máximo de impulso ajustado para que a potência de saída da turbina eólica não seja desnecessariamente limitada pelo giro induzido nas pás do rotor.
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5/21 [012] Em uma certa forma de realização, o valor máximo de impulso programado é ajustado proporcionalmente com a quantidade de giro de torção induzido nas pás do rotor. Em uma forma de realização alternativa, o valor máximo de impulso programado é aumentado por uma quantidade predefinida após a determinação do giro de torção nas pás do rotor, em que esta quantidade ajustada é mantida até a velocidade de vento de corte da curva de potência de saída nominal.
[013] Em algumas formas de realização, o giro de torção induzido é diretamente detectado através da detecção de uma mudança no aspecto físico das pás do rotor resultantes do giro de torção induzido. Por exemplo, o giro de torção induzido pode ser diretamente detectado por um sensor montado nas pás do rotor, como um medidor de tensão, um sensor de fibra óptica que se desloca ao longo da pá, um sensor ou acelerômetro giroscópico, uma unidade de medição micro inercial (MIMU), e assim por diante.
[014] Em outra forma de realização, o giro de torção induzido pode ser diretamente detectado opticamente por uma câmara disposta para ver um aspecto em envergadura (span-wise) da pá do rotor.
[015] Ainda em outra forma de realização, o giro de torção induzido pode ser diretamente detectado por um laser disposto para detectar a distorção da pá do rotor.
[016] Em certas formas de realização, o giro de torção induzido é indiretamente detectado ou inferido. Por exemplo, tal giro pode ser indiretamente detectado por uma carga de pá realmente medida, sendo inferior a um valor esperado a uma determinada velocidade de vento. Da mesma forma, o giro pode ser inferido de um impulso de rotor medido, inferior a um valor esperado a uma velocidade de vento definida, por exemplo, a velocidade de vento no joelho (knee) da curva de potência de saída.
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6/21 [017] Ainda em outras formas de realização, o giro de torção induzido pode ser indiretamente detectado por uma inclinação de torre medida, sendo inferior a um valor esperado a uma velocidade de vento definida, por exemplo, a velocidade de vento no joelho da curva de potência de saída.
[018] Uma forma de realização pode incluir inferir o giro de torção induzido de um ruído medido a uma velocidade de vento definida, sendo superior a ou inferior a um valor esperado.
[019] Ainda em outra forma de realização, o giro de torção induzido é indiretamente detectado por uma diferença na velocidade de vento nominal entre um ângulo de passo da pá medido e um ângulo de passo da pá esperado.
[020] O giro de torção induzido pode ser indiretamente detectado por uma diferença entre uma velocidade estimada de vento do controlador baseado em modelo (MBC) e uma velocidade de vento realmente medida.
[021] Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão melhor compreendidas com referência à descrição a seguir e às reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados e constituem parte deste relatório descritivo, ilustram formas de realização da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.
Breve Descrição das Figuras [022] Uma divulgação completa e facilitadora da presente invenção, incluindo o seu melhor modo de realização, direcionada a uma pessoa versada na técnica, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às figuras anexas, nas quais:
- a Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma turbina eólica de acordo com uma forma de realização da presente descrição;
- a Figura 2 ilustra uma perspectiva, vista interna de uma nacela
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7/21 de uma turbina eólica de acordo com uma forma de realização da presente descrição;
- as Figuras 3A a 3C são diagramas de potência, impulso e ângulo de passo, respectivamente, em relação à velocidade de vento, que ilustra certos conceitos operacionais da presente divulgação;
- a Figura 4 é um diagrama esquemático de uma configuração de controlador de acordo com uma forma de realização da presente descrição; e
- a Figura 5 é um diagrama de blocos, que ilustra um método para controlar uma turbina eólica para compensar o giro da pá de acordo com uma forma de realização da presente descrição.
