BR102021022409A2 - Método para determinar uma localização geográfica (geo-localização) de um ponto de pivô do topo da torre (tpp) de uma torre de turbina eólica e sistema para determinar e rastrear uma localização geográfica de um ponto de pivô do topo da torre (tpp) de uma torre de turbina eólica - Google Patents

Método para determinar uma localização geográfica (geo-localização) de um ponto de pivô do topo da torre (tpp) de uma torre de turbina eólica e sistema para determinar e rastrear uma localização geográfica de um ponto de pivô do topo da torre (tpp) de uma torre de turbina eólica Download PDF

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Bernard P. Landa
Pierino Gianni Bonanni
Xu Fu
Samuel Bryan Shartzer
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General Electric Company
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Abstract

Um sistema e método são fornecidos para determinar uma localização geográfica de um ponto de pivô do topo da torre (TPP) de uma torre de turbina eólica tendo uma nacela que inclui um cabeçote de máquina e rotor em uma parte superior da mesma. Pelo menos um receptor rover de um sistema global de navegação por satélite (GNSS) é configurado em uma posição fixa na nacela. Uma pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus da nacela é conduzida e os sinais de geo-localização recebidos pelo receptor rover durante as varreduras de guinada são registrados. Com um controlador, os sinais de geolocalização são convertidos em um gráfico circular e um raio do gráfico é determinado, o raio sendo uma distância entre o receptor rover e o TPP. Com base em uma geo-localização GNSS do receptor rover e no raio, uma geolocalização do TPP é calculada.

Description

MÉTODO PARA DETERMINAR UMA LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA (GEO-LOCALIZAÇÃO) DE UM PONTO DE PIVÔ DO TOPO DA TORRE (TPP) DE UMA TORRE DE TURBINA EÓLICA E SISTEMA PARA DETERMINAR E RASTREAR UMA LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA DE UM PONTO DE PIVÔ DO TOPO DA TORRE (TPP) DE UMA TORRE DE TURBINA EÓLICA CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente matéria objeto se refere geralmente a torres de turbina eólica e, mais particularmente, a um método para determinar o ponto de pivô de uma torre de turbina eólica.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] A energia eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas e ecologicamente corretas atualmente disponíveis, e as turbinas eólicas têm ganhado cada vez mais atenção a esse respeito. Uma turbina eólica moderna normalmente inclui uma torre, gerador, caixa de câmbio, nacela e uma ou mais pás de rotor. As pás de rotor capturam a energia cinética do vento usando princípios de aerofólio conhecidos e transmitem a energia cinética por meio da energia rotacional para girar um eixo que acopla as pás de rotor a uma caixa de câmbio ou, se uma caixa de câmbio 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] À medida que os tamanhos e alturas dos cubos continuam a aumentar junto com o tamanho e a capacidade das turbinas eólicas, a torre de aço que suporta o cubo se torna um componente cada vez mais crítico. Condições como assentamento da base da torre, relaxamento dos componentes do flange, deslocamento dos segmentos da torre ou cargas estruturais, carga operacional, carga ambiental e outras variáveis, podem afetar a integridade e a vida útil da torre. É importante monitorar e rastrear as cargas reacionárias na torre ao longo do tempo para gerenciar/controlar os parâmetros operacionais e as práticas de manutenção para garantir a integridade e longevidade da torre. Além disso, o monitoramento e rastreamento das deflexões da torre é uma ferramenta útil para o controle operacional de cargas mecânicas e captura de energia.
[004] O topo da torre durante um estado sem carga ou ocioso se comporta como um ponto de pivô neutro, que é uma posição livre de deflexão do topo da torre em torno da qual a nacela (incluindo a cabeça da máquina e o rotor) gira. Com o tempo, as cargas e outras condições que afetam a torre mencionada acima podem fazer com que esse ponto de pivô se desvie de frente para trás, de um lado para o outro ou de forma torcional. Variações de longo prazo no ponto de pivô (que podem ser deflexões permanentes) são uma indicação da estrutura da torre e/ou mudanças na fundação ao longo do tempo. Variações de curto período no ponto de pivô são uma indicação do movimento oscilatório da torre de cargas do rotor e/ou do trem de acionamento.
[005] Seria desejável estabelecer com precisão uma posição de referência geográfica conhecida para o ponto de pivô do topo da torre e rastrear as mudanças nesta posição ao longo do tempo. Essas informações seriam úteis para monitorar a integridade da estrutura de aço e da fundação da torre e para controlar e gerenciar as cargas estruturais e operacionais que podem gerar oscilação e diminuir a vida útil da torre e de outros componentes da turbina eólica. Os métodos de modelagem podem ser aplicados utilizando as deflexões do ponto de pivô do topo da torre para determinar as deflexões anterior/posterior e lateral do topo da torre e as cargas reacionárias associadas.
[006] A presente invenção fornece uma solução para determinar com precisão o ponto de pivô do topo da torre para uma torre de turbina eólica.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO
[007] Aspectos e vantagens da invenção serão apresentados em parte na seguinte descrição, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.
[008] Em um aspecto, a presente divulgação é direcionada a um método para determinar uma localização geográfica (“geo-localização”) de um ponto de pivô do topo da torre (TPP) de uma torre de turbina eólica, a torre tendo uma nacela no topo da mesma. O termo “nacela” é usado neste documento para abranger os componentes do cabeçote da máquina, do rotor e do compartimento da nacela. O método inclui a etapa de configuração de pelo menos um receptor rover de um sistema global de navegação por satélite (GNSS) em uma posição fixa na nacela. Em seguida, uma pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus da nacela são conduzidas. Os sinais de geo-localização recebidos pelo receptor rover durante as varreduras de guinada da nacela são registrados. Por meio de um controlador, que pode estar localizado remotamente, os sinais de geo-localização são convertidos em uma representação gráfica circular. Um raio do gráfico circular é então determinado, o raio correspondendo a uma distância entre o receptor rover e o TPP. Então, com base na geo-localização GNSS do receptor rover e no comprimento do raio, o controlador calcula uma geolocalização do TPP. O termo “geo-localização” é usado neste documento para incluir coordenadas em uma grade geográfica fixa, como coordenadas de latitude e longitude de uma grade global.
[009] Em uma forma de realização particular, o receptor rover está localizado no topo e em uma extremidade traseira da nacela a uma distância fixa conhecida (predeterminada) (“x”) a um eixo de linha central da nacela. Nesta forma de realização, uma suposição razoável é feita de que a geo-localização do TPP está ao longo do eixo da linha central e que existe uma relação de triângulo retângulo entre a distância “x”, o raio e uma distância “y” do TPP ao longo do eixo da linha central. Com essas informações, a geo-localização do TPP em relação à nacela é facilmente calculada.
[0010] A pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus pode incluir pelo menos uma varredura de guinada (yaw sweep) em uma direção positiva e pelo menos uma varredura de guinada em uma direção negativa oposta. Varreduras múltiplas podem ser feitas em ambas as direções. Desejavelmente, as varreduras de guinada são conduzidas durante condições de baixa velocidade do vento (abaixo das velocidades do vento que causariam deflexões transitórias da torre devido à carga de vento).
[0011] Em uma forma de realização particular do sistema GNSS, o receptor rover está em comunicação com um receptor de estação base fixa, em que um erro de posição inerente nos sinais de geo-localização do receptor rover é reduzido por dados de correção transmitidos para o receptor rover a partir da estação base fixa com base em técnicas conhecidas de correção cinemática em tempo real (RTK) ou outras técnicas de correção. Nesta forma de realização, a geo-localização do rover é determinada com base em sua posição relativa ao receptor da estação base fixa.
[0012] Em uma forma de realização alternativa, a geo-localização do rover pode ser determinada com base na posição global absoluta de latitude e longitude fornecida pelo(s) satélite(s) diretamente para o rover
[0013] Vários fatores de carregamento ambientais e estruturais podem induzir uma distorção temporária ou permanente à torre e pode ser desejável levar em conta essas distorções na determinação do raio das varreduras de guinada (e, portanto, a geo-localização do TPP). Por exemplo, um fator de correção de distorção da torre pode ser aplicado para corrigir a distorção da torre causada pela saliência (overhang) do peso do rotor e da nacela em relação a um eixo vertical da torre. Outro fator de correção de distorção da torre pode ser aplicado para corrigir a distorção da torre térmica causada por diferenças de temperatura entre os lados expostos e sombreados da torre. