BR102019001282A2 - Método para controlar uma turbina eólica, método para gerar um mapa de desempenho aerodinâmico e sistema para controlar uma turbina eólica - Google Patents
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Abstract
método para controlar uma turbina eólica, método para gerar um mapa de desempenho aerodinâmico e sistema para controlar uma turbina eólica. um método (100) para controlar uma turbina eólica (10) com base em mapas de desempenho aerodinâmico (72) que consideram a torção da pá inclui o controle da turbina eólica (10) com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico (70). ainda, o método (100) inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica (10). além disso, o método (100) inclui a determinação de um fator de rigidez torcional da pá. assim, o método (100) inclui ainda a determinação, através do processador (58), de um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico (70) como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. o método (100) então inclui aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico (70) para obter um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado (72). além disso, o método (100) inclui o controle da turbina eólica (10) com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado (72).
Description
“MÉTODO PARA CONTROLAR UMA TURBINA EÓLICA, MÉTODO PARA GERAR UM MAPA DE DESEMPENHO AERODINÂMICO E SISTEMA PARA CONTROLAR UMA TURBINA EÓLICA”
Campo da Invenção [001] A presente invenção se refere, de modo geral, a turbinas eólicas e, mais particularmente, a fatores de correção de torção para mapas de desempenho aerodinâmico usados em controladores de turbinas eólicas que consideram a torção da pá e/ ou rigidez torcional.
Antecedentes da Invenção [002] A energia eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas e ambientalmente corretas atualmente disponíveis, e as turbinas eólicas ganharam maior atenção a esse respeito. Uma turbina eólica moderna inclui normalmente uma torre, um gerador, uma caixa de engrenagens, uma nacela e um rotor. O rotor inclui normalmente um cubo rotativo que tem uma ou mais pás de rotor ligadas a ele. Um rolamento de passo é normalmente configurado operacionalmente entre o cubo e a pá de rotor para permitir a rotação em torno de um eixo de passo. As pás do rotor captam a energia cinética do vento usando princípios de aerofólio conhecidos. As pás do rotor transmitem a energia cinética na forma de energia rotacional, de modo a girar um eixo acoplando as pás do rotor a uma caixa de engrenagens ou, se uma caixa de engrenagens não for usada, diretamente ao gerador. O gerador então converte a energia mecânica em energia elétrica que pode ser implantada em uma rede elétrica.
[003] As mudanças nas condições atmosféricas, por exemplo, velocidade do vento, turbulência do vento, rajadas de vento, direção do vento e densidade podem influenciar significativamente a energia produzida pelo gerador. A potência de saída do gerador aumenta com a velocidade do vento até que a velocidade do vento atinja uma velocidade nominal do vento para a
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2/23 turbina. Na velocidade nominal do vento e acima da mesma, o gerador opera com uma potência nominal. A potência nominal é uma potência de saída na qual o gerador pode operar com um nível de fadiga ou carga extrema para os componentes da turbina que é predeterminado como aceitável. Em velocidades de vento superiores a uma determinada velocidade, normalmente referidas como um limite de viagem, a turbina eólica pode implementar uma ação de controle, como desligar ou reduzir o nível da turbina eólica para proteger os componentes da turbina eólica contra danos. Além disso, pode haver certas velocidades do vento e/ ou pontos de ajuste operacionais (como velocidade ou potência do gerador) que levam a uma ação corretiva (como uma ação de controle de passo) abaixo da potência nominal.
[004] Em certos sistemas de controle, como o sistema descrito na Patente US no. 9.605.558, depositada em 20 de agosto de 2013, intitulada “System and Method for Preventing Excessive Loading on a Wind Turbine”, que é aqui incorporada por referência em sua totalidade, uma condição de vento é estimada usando dados de operação de turbinas eólicas, uma série de equações e um ou mais mapas de desempenho aerodinâmico. O(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico são tabelas ou gráficos dimensionais ou não dimensionais que descrevem a carga e o desempenho do rotor (por exemplo, potência, impulso, torque, momento de flexão ou similar) sob determinadas condições (por exemplo, densidade, velocidade do vento, velocidade do rotor, ângulos de passo, ou similar). Como tal, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico podem incluir coeficientes de potência, coeficientes de impulso, coeficientes de torque e/ ou derivadas parciais em relação ao ângulo de passo, velocidade do rotor ou razão de velocidade periférica. Alternativamente, os mapas de desempenho aerodinâmico podem ser valores dimensionais de potência, impulso e/ ou torque em vez de coeficientes. Uma vez conhecidos os coeficientes desejados, o controlador pode controlar a turbina eólica com base
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[005] O(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico mencionados acima são estáticos e são normalmente determinados durante um estágio de projeto da turbina eólica. Portanto, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico não dependem da alteração das condições de vento que possam estar presentes durante a operação da turbina eólica, como velocidade do vento, intensidade de turbulência, cisalhamento do vento ou rajadas de vento repentinas. Além disso, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico não levam em consideração a torção da pá.
[006] Por conseguinte, um sistema e método para controlar uma turbina eólica que inclui fatores de correção de torção para os mapas de desempenho aerodinâmico para considerar a torção da pá seriam desejados na técnica.
Breve Descrição [007] Os aspectos e vantagens da invenção serão apresentados em parte na descrição seguinte, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.
[008] Em um aspecto, a presente invenção é direcionada a um método para controlar uma turbina eólica. O método inclui controlar, através de um processador, a turbina eólica com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico. Além disso, o método inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica. Além disso, o método inclui a determinação de um fator de rigidez torcional da pá. Assim, o método inclui ainda a determinação, através do processador, de um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. O método inclui então aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico para obter um mapa de
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4/23 desempenho aerodinâmico ajustado. Além disso, o método inclui o controle da turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado.
[009] Em uma forma de realização, o parâmetro de velocidade pode incluir velocidade do vento, velocidade do rotor, velocidade do gerador, ou qualquer outro parâmetro de velocidade da turbina eólica.
[010] Em outra forma de realização, o método pode ainda incluir a determinação do fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função da densidade do ar, do parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. Por exemplo, em uma forma de realização, a etapa de determinar o fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico pode incluir quadrar o parâmetro de velocidade, multiplicar a densidade do ar pelo parâmetro de velocidade ao quadrado para obter um valor multiplicado e dividir o valor multiplicado pelo fator de rigidez torcional da pá.
[011] Em outras formas de realização, a etapa de determinação do fator de correção de torção para o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico pode incluir a utilização de uma ou mais tabelas de consulta, uma ou mais equações ou um modelo de simulação.
[012] Em várias formas de realização, a etapa de determinação do fator de rigidez torcional da pá pode incluir a determinação de um fator de escala entre uma rigidez torcional de projeto e uma rigidez torcional real da pá de rotor.
[013] Em formas de realização específicas, a etapa de aplicar o fator de correção de torção ao(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico para obter o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado pode incluir a multiplicação do coeficiente de potência, um coeficiente de torque ou coeficiente de impulso obtidos a partir do(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico pelo fator de correção de torção.
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5/23 [014] Em certas formas de realização, o método pode ainda incluir a determinação automática de um alvo de razão de velocidade periférica revisada e um alvo de ângulo de passo revisado como uma função do fator de correção de torção e/ ou outras entradas tradicionais para mapas de desempenho aerodinâmico.
[015] Em formas de realização adicionais, a etapa de controle da turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado pode incluir a implementação de uma ação de controle compreendendo pelo menos um dentre alterar o ângulo de passo de uma pá de rotor, modificar um torque do gerador, modificar a velocidade do gerador, modificar a potência de saída, guinar uma nacela da turbina eólica, frear um ou mais componentes da turbina eólica ou ativar um elemento modificador do fluxo de ar em uma pá de rotor.
[016] Em outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um método para gerar um mapa de desempenho aerodinâmico para uso por um controlador de turbina eólica durante a operação da turbina eólica. O método inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica. O método também inclui a determinação, através do controlador de turbina eólica, de um fator de rigidez torcional da pá. Além disso, o método inclui determinar, através do controlador de turbina eólica, um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. O método inclui ainda a geração do mapa de desempenho aerodinâmico com base no fator de correção de torção, nos valores da razão de velocidade periférica e nos ângulos de passo da pá de rotor. Deve ser entendido que o método pode ainda incluir qualquer uma das características e/ ou etapas adicionais como descrito aqui.
[017] Ainda em um outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um sistema para controlar uma turbina eólica possuindo um rotor
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6/23 com pelo menos uma pá de rotor. O sistema inclui um ou mais sensores configurados para monitorar pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica e um controlador de turbina eólica tendo pelo menos um processador. O processador está comunicativamente acoplado ao um ou mais sensores. Além disso, o processador é configurado para realizar uma ou mais operações, incluindo, mas não limitado a, controlar a turbina eólica com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico, determinar pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica, determinar um fator de rigidez torcional da pá, determinar um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá, aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico para obter um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado e controlar o turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado. Deve ser entendido que o sistema pode ainda incluir qualquer uma das características e/ ou etapas adicionais como descrito aqui.
[018] Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão melhor compreendidos com referência à seguinte descrição e reivindicações anexas. As figuras anexas, que são incorporadas e fazem parte deste relatório descritivo, ilustram as formas de realização da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.
Breve Descrição das Figuras [019] Uma divulgação completa e capacitante da presente invenção, incluindo o melhor modo da mesma, direcionada a um técnico no assunto, é apresentada no relatório descritivo, o qual faz referência às figuras anexas, nas quais:
[020] A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma
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7/23 de realização de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção;
[021] A Figura 2 ilustra uma vista interna simplificada de uma forma de realização de uma nacela de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção;
[022] A Figura 3 ilustra um diagrama de blocos de uma forma de realização de componentes adequados que podem ser incluídos em um controlador de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção;
[023] A Figura 4 ilustra um fluxograma de uma forma de realização de um método para controlar uma turbina eólica com base em um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado de acordo com a presente invenção;
[024] A Figura 5 ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de um mapa de desempenho aerodinâmico de acordo com a construção convencional;
[025] A Figura 6 ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de um mapa de desempenho aerodinâmico de acordo com a presente invenção; e [026] A Figura 7 ilustra um fluxograma de uma forma de realização de um método para gerar um controlador aerodinâmico para utilização por um controlador de turbina eólica de acordo com a presente invenção.
Descrição Detalhada [027] Será feita agora referência em detalhe para formas de realização da invenção, um ou mais exemplos das quais são ilustrados nas figuras. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, não limitando a invenção. De fato, será evidente para um técnico no assunto que podem ser feitas várias modificações e variações na presente invenção sem se afastar do escopo ou sentido da invenção. Por exemplo, características
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8/23 ilustradas ou descritas como parte de uma forma de realização podem ser utilizadas 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 como estando dentro do escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.
[028] De modo geral, a presente matéria objeto é direcionada a um fator de correção de torção para um mapa de desempenho aerodinâmico usado em sistemas de controle de turbina eólica e métodos de determinar o mesmo. Mapas de desempenho aerodinâmico são geralmente formas estáticas para condições de influxo uniformes. No entanto, na operação real da turbina eólica, sabe-se que a forma da pá do rotor e as condições do vento de influxo variam a partir das condições originais de projeto que assumem condições idealizadas. Para considerar tais variações, a presente invenção inclui um fator de correção de torção que pode ser usado para gerar e/ ou modificar o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico dentro do sistema de controle da turbina eólica. Mais especificamente, os fatores de correção de torção aqui descritos são configurados para considerar a deflexão e torção da pá.
[029] Como tal, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico aqui descritos corrigem a torção da pá para evitar erros nas estimativas de impulso e velocidade do vento. Assim, se a turbina eólica for limitada à impulso, a correção da torção da pá permite a operação em um maior impulso de projeto para obter mais energia na curva da curva de potência. Além disso, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico aqui descritos ditam automaticamente como a razão de velocidade periférica ideal (TSR) e o ângulo de passo mudam como uma função da torção da pá, permitindo assim que o controlador lance a pá mais para potências em instâncias onde a ponta da pá está torcendo para meter em bandeira (feather). Além disso, o controlador pode recuperar a perda de energia ficando mais próximo do ângulo ideal de ataque próximo à ponta da
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9/23 pá. Assim, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico da presente invenção proporcionam estimativas mais precisas da velocidade do vento e impulso e melhor recuperação da perda de energia devido à torção da pá.
[030] Com referência agora às figuras, a Figura 1 ilustra uma turbina eólica (10) de acordo com aspectos da presente invenção. Como mostrado, a turbina eólica (10) compreende um rotor (12) tendo uma pluralidade de pás de rotor (14) montadas em um cubo (20). A turbina eólica (10) também inclui uma nacela (22) que é montada no topo de uma torre (16). O rotor (12) está acoplado operacionalmente a um gerador elétrico (24) (Figura 2) alojado dentro da nacela (22). A torre (16) expõe as pás de rotor (14) ao vento (representado direcionalmente pela seta (26)), o que faz com que as pás de rotor (14) rodem em torno de um eixo (28). Como tal, as pás de rotor (14) transformam a energia cinética do vento em um torque rotacional, que é posteriormente transformado em energia elétrica através do gerador elétrico (24).
[031] Referindo-se agora à Figura 2, uma vista interna simplificada de uma forma de realização da nacela (22) da turbina eólica (10) mostrada na Figura 1 é ilustrada. Como mostrado, o gerador (24) pode ser disposto dentro da nacela (22). Em geral, o gerador (24) pode ser acoplado ao rotor (12) para produzir energia elétrica a partir da energia rotacional gerada pelo rotor (12). Por exemplo, como mostrado na forma de realização ilustrada, o rotor (12) pode incluir um eixo de rotor (34) acoplado ao cubo (20) para rotação com o mesmo. O eixo do rotor (34) pode, por sua vez, ser acoplado rotativamente a um eixo de gerador (36) do gerador (24) através de uma caixa de engrenagens (38). Como é geralmente entendido, o eixo do rotor (34) pode fornecer uma entrada de baixa velocidade e alto torque para a caixa de engrenagens (38) em resposta a rotação das pás de rotor (14) e do cubo (20). A caixa de engrenagens (38) pode então ser configurada para converter a
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10/23 entrada de baixa velocidade e alto torque em uma saída de alta velocidade e baixo torque para acionar o eixo de gerador (36) e, assim, o gerador (24).
[032] A turbina eólica (10) também pode incluir um controlador (30) centralizado dentro da nacela (22). Alternativamente, o controlador (30) pode estar localizado dentro de qualquer outro componente da turbina eólica (10) ou em um local fora da turbina eólica (10). Além disso, o controlador (30) pode ser comunicativamente acoplado a qualquer número dos componentes da turbina eólica (10), a fim de controlar o funcionamento de tais componentes e/ ou implementar várias ações de correção, como aqui descrito. Como tal, o controlador (30) pode incluir um computador ou outra unidade de processamento adequada. Assim, em várias formas de realização, o controlador (30) pode incluir instruções legíveis por computador adequadas que, quando implementadas, configuram o controlador (30) para executar várias funções diferentes, tais como receber, transmitir e/ ou executar sinais de controle de turbina eólica. Em conformidade, o controlador (30) pode ser, de modo geral, configurado para controlar os vários modos de operação (por exemplo, sequências de inicialização ou desligamento), reduzir o nível da turbina eólica e/ ou controlar vários componentes da turbina eólica (10), como será discutido em mais detalhes abaixo.
[033] Ainda referente à Figura 2, cada pá de rotor (14) pode também incluir um mecanismo de ajuste de passo (32) configurado para rodar cada pá de rotor (14) em torno do seu eixo de passo (33). Além disso, cada mecanismo de ajuste de passo (32) pode incluir um motor de acionamento de passo (40) (por exemplo, qualquer motor elétrico, hidráulico ou pneumático adequado), uma caixa de engrenagens de acionamento de passo (42) e um pinhão de acionamento de passo (44). Em tais formas de realização, o motor de acionamento de passo (40) pode ser acoplado à caixa de engrenagens de acionamento de passo (42) de modo que o motor de acionamento de passo
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11/23 (40) confere força mecânica à caixa de engrenagens de acionamento de passo (42). De modo semelhante, a caixa de engrenagens de acionamento de passo (42) pode ser acoplada ao pinhão de acionamento de passo (44) para rotação com o mesmo. O pinhão de acionamento de passo (44) pode, por sua vez, estar em engate rotacional com um rolamento de passo (46) acoplado entre o cubo (20) e uma pá de rotor correspondente (14) de modo que a rotação do pinhão de acionamento de passo (44) provoca a rotação do rolamento de passo (46). Assim, em tais formas de realização, a rotação do motor de acionamento de passo (40) aciona a caixa de engrenagens de acionamento de passo (42) e o pinhão de acionamento de passo (44), rodando assim o rolamento de passo (46) e a pá de rotor (14) em torno do eixo de passo (33). De modo semelhante, a turbina eólica (10) pode incluir um ou mais mecanismos de acionamento de guinada (66) comunicativamente acoplados ao controlador (30), sendo cada mecanismo de acionamento de guinada (66) configurado para alterar o ângulo da nacela (22) em relação ao vento (por exemplo, engatando um rolamento de guinada (68) da turbina eólica (10)).
[034] Referindo-se, de modo geral, às Figuras 1 a 3, a turbina eólica (10) pode incluir um ou mais sensores (48, 50, 52, 54) para medir vários parâmetros de vento da turbina eólica (10). Por exemplo, como mostrado na Figura 1, o sensor (48) está localizado no cubo (20) de modo a medir um parâmetro de vento real em direção contrária à do vento a partir da turbina eólica (10). O parâmetro de vento real pode ser qualquer um dos seguintes: uma rajada de vento, uma velocidade de vento, uma direção de vento, uma aceleração de vento, turbulência do vento, um cisalhamento do vento, uma mudança do vento, uma interferência de rastro ou similar. Além disso, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) podem incluir pelo menos um sensor LIDAR para medir os parâmetros em direção contrária à do vento. Por exemplo, como mostrado na Figura 1, o sensor LIDAR (48) é um radar de medição configurado
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12/23 para varrer uma região anular em torno da turbina eólica (10) e medir a velocidade do vento com base na reflexão e/ ou dispersão da luz transmitida pelo sensor LIDAR a partir do aerossol. O ângulo de cone (θ) e o alcance (R) do sensor LIDAR (48) podem ser adequadamente selecionados para fornecer uma precisão de medição desejada, bem como uma sensibilidade aceitável.
[035] Na forma de realização ilustrada, os sensores (48, 50, 52, 54) estão localizados no cubo (20), após o que as pás de rotor (14) são montadas. Em outras formas de realização, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) também podem estar localizados perto da base da torre de turbina eólica (16), em uma ou mais das pás de rotor (14), na nacela (22), em um mastro meteorológico da turbina eólica (10), ou em qualquer outro local adequado. Ainda em outras formas de realização, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) podem estar localizados em qualquer local adequado na turbina eólica (10) ou próximo dela. Além disso, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) podem ser configurados para medir um parâmetro de vento à frente de pelo menos uma porção específica, normalmente as seções mais significativas das pás de rotor (14) em termos de contribuições dessas seções para o torque aerodinâmico nas pás de rotor (14), por exemplo, seções próximas das pontas das pás de rotor (14). Os pontos à frente das pás de rotor (14), nos quais a velocidade do vento é medida pelo(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54), são representados pelo plano (25), como mostrado na Figura 1.
[036] Em formas de realização alternativas, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) podem ser quaisquer outros sensores adequados capazes de medir os parâmetros de vento em direção contrária à do vento da turbina eólica (10). Por exemplo, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) podem ser acelerômetros, sensores de pressão, sensores de ângulo de ataque, sensores de vibração, sensores MIMU, sistemas de câmeras, sistemas de fibra óptica, anemômetros, cata-ventos, sensores de detecção e alcance sônico (SODAR), infra lasers,
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13/23 radiômetros, tubos pitot, radiossondagem-radiovento (rawinsondes), outros sensores ópticos e/ou quaisquer outros sensores adequados. Deve ser apreciado que, como aqui usado, o termo “monitor” e suas variações indicam que os vários sensores da turbina eólica podem ser configurados para fornecer uma medição direta dos parâmetros sendo monitorados ou uma medição indireta de tais parâmetros. Assim, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) podem, por exemplo, ser utilizados para gerar sinais relativos ao parâmetro sendo monitorado, o qual pode então ser utilizado pelo controlador (30) para determinar a condição real.
[037] Referindo-se especificamente à Figura 3, é ilustrado um diagrama de blocos de uma forma de realização do controlador (30) de acordo com a presente invenção. Como mostrado, o controlador (30) pode incluir um ou mais processadores (58), um avaliador de condição de turbina eólica (56), e dispositivo(s) de memória associado(s) (60) configurados para executar uma variedade de funções implementadas por computador (por exemplo, executar os métodos, etapas, cálculos e similares e armazenar dados relevantes como divulgado aqui). Adicionalmente, o controlador (30) pode também incluir um módulo de comunicações (62) para facilitar as comunicações entre o controlador (30) e os vários componentes da turbina eólica (10). Além disso, o módulo de comunicações (62) pode incluir uma interface de sensor (64) (por exemplo, um ou mais conversores analógico-digitais) para permitir que os sinais transmitidos do(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) sejam convertidos em sinais que possam ser compreendidos e processados pelos processadores (58). Deve ser apreciado que o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) podem ser acoplados de forma comunicativa ao módulo de comunicações (62) utilizando qualquer meio adequado. Por exemplo, como mostrado na Figura 3, o(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54) estão acoplados à interface de sensor (64) através de uma ligação com fio. Contudo, em outras formas de realização, o(s)
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14/23 sensor(es) (48, 50, 52, 54) pode ser acoplado à interface de sensor (64) através de uma ligação sem fio, tal como utilizando qualquer protocolo de comunicações sem fio adequado conhecido na técnica. Como tal, o processador (58) pode ser configurado para receber um ou mais sinais a partir do(s) sensor(es) (48, 50, 52, 54).
[038] O avaliador de condição de turbina eólica (56) pode ser considerado um software que utiliza dados operacionais para calcular, em tempo real, várias condições de turbinas eólicas. Além disso, o avaliador de condição de turbina eólica (56) pode compreender firmware que inclui o software, que pode ser executado pelo(s) processador(es) (58). Além disso, o avaliador de condição de turbina eólica (56) pode estar em comunicação com os vários sensores (48, 50, 52, 54) e dispositivos da turbina eólica (10), que podem fornecer os dados operacionais ao avaliador de condição de turbina eólica (56).
[039] Como aqui utilizado, o termo “processador” se refere não apenas a circuitos integrados referidos na técnica como sendo incluídos em um computador, mas também se refere a um controlador, um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um circuito integrado específico de aplicação e outros circuitos programáveis. Adicionalmente, o(s) dispositivo(s) de memória (60) podem compreender, de modo geral, elemento(s) de memória incluindo, mas não limitado a um meio legível por computador (por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM)), meio não volátil legível por computador (por exemplo, uma memória flash), um disquete, um disco compacto - memória apenas para leitura (CD-ROM), um disco magneto-óptico (MOD), um disco versátil digital (DVD) e/ ou outros elementos de memória adequados. Tal(ais) dispositivo(s) de memória (60) podem ser, de modo geral, configurados para armazenar instruções legíveis por computador adequadas que, quando implementadas pelo(s)
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15/23 processador(es) (58), configuram o controlador (30) para executar várias funções incluindo, mas não limitadas a, estimar um ou mais condições de vento da turbina eólica (10) com base nos dados operacionais, transmitindo sinais de controle adequados para implementar ações de controle em resposta à detecção de condições de vento transitórias, e/ ou várias outras funções adequadas implementadas por computador.
[040] Referindo-se agora à Figura 4, é ilustrado um fluxograma de um método (100) para controlar a turbina eólica (10) de acordo com a presente invenção. Por exemplo, como mostrado em (102), o método (100) inclui controlar a turbina eólica (10) com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico. O(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico aqui descritos se referem, de modo geral, a tabelas ou gráficos dimensionais ou não dimensionais que descrevem a carga e o desempenho do rotor (por exemplo, potência, impulso, torque ou momento de flexão ou similar) sob determinadas condições (por exemplo, densidade, velocidade do vento, velocidade do rotor, ângulos de passo, ou similar). Como tal, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico podem incluir: coeficiente de potência, coeficiente de impulso, coeficiente de torque e/ ou derivadas parciais em relação ao ângulo de passo, velocidade do rotor ou razão de velocidade periférica (TSR). Alternativamente, o(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico podem ser valores dimensionais de potência, impulso e/ ou torque em vez de coeficientes.
[041] Referindo-se ainda à Figura 4, como mostrado em (104), o método (100) inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica (10). Mais especificamente, o parâmetro de velocidade pode ser monitorado utilizando um ou mais dos sensores (48, 50, 52, 54) e/ ou pode ser determinado ou estimado através do controlador (30). Por exemplo, em uma forma de realização, o parâmetro de velocidade pode incluir velocidade do vento, velocidade do rotor, velocidade do gerador ou
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16/23 qualquer outro parâmetro de velocidade da turbina eólica (10). Além disso, deve ser entendido que o parâmetro de velocidade, por exemplo, a velocidade do vento, pode ser uma velocidade do vento específica da pá que pode ser diferente devido ao cisalhamento do vento, sombra da torre etc.
[042] Como mostrado em (106), o método (100) inclui a determinação de um fator de rigidez torcional da pá. Por exemplo, em uma forma de realização, o fator de rigidez torcional da pá pode ser igual a um fator de escala entre uma rigidez torcional de projeto e uma rigidez torcional real da pá de rotor.
[043] Como mostrado em (108), o método (100) inclui a determinação de um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do(s) parâmetro(s) de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. Por exemplo, em uma forma de realização, o(s) processador(es) (58) podem ser configurados para utilizar uma ou mais tabelas de consulta, uma ou mais equações, ou um modelo de simulação para determinar os fatores de correção de torção descritos aqui. Mais especificamente, em certas formas de realização, o método (100) pode incluir a determinação do fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função da densidade do ar, do parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá. Por exemplo, em uma forma de realização, o controlador (30) pode determinar o fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico com base na Equação (1) abaixo, em que o controlador (30) quadra o parâmetro de velocidade (u), multiplica o parâmetro de velocidade ao quadrado (u2) pela densidade do ar (p) para obter um valor multiplicado e, em seguida, divide o valor multiplicado (pu2) pelo fator de rigidez torcional da pá (P_AdjGJSt).
T =
P_AdjGJSt Equação (1)
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17/23 [044] Além disso, deve ser entendido que o controlador (30) pode determinar um fator de correção de torção específico da pá para cada uma das pás de rotor (14). Assim, para uma turbina eólica com três pás de rotor (14), como mostrado na Figura 1, isto levará a três fatores de correção de torção, levando assim a três coeficientes de potência, impulso ou torque ajustados, conforme descrito com relação às Equações (2) a (4) abaixo.
[045] Referindo-se particularmente às Figuras 5 e 6, dois mapas de desempenho aerodinâmico (70, 72) são representados para ilustrar as vantagens do fator de correção de torção. Por exemplo, como mostrado, os mapas de desempenho aerodinâmico (70, 72) são gráficos de ângulo de passo versus TSR que fornecem um coeficiente de impulso correspondente (Ct). Além disso, como mostrado, cada um dos mapas (70, 72) inclui simulações de uma pá de rotor torcionalmente rígida (74) e uma pá de rotor flexível (76). O mapa (70) da Figura 5, no entanto, ilustra como os contornos do mapa e a linha de passo ideal começam a mudar quando apenas a densidade ou apenas a rigidez da pá ou apenas a velocidade do vento é variada. Em contraste, o mapa (72) da Figura 6 ilustra como a variação é grandemente reduzida quando certas combinações das variáveis acima, ou seja, o fator de correção de torção (ρυ2/ P_AdjGJSt) não mudam.
[046] Com referência novamente à Figura 4, como mostrado em (110), o método (100) inclui aplicar o fator de correção de torção ao(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico para obter um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado. Em formas de realização particulares, a etapa de aplicar o fator de correção de torção (por exemplo, Ftorção_potência e Ftorção _IMPULSO) ao(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico para obter o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado pode incluir a multiplicação do fator de correção de torção por um coeficiente de potência, um coeficiente de torque ou coeficiente de impulso obtidos a partir do(s) mapa(s) de desempenho
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18/23 aerodinâmico. Os fatores de correção de torção podem ser uma função de um ou mais dos seguintes parâmetros: velocidade do vento, densidade, rigidez da pá, P_AdjGJSt, fator de correção de torção, velocidade do rotor e/ ou velocidade do gerador.
[047] Por exemplo, onde o fator de correção de torção é baseado na velocidade do rotor, o fator de correção de torção, Ftorção, pode ser usado para ajustar o mapa de desempenho aerodinâmico, por exemplo, através das Equações (2) e (3) abaixo:
Cp = Cp AVALIADOR * FTORÇÃO_POTÊNCIA | Equação (2) |
Cth = Cth AVALIADOR * FTORÇÃO_IMPULSO | Equação (3) |
Cto = Cto AVALIADOR * FTORÇÃO_TORQUE | Equação (4) |
Onde Cp é o coeficiente de potência ajustado,
Cth é o coeficiente de impulso ajustado,
Cto é o coeficiente de torque ajustado,
Cp AVALIADOR é o coeficiente de potência do mapa de desempenho aerodinâmico,
Cth AVALIADOR é o coeficiente de impulso do mapa de desempenho aerodinâmico,
Cto AVALIADOR é o coeficiente de torque do mapa de desempenho aerodinâmico,
FTORÇÃO_POTÊNCIA é o fator de correção de torção para o coeficiente de potência,
Ftorção_impulso é o fator de correção de torção para o coeficiente de impulso, e
Ftorção_torque é o fator de correção de torção para o coeficiente de torque.
[048] Assim, em certas formas de realização, o método (100) pode incluir o ajuste de uma ou mais estimativas a jusante que dependem dos
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19/23 coeficientes ajustados. Por exemplo, tais estimativas a jusante podem incluir o momento base da torre, momento de desequilíbrio, momento de raiz da pá etc. Em certas formas de realização, o método (100) pode ainda incluir a determinação automática de uma razão de velocidade periférica revisada TSR e um ângulo de passo revisado como uma função de o fator de correção de torção usando o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado.
[049] Referindo-se novamente à Figura 4, como mostrado em (112), o método (100) inclui o controle da turbina eólica (10) com base no(s) mapa(s) de desempenho aerodinâmico ajustado(s). Por exemplo, em uma forma de realização, o avaliador de condição de turbina eólica (56) pode implementar um algoritmo de controle tendo uma série de equações para determinar uma condição de turbina eólica estimada como uma função do ângulo de passo, da velocidade do gerador, da potência de saída e da densidade do ar. Além disso, as equações podem ser resolvidas usando os dados operacionais e os mapas atualizados de desempenho aerodinâmico. Essa metodologia de controle fornece controle preciso da turbina eólica que maximiza a potência de saída e reduz o carregamento excessivo de turbinas eólicas. Em formas de realização alternativas, o método (100) também pode ser usado para aumentar o desempenho. Em tais formas de realização, as cargas podem aumentar.
[050] Em formas de realização particulares, a etapa de controlar a turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado pode incluir a implementação de uma ação de controle. A(s) ação(ões) de controle, como aqui descritas, podem ser qualquer ação de controle adequada de modo a reduzir as cargas que atuam na turbina eólica (10). Por exemplo, em várias formas de realização, a ação de controle pode incluir reduzir o nível ou aumentar o nível, temporariamente, da turbina eólica para permitir que as cargas que atuam sobre um ou mais componentes da turbina eólica sejam
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20/23 reduzidas ou controladas de outra maneira. Aumentar o nível da turbina eólica, tal como pelo aumento do nível do torque, pode desacelerar temporariamente a turbina eólica e atuar como um freio para ajudar a reduzir as cargas. A redução do nível da turbina eólica pode incluir redução do nível de velocidade, redução do nível de torque ou uma combinação de ambos. Além disso, a turbina eólica pode ter o nível reduzido, reduzindo a velocidade e aumentando o torque, o que pode ser benéfico para manter a potência. Em outra forma de realização, a turbina eólica (10) pode ter o nível diminuído lançando uma ou mais das pás de rotor (14) em torno do seu eixo de passo (33). Mais especificamente, o controlador (30) pode controlar de modo geral cada mecanismo de ajuste de passo (32) para alterar o ângulo de passo de cada pá de rotor (14) entre -10 graus (isto é, uma posição de potência da pá de rotor (14)) e 90 graus (isto é, uma posição metida em bandeira da pá de rotor (14)). Ainda em outra forma de realização, a turbina eólica (10) pode ter o nível diminuído temporariamente modificando a demanda de torque no gerador (24). Em geral, a demanda de torque pode ser modificada usando qualquer método, processo, estrutura e/ ou meio adequados conhecidos na técnica. Por exemplo, em uma forma de realização, a demanda de torque no gerador (24) pode ser controlada usando o controlador (30) transmitindo um sinal/ comando de controle adequado para o gerador (24) a fim de modular o fluxo magnético produzido dentro do gerador (24).
[051] A turbina eólica (10) pode também ter o nível diminuído temporariamente guinando a nacela (22) para alterar o ângulo da nacela (22) em relação à direção do vento. Em outras formas de realização, o controlador (30) pode ser configurado para acionar um ou mais freios mecânicos ou ativar um elemento modificador de fluxo de ar em uma pá de rotor, a fim de reduzir a velocidade de rotação e/ ou carga das pás de rotor (14), reduzindo assim o carregamento de componente. Ainda em outras formas de realização, o
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21/23 controlador (30) pode ser configurado para realizar qualquer ação de controle apropriada conhecida na técnica. Além disso, o controlador (30) pode implementar uma combinação de duas ou mais ações de controle.
[052] Referindo-se agora à Figura 7, é ilustrado um fluxograma de uma forma de realização de um método (200) para gerar um mapa de desempenho aerodinâmico para utilização pelo controlador de turbina eólica (30) durante a operação de turbina eólica. Como mostrado em (202), o método (200) inclui a determinação de pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica (10). Como mostrado em (204), o método (200) inclui a obtenção, através do controlador de turbina eólica (30), de um fator de rigidez torcional da pá. Como mostrado em (206), o método (200) inclui a determinação, através do controlador de turbina eólica (30), de um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do(s) parâmetro(s) de velocidade, do fator de rigidez torcional da pá e da densidade do ar. Como mostrado em (208), o método (200) inclui a geração do mapa de desempenho aerodinâmico com base no fator de correção de torção, em um ou mais valores de razão de velocidade periférica e em ângulos de passo da pá de rotor (14).
[053] Também deve ser apreciado que uma vantagem da presente invenção é que o sistema e o método podem ser implementados usando componentes existentes da turbina eólica (10). Como tal, um usuário não precisa comprar, instalar e manter novos equipamentos. Além disso, o controlador (30) pode ser integrado com um sistema de controle mais amplo, tal como, mas não limitando a um sistema de controle de turbina eólica, um sistema de controle de instalação, um sistema de monitoramento remoto ou combinações dos mesmos.
[054] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer técnico no assunto realize a invenção, incluindo a construção e utilização de
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22/23 quaisquer dispositivos ou sistemas e a execução de quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Pretende-se que estes outros exemplos estejam dentro do escopo das reivindicações se incluírem membros estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações ou se incluírem membros estruturais equivalentes com diferenças não substanciais das linguagens literais das reivindicações.
Caractere de referência | Componente |
10 | Turbina eólica |
12 | Rotor |
14 | Pás de rotor |
16 | Torre |
20 | Cubo |
22 | Nacela |
24 | Gerador |
25 | Plano |
26 | Direção do vento |
28 | Eixo |
30 | Controlador |
32 | Mecanismo de ajuste de passo |
33 | Eixo de passo |
34 | Eixo de rotor |
36 | Eixo de gerador |
38 | Caixa de engrenagens |
40 | Motor de acionamento de passo |
42 | Caixa de engrenagens de acionamento de passo |
44 | Pinhão de acionamento de passo |
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46 | Rolamento de passo |
48 | Sensores de cubo |
50 | Sensores de pás |
52 | Sensores de vento |
54 | Sensores de torre |
56 | Avaliador de parâmetro de vento |
58 | Processador(es) |
60 | Dispositivo(s) de memória |
62 | Módulo de comunicações |
64 | Interface de sensor |
66 | Mecanismos de acionamento de guinada |
68 | Rolamento de guinada |
70 | Mapa de desempenho aerodinâmico |
72 | Mapa de desempenho aerodinâmico |
74 | Pá de rotor rígida |
76 | Pá de rotor flexível |
100 | Método |
102 | Etapa do método |
104 | Etapa do método |
106 | Etapa do método |
108 | Etapa do método |
110 | Etapa do método |
112 | Etapa do método |
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Claims (20)
1. MÉTODO PARA CONTROLAR UMA TURBINA EÓLICA possuindo um rotor com pelo menos uma pá de rotor, caracterizado pelo fato de que o método compreende:
controlar, através de um processador, a turbina eólica com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico;
determinar pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica;
determinar um fator de rigidez torcional da pá;
determinar, através do processador, um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá;
aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico para obter um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado; e, controlar a turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o parâmetro de velocidade compreende pelo menos um dentre velocidade do vento, velocidade do rotor ou velocidade do gerador da turbina eólica.
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a determinação do fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função da densidade do ar, do parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá.
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a determinação do fator de correção de torção para o mapa de
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2/6 desempenho aerodinâmico compreende ainda:
quadrar o parâmetro de velocidade;
multiplicar a densidade do ar pelo parâmetro de velocidade ao quadrado para obter um valor multiplicado; e, dividir o valor multiplicado pelo fator de rigidez torcional da pá.
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a determinação do fator de correção de torção para o pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico compreende ainda a utilização de uma ou mais tabelas de consulta, uma ou mais equações, ou um modelo de simulação.
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a determinação do fator de rigidez torcional da pá compreende ainda a determinação de um fator de escala entre uma rigidez torcional de projeto e uma rigidez torcional real da pá de rotor.
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico para obter o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado compreende ainda multiplicar o fator de correção de torção por pelo menos um dentre um coeficiente de potência, um coeficiente de torque ou coeficiente de impulso obtidos a partir do pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico.
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a determinação automática de uma razão de velocidade periférica revisada e um ângulo de passo revisado como uma função do fator de correção de torção, utilizando o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado.
9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controle da turbina eólica com base no mapa de
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3/6 desempenho aerodinâmico ajustado compreende ainda a implementação de uma ação de controle compreendendo pelo menos um dentre alterar o ângulo de passo de uma pá de rotor, modificar um torque do gerador, modificar a velocidade do gerador, modificar a potência de saída, guinar uma nacela da turbina eólica, frear um ou mais componentes da turbina eólica, ou ativar um elemento modificador do fluxo de ar em uma pá de rotor.
10. MÉTODO PARA GERAR UM MAPA DE DESEMPENHO AERODINÂMICO para uso por um controlador de turbina eólica durante a operação de turbina eólica, caracterizado pelo fato de que o método compreende:
determinar pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica;
determinar, através do controlador de turbina eólica, um fator de rigidez torcional da pá;
determinar, através do controlador de turbina eólica, um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá; e gerar o mapa de desempenho aerodinâmico com base no fator de correção de torção, em um ou mais valores de razão de velocidade periférica e nos ângulos de passo da pá do rotor.
11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o parâmetro de velocidade compreende pelo menos um dentre velocidade do vento, velocidade do rotor ou velocidade do gerador da turbina eólica.
12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a determinação do fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função da
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4/6 densidade do ar, do parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá.
13. SISTEMA PARA CONTROLAR UMA TURBINA EÓLICA possuindo um rotor com pelo menos uma pá de rotor, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende:
um controlador de turbina eólica compreendendo pelo menos um processador, o pelo menos um processador configurado para executar uma ou mais operações, a uma ou mais operações compreendendo:
controlar a turbina eólica com base em pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico;
determinar pelo menos um parâmetro de velocidade da turbina eólica;
determinar um fator de rigidez torcional da pá;
determinar, através do processador, um fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função do pelo menos um parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá;
aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico para obter um mapa de desempenho aerodinâmico ajustado; e controlar a turbina eólica com base no mapa de desempenho aerodinâmico ajustado.
14. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o parâmetro de velocidade compreende pelo menos um dentre velocidade do vento, velocidade do rotor ou velocidade do gerador da turbina eólica.
15. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a determinação do fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico como uma função da
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5/6 densidade do ar, do parâmetro de velocidade e do fator de rigidez torcional da pá.
16. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a determinação do fator de correção de torção para o mapa de desempenho aerodinâmico compreende ainda:
quadrar o parâmetro de velocidade;
multiplicar a densidade do ar pelo parâmetro de velocidade ao quadrado para obter um valor multiplicado; e, dividir o valor multiplicado pelo fator de rigidez torcional da pá.
17. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a determinação do fator de correção de torção para o pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico compreende ainda a utilização de uma ou mais tabelas de consulta, uma ou mais equações ou um modelo de simulação.
18. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a determinação do fator de rigidez torcional da pá compreende ainda a determinação de um fator de escala entre uma rigidez torcional de projeto e uma rigidez torcional real da pá de rotor.
19. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que aplicar o fator de correção de torção ao pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico para obter o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado compreende ainda multiplicar o fator de correção de torção por pelo menos um dentre um coeficiente de potência, um coeficiente de torque ou coeficiente de impulso obtidos a partir do pelo menos um mapa de desempenho aerodinâmico.
20. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a determinação automática de um alvo de razão de velocidade periférica revisada e um alvo de ângulo de passo revisado
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6/6 como uma função do fator de correção de torção, utilizando o mapa de desempenho aerodinâmico ajustado.
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