Descrição de Formas de Realização da Invenção [023] A referência agora será feita em detalhes para formas de realização da invenção, um ou mais exemplos dos quais estão ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, não a título de limitação da invenção. Na verdade, será evidente para as pessoas versadas na técnica que podem ser feitas várias modificações e variações na presente invenção, sem se afastar do escopo ou espírito da invenção. Por exemplo, as características ilustradas ou descritas como parte de uma forma de realização podem ser usadas com outra forma de realização para produzir ainda uma outra forma de realização. Assim, pretende-se que a presente invenção abranja tais modificações e variações que se enquadram no escopo das reivindicações anexas e os seus equivalentes.
[024] A figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma turbina eólica (10). Conforme ilustrado, a turbina eólica (10) inclui uma torre (12) que se prolonga a partir de uma superfície de suporte (14), uma nacela (16) montada na torre (12) e um rotor (18) acoplado a nacela (16). O rotor (18) inclui um cubo rotativo (20) e pelo menos uma pá de rotor (22) acoplada e que se prolonga para fora a partir do cubo (20). Por exemplo, na forma de realização
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8/21 ilustrada, o rotor (18) inclui três pás de rotor (22). Cada pá de rotor (22) pode ser espaçada em torno do cubo (20) para facilitar a rotação do rotor (18) para permitir que a energia cinética seja transferida do vento para energia mecânica utilizável e, posteriormente, energia elétrica. Por exemplo, o cubo (20) pode ser acoplado rotativamente a um gerador elétrico (24) (Figura 2) posicionado dentro da nacela (16) para permitir a produção de energia elétrica.
[025] Como ilustrado, a turbina eólica (10) também pode incluir um sistema de controle de turbina ou um controlador de turbina (26) centralizado dentro da nacela (16). No entanto, deve ser apreciado que o controlador de turbina (26) pode estar disposto em qualquer local no ou na turbina eólica (10), em qualquer local na superfície de suporte (14) ou, de forma geral, em qualquer outro local. O controlador de turbina (26) pode, de forma geral, ser configurado para controlar os vários modos de operação (por exemplo, sequências de inicialização ou de desligamento) e/ ou componentes da turbina eólica (10). Por exemplo, o controlador (26) pode ser configurado para controlar o passo da pá ou ângulo de passo de cada uma das pás de rotor (22) (isto é, um ângulo que determina uma perspectiva das pás de rotor (22) em relação à direção (28) do vento) para controlar o carregamento nas pás de rotor (22) ajustando uma posição angular de pelo menos uma pá de rotor (22) em relação ao vento. Por exemplo, o controlador de turbina (26) pode controlar o ângulo de passo das pás de rotor (22), individualmente ou simultaneamente, através da transmissão de sinais/ comandos de controle adequados para vários impulsos de passo ou mecanismos de ajuste de passo (32) (Figura 2) da turbina eólica (10). Especificamente, as pás de rotor (22) podem ser montadas rotativamente no cubo (20) por um ou mais rolamento de passo (não ilustrado) de tal modo que o ângulo de passo possa ser ajustado girando as pás do rotor (22) em torno dos seus eixos de passo (34) usando o mecanismo de ajuste de passo (32). Além disso, à medida que a direção (28) do vento muda, o
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9/21 controlador de turbina (26) pode ser configurado para controlar uma direção de guinagem da nacela (16) em torno de um eixo de guinagem (36) para posicionar as pás de rotor (22) em relação à direção (28) do vento, controlando assim as cargas que atuam sobre a turbina eólica (10). Por exemplo, o controlador de turbina (26) pode ser configurado para transmitir sinais/ comandos de controle para um mecanismo de acionamento de guinagem (38) (figura 2) da turbina eólica (10), de modo que a nacela (16) possa ser girada em torno do eixo de guinagem (30).
[026] Deve ser apreciado que o controlador de turbina (26) pode, de forma geral, compreender um computador ou qualquer outra unidade de processamento adequada. Assim, o controlador de turbina (26) pode incluir um ou mais processadores e dispositivos(s) de memória associados, configurados para executar uma variedade de funções implementadas pelo computador, conforme discutido abaixo. Tal como aqui utilizado, o termo “processador” refere-se não apenas aos circuitos integrados referidos na arte como sendo incluídos em um computador, mas também se refere a um controlador, um micro controlador, um microcomputador, um controlador de lógica programável (PLC), um circuito integrado de aplicação específica e outros circuitos programáveis. Além disso, o(s) dispositivo(s) de memória do controlador de turbina (26) podem, de forma geral, compreender elementos de memória incluindo, mas não estão limitados a, 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 leitura de disco compacta (CD-ROM), um disco magneto-óptico (MOD), um disco versátil digital (DVD) e/ ou outros elementos de memória adequados. Esse(s) dispositivo(s) de memória podem, de forma geral, ser configurados para armazenar instruções adequadas, legíveis por computador, que quando implementadas pelo(s) processador(es), configure o controlador (26) para
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10/21 executar várias funções implementadas pelo computador, incluindo, mas não se limitando a, executar algoritmos de controle de derivada integral proporcional (PID), incluindo vários cálculos dentro de um ou mais laços de controle PID, e várias outras funções adequadas implementadas pelo computador. Além disso, o controlador de turbina (26) pode também incluir vários canais de entrada/ saída para receber entradas de sensores e/ ou outros dispositivos de medição e para enviar sinais de controle para vários componentes da turbina eólica (10).
[027] Deve também entender-se que o controlador pode ser um controlador singular ou incluir vários componentes, tais como controladores de passo e/ ou controladores de guinagem, que se comunicam com um controlador central para controlar especificamente o passo e a guinagem conforme discutido. Além disso, o termo “controlador” também pode abranger uma combinação de computadores, unidades de processamento e/ ou componentes relacionados em comunicação uns com os outros.
[028] Com referência agora à Figura 2, é ilustrada uma vista interna simplificada de uma forma de realização da nacela (16) da turbina eólica (10). Como ilustrado, um gerador (24) pode estar disposto dentro da nacela (16). Em geral, o gerador (24) pode ser acoplado ao rotor (18) da turbina eólica (10) para gerar energia elétrica da energia rotacional gerada pelo rotor (18). Por exemplo, o rotor (18) pode incluir um eixo de rotor principal (40) acoplado ao cubo (20) para rotação com o mesmo. O gerador (24) pode então ser acoplado ao eixo de rotor (40) de tal modo que a rotação do eixo de rotor (40) aciona o gerador (24). Por exemplo, na forma de realização ilustrada, o gerador (24) inclui um eixo de gerador (42) acoplado rotativamente ao eixo de rotor (40) através de um caixa de transmissão (44). No entanto, em outras formas de realização, deve ser apreciado que o eixo de gerador (42) pode ser acoplado rotativamente diretamente ao eixo do rotor (40). Alternativamente, o
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11/21 gerador (24) pode ser acoplado de forma direta ao eixo do rotor (40) (muitas vezes referido como uma “turbina eólica de acionamento direto”).
[029] Deve ser apreciado que o eixo do rotor (40) pode, de forma geral, ser suportado dentro da nacela por uma armação de suporte ou placa de assentamento (46) posicionada sobre a torre (12) de turbina eólica. Por exemplo, o eixo de rotor (40) pode ser suportado pela placa de suporte (46) através de um par de blocos de descanso montados na placa de assentamento (46).
[030] Além disso, como indicado acima, o controlador de turbina (26) também pode estar localizado dentro da nacela (16) da turbina eólica (10). Por exemplo, como ilustrado na forma de realização ilustrada, o controlador de turbina (26) está disposto dentro de uma cabine de controle (52) montada para uma porção da nacela (16). No entanto, em outras formas de realização, o controlador de turbina (26) pode estar disposto em qualquer outro local adequado sobre e/ ou dentro da turbina eólica (10) ou em qualquer localização adequada remota para a turbina eólica (10). Além disso, conforme descrito acima, o controlador de turbina (26) também pode ser acoplado comunicativamente a vários componentes da turbina eólica (10) para controlar, de forma geral, a turbina e/ ou tais componentes. Por exemplo, o controlador de turbina (26) pode ser acoplado comunicativamente ao(s) mecanismo(s) de acionamento de guinagem (38) da turbina eólica (10) para controlar e/ ou alterar a direção da guinagem da nacela (16) em relação à direção (28) do vento. Da mesma forma, o controlador de turbina (26) também pode ser acoplado comunicativamente a cada mecanismo de ajuste de passo (32) da turbina eólica (10) (um dos quais é ilustrado) para controlar e/ ou alterar o ângulo de passo das pás de rotor (22) em relação à direção (28) do vento. Por exemplo, o controlador de turbina (26) pode ser configurado para transmitir um sinal/ comando de controle para cada mecanismo de ajuste de passo (32) de
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12/21 tal modo que um ou mais atuadores (não ilustrados) do mecanismo de ajuste de passo (32) possam ser utilizados para girar as pás (22) em relação ao cubo (20).
[031] A presente descrição é ainda direcionada a métodos para controlar a turbina eólica de uma maneira que compensa o giro induzido por torção nas pás (22), como explicado em maior detalhe abaixo. O controlador (26) pode ser utilizado para executar tais métodos e pode controlar o ajuste do passo das pás de rotor (22) com base em tais métodos para compensar o giro da pá, de modo que a potência de saída da turbina eólica (10) não seja desnecessariamente limitada por um valor máximo de impulso que não reflete a rotação da pá. Os métodos utilizados de acordo com a presente descrição eventualmente detectam se o giro está sendo induzido nas pás (22) e, em caso afirmativo, ajustam (aumenta ou diminua) o valor máximo de impulso de limiar no algoritmo de controle para compensar o giro da pá induzido ao mudar o ângulo de passo das pás (22). Ao fazê-lo, a turbina eólica (10) pode operar na potência de saída nominal e não está limitada por um valor máximo de impulso reduzido artificialmente que não reflete o impulso real da pá nas pás (22) giradas na direção da pena. Para as pás (22) giradas na direção de potência, o valor máximo de impulso pode ser diminuído para evitar ou limitar as pás que excedem.
[032] Os diagramas das Figuras 3A a 3C ilustram certos conceitos operacionais do presente método. A Figura 3A representa uma curva de potência projetado exemplar (linha contínua) para uma turbina eólica, em que o sistema atinge a potência de saída nominal a uma velocidade de vento nominal. À medida que a velocidade de vento aumenta, o controlador passa as pás para manter a potência de saída nominal até a velocidade de vento aumentar a velocidade de corte, como é bem conhecido pelas pessoas versadas na técnica. O controle de passo das pás ao longo da curva de
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13/21 potência projetado é representado pela curva de controle de passo na Figura 3C (linha contínua).
[033] A curva de potência projetado é desenvolvida com um valor máximo de impulso projetado como variável limitante, em que, na potência de saída nominal, a carga de impulso nas pás da turbina (e outros componentes) não excede esse valor máximo, como indicado pela curva de impulso da linha contínua na Figura 3B.
[034] No entanto, à medida que a velocidade de vento aumenta ao longo da curva de potência projetado (Figura 3A), as pás na realidade podem girar (em relação a um eixo longitudinal da pá) devido a cargas induzidas por torção nas pás. Esse fenômeno é mais provável com pás maiores à medida que o tamanho e a potência produzida pelas turbinas eólicas crescem. Em certos casos, este giro induzido por torção resulta em uma apara artificial (e não intencional) das pás que resulta nas pás despejando vento. Como resultado, o sistema não atinge potência nominal na velocidade de vento nominal, como indicado pela curva da linha tracejada na Figura 3A. Ao mesmo tempo, a carga de impulso nas pás também é reduzida, conforme indiciado pela curva tracejada na Figura 3B rotulada “Curva real com giro da pá”. Em outras palavras, na velocidade de vento nominal, as pás não são realmente submetidas para os valores máximos de impulso programados limitantes e são desnecessariamente arremessados. Um “déficit de impulso” (Figura 3B) existe entre a carga de impulso real e a carga de impulso do projeto, quando as pás experimentam impulso induzido por torção. Se as pás tivessem um giro por torção para a direção de potência, haveria um “excesso de impulso” entre a carga de impulso real e a carga de impulso do projeto.
[035] Com referência à Figura 3B, a presente metodologia reconhece que os métodos convencionais de controle de turbinas eólicas levam em consideração o déficit de impulso (pás giradas para a posição da
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14/21 pena) identificados na figura e, assim, limitam artificialmente a potência de saída da turbina eólica na velocidade de vento nominal, conforme ilustrado na Figura 3A. A metodologia atual detecta quando as pás experimentam giro e compensa esse giro, introduzindo um ajuste de “compensação de impulso” para a curva de impulso projetado da Figura 3B. Em essência, dependendo da direção do giro da pá, esse ajuste aumenta ou diminui o valor máximo de impulso do projeto no programa de controle. Em resposta, para o giro da pá de direção de penas, a curva de controle de passo (Figura 3C) não é limitada pelo “déficit de impulso” e é ajustada para o novo valor máximo de impulso (que inclui o valor de “compensação de impulso”). Por sua vez, o passo é alcançado que permite a curva de potência real da Figura 3A (linha tracejada) a se aproximar mais da curva de potência do projeto.
[036] Com referência à Figura 4, é ilustrado um diagrama de blocos de uma forma de realização de componentes adequados, que podem ser incluídos dentro do controlador de turbina (26) que operam de acordo com aspectos do presente assunto. Como ilustrado, o controlador (26) pode incluir um ou mais processadores (60) e o(s) dispositivo(s) de memória associado (62) configurado para executar uma variedade de funções implementadas pelo computador (por exemplo, executando os métodos, etapas, cálculos e similares aqui descritos). Além disso, o controlador (26) também pode incluir um módulo de comunicação (64) para facilitar as comunicações entre o controlador (26) e os vários componentes da turbina eólica (10). Por exemplo, o módulo de comunicação (64) pode servir como uma interface para permitir que o controlador de turbina (26) transmita sinais de controle para cada mecanismo de ajuste de passo (32) para controlar o ângulo de passo das pás de rotor (22). Além disso, o módulo de comunicação (64) pode incluir uma interface de sensor (66) (por exemplo, um ou mais conversores analógico-digital) para permitir que os sinais de entrada transmitidos de, por exemplo, vários sensores
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15/21 de giro, a serem convertidos em sinais que podem ser entendidos e processados pelos processadores (60).
[037] A Figura 5 é um diagrama de uma forma de realização do método de acordo com aspectos da invenção. Deve-se entender que os métodos de acordo com a presente descrição podem, em formas de realização exemplificativas, ser métodos de retroalimentação em circuito fechado e podem ser utilizados para as pás de rotor (22) da turbina eólica (10), individualmente ou coletivamente. Por exemplo, valores de passo desejados, valores de passo de corrente e valores de passo total podem ser introduzidos e determinados individualmente para cada pá de rotor (22) ou coletivamente para a pluralidade de pás de rotor (22).
[038] Os métodos de acordo com estas formas de realização podem incluir, por exemplo, a determinação do valor de impulso atual ou real (102) para a turbina eólica (10), como pode ser apreciado a partir das Figuras 3A a 3C. Vários métodos e aparelhos podem ser utilizados para determinar um valor de impulso de corrente (102). Em algumas formas de realização, o valor de impulso atual pode ser medido. Por exemplo, os sensores (104), tais como medidores de tensão ou sensores de fibra óptica, podem ser colocados na turbina eólica (10), tal como nas pás do rotor (22) ou no eixo (40), para medir direta ou indiretamente o impulso ao qual as pás do rotor (22) estão sujeitas, por exemplo, correlacionando a deflexão da pá com o impulso. Alternativamente, os dispositivos de medição (106), tais como pêndulos ou acelerômetros, podem ser utilizados para medir um ângulo de passo da turbina eólica (10). O ângulo de passo pode estar correlacionado com o impulso ao qual as pás de rotor (22) estão sujeitas. Em outras formas de realização alternativas, a velocidade de vento no contravento da turbina eólica (10) pode ser medida, tal como através da utilização de um sensor de clima adequado (108). Sensores meteorológicos adequados incluem, por exemplo, dispositivos
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16/21 de Detecção e Variação de Luz (“LIDAR”), dispositivo sônico de Detecção e Variação de Luz (“SODAR”), anemômetros, para-brisas, barômetros e dispositivos de radar (como dispositivos de radar Doppler). A velocidade de vento contravento pode estar correlacionada com o impulso ao qual as pás de rotor (22) estão sujeitas. Por exemplo, em algumas formas de realização, a velocidade de vento e as mudanças nele podem ser estimadas através do uso, por exemplo, de um algoritmo de observação de vento, que pode ser incluído no controlador (26). O sistema de observação de vento pode inserir torque de carga aplicado ao gerador (24), medido por sensores adequados, como sensores no rotor do gerador (114) ou eixo de entrada, e torque de acionamento aplicado pelo vento, medido por sensores adequados, e pode estimar a velocidade de vento com base nessas entradas. A velocidade estimada do vento pode então ser utilizada para calcular um impulso estimado correspondente. Alternativamente, qualquer método ou aparelho apropriado pode ser utilizado para estimar o valor de impulso atual ou real.
[039] Conforme ilustrado na Figura 3B, certas formas de realização podem incluir, por exemplo, o passo de calcular um déficit de impulso ou valor em excesso e um valor de compensação de impulso correspondente. Este cálculo pode basear-se no valor de impulso atual e em um valor máximo de impulso predeterminado, que, de forma geral, é entendido como um nível de impulso programado no controlador (26) que a turbina eólica (10) não deve exceder.
[040] Voltando novamente à Figura 5, no passo (200), a turbina eólica está operando na curva de potência de saída projetado designada, que é determinada como uma função do valor máximo de impulso do projeto, conforme discutido acima.
[041] No passo (202), a detecção do giro induzido por torção nas pás é realizada em uma base contínua ou por meio de uma entrada de
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17/21 um ou mais sensores (204). Podem ser utilizados vários métodos e dispositivos para este fim. Por exemplo, o giro de torção induzido pode ser detectado diretamente, detectando uma mudança em um aspecto físico das pás de rotor (22) resultantes do giro de torção induzido. Por exemplo, o giro de torção induzido pode ser detectado diretamente por um sensor (104) montado nas pás do rotor, tal como um medidor de tensão, um sensor de fibra óptica (120) que se desloca ao longo da pá, um sensor ou acelerômetro giroscópico, uma unidade de medição micro inercial (MIMU), e assim por diante. Esses sensores podem ser os mesmos sensores discutidos acima, usados para correlacionar a deflexão da pá com o impulso.
[042] Em outra forma de realização, o giro induzido por torção pode ser detectado de forma óptica direta por uma câmara (122) disposta para visualizar um aspecto em espiral da pá do rotor. Por exemplo, a câmara (122) pode estar localizada na caixa da nacela (16) para capturar opticamente cada pá (22) à medida que passa a posição da câmera.
[043] Ainda em outra forma de realização, o giro de torção induzido pode ser detectad0 diretamente por um laser (124) (Figura 2) disposto para detectar a distorção da pá do rotor.
[044] Em certas formas de realização, o giro de torção induzido é indiretamente detectado por uma carga de pá realmente medida sendo inferior a ou superior a um valor esperado a uma determinada velocidade de vento, em que a carga da pá é calculada com base na deflexão da pá medida ou outros métodos. Da mesma forma, a torção pode ser inferida de um impulso de rotor medido inferior a ou superior a um valor esperado a uma velocidade de vento definida, por exemplo, a velocidade de vento no joelho da curva de potência de saída.
[045] Em ainda outras formas de realização, o giro de torção
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18/21 induzido pode ser indiretamente detectado por uma inclinação ou deflexão da torre medida (detectada pelo sensor (110)), sendo inferior a ou superior a um valor esperado a uma velocidade de vento definida, por exemplo a velocidade de vento no joelho da curva de potência de saída.
[046] Uma forma de realização pode incluir inferir o giro de torção induzido de um ruído medido a uma velocidade de vento definida, sendo superior a ou inferior a um valor esperado.
[047] Ainda em outra forma de realização, o giro de torção induzido pode ser indiretamente detectado por uma diferença na velocidade de vento nominal entre um ângulo de passo da pá medido e um ângulo de passo da pá esperado.
[048] O giro de torção induzido pode ser indiretamente detectado por uma diferença entre uma velocidade de vento estimada com controlador baseado em modelo (MBC) e uma velocidade de vento realmente medida.
[049] Voltando novamente à Figura 5, no passo (206), determina-se que as pás (22) não estão sendo giradas e o programa de controle continua a operar a turbina eólica na curva de potência de saída nominal.
[050] No passo (208), determina-se que as pás experimentam um giro induzido por torção (para a posição da pena nesta forma de realização). Após esta determinação, o processo prossegue para o passo (210) em que é introduzido um valor de compensação de impulso (Figura 3B) para aumentar o valor máximo de impulso de limiar no programa de controle para compensar o déficit de impulso. O controle de passo é então mantido ao valor de impulso aumentado no passo (212) de modo que a potência de saída da turbina eólica não é desnecessariamente limitada pelo giro induzido nas pás do rotor, conforme discutido acima em relação
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19/21 às Figuras 3A a 3C.
[051] Em uma certa forma de realização, o valor máximo de impulso de limiar é aumentado ou diminuído proporcionalmente com a quantidade de giro de torção induzido nas pás do rotor. O controlador calcula uma correlação entre o grau de giro da pá e a magnitude do valor de compensação de impulso. Em uma forma de realização alternativa, o valor máximo de impulso de limiar é aumentado ou diminuído por uma quantidade predefinida após a determinação do giro de torção nas pás do rotor, em que esta quantidade ajustada é mantida até a velocidade de vento de corte da curva de potência de saída avaliada.
[052] A presente metodologia também incorpora formas de realização em que a detecção de giro induzido por torção nas pás de rotor conduz a uma determinação diferencial entre o impulso de limiar máximo programado e o impulso real, em que o valor de compensação de impulso é determinado como uma função do valor diferencial. Os métodos são descritos acima para medir o impulso real em vários locais na turbina eólica.
[053] Esta descrição escrita utiliza exemplos para divulgar a invenção, incluindo o melhor modo de realização, e também para permitir que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, incluindo fazer e usar qualquer dispositivo ou sistema e executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorrem para as pessoas versadas na técnica. Tais outros exemplos pretendem estar dentro do escopo das reivindicações se eles incluem elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se eles incluem elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais das linguagens literais das reivindicações.
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Lista de Componentes
Número de Referência Componente
10 Turbina eólica
12 Torre
14 Superfície
16 Nacela
18 Rotor
20 Cubo rotativo
22 Pá de Rotor
24 Gerador elétrico
26 Controlador de turbina
28 Direção
32 Mecanismos de ajuste de passo
34 Eixo de passo
36 Eixo de guinagem
38 Mecanismo de acionamento de guinagem
40 Eixo do rotor
42 Eixo Gerador
44 Caixa de transmissão
46 Placa de assentamento
52 Cabine de controle
60 Processador
62 Dispositivo de memória
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Número de Referência Componente
64 Módulo de comunicação
66 Interface do sensor
104 Sensor
106 Equipamento de medição
108 Sensor de clima
110 Sensor
112 Sensor
114 Rotor
120 Sensor de fibra óptica
122 Câmera
124 Detector de laser
200 Passo do processo: operação na curva de potência nominal
202 Passo do processo: detecção de giro da pá
204 Passo do processo: entradas do sensor
206 Passo do processo
208 Passo do processo
210 Passo do processo: aumentar o valor do impulso
212 Passo do processo: controle de passo
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Claims (14)

  1. Reivindicações
    1. MÉTODO PARA A OPERAÇÃO DE UMA TURBINA EÓLICA (10) POSSUINDO PÁS DE ROTOR (22) CONECTADAS A UM CUBO (20), em que um controlador (26) compensa o giro (twist) da pá induzido por torção, caracterizado pelo fato de que o método compreende:
    - operação (200) da turbina eólica (10) de acordo com uma curva de potência de saída nominal e o valor máximo de impulso programado;
    - detecção periódica ou contínua (202) de giro de torção induzido nas pás do rotor (10);
    - após a determinação do giro de torção induzido nas pás do rotor (22), ajuste (210) do valor máximo de impulso programado para compensar pelo giro de torção; e
    - o controlador (26) controlando o passo (pitch) das pás do rotor (10) em função do valor máximo de impulso programado ajustado, de forma que a potência de saída da turbina eólica (10) não seja limitada ou aumentada pelo giro induzido nas pás do rotor.
  2. 2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o valor máximo de impulso programado é ajustado (210) proporcionalmente com a quantidade de giro de torção induzido nas pás do rotor (10).
  3. 3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o valor máximo de impulso programado é ajustado (210) por uma quantidade predefinida após a determinação do giro de torção nas pás do rotor (22) até a velocidade de vento de corte da curva de potência de saída nominal.
  4. 4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é diretamente detectado (202) pela detecção de uma alteração em um aspecto físico das pás
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    2/3 de rotor (22) resultantes do giro de torção induzido.
  5. 5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é diretamente detectado (202) por um sensor (104) montado na pá do rotor (22).
  6. 6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é diretamente detectado opticamente (202) por uma câmara (122) disposta para ver um aspecto de envergadura (span-wise) da pá do rotor (10).
  7. 7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é diretamente detectado (202) por um laser (124) disposto para detectar a distorção da pá do rotor.
  8. 8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é indiretamente detectado (202).
  9. 9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é indiretamente detectado (202) por uma carga de pá realmente medida, sendo inferior a ou superior a um valor esperado a uma velocidade de vento determinada.
  10. 10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é indiretamente detectado (202) por um impulso de rotor medido, sendo inferior a ou superior a um valor esperado a uma velocidade de vento definida.
  11. 11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é indiretamente detectado (202) por uma inclinação de torre (tower bending) medida, sendo inferior a um valor esperado a uma velocidade de vento definida.
  12. 12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é indiretamente detectado (202) por
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    3/3 um ruído medido a uma velocidade de vento definida, a qual é diferente de um valor esperado.
  13. 13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é indiretamente detectado (202) por uma diferença a uma velocidade de vento definida na curva de potência de saída entre um ângulo de passo de pá medido e um ângulo de passo de pá esperado.
  14. 14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o giro de torção induzido é indiretamente detectado (202) por uma diferença entre uma velocidade de vento estimada com controlador baseado em modelo (MBC) e uma velocidade de vento realmente medida.
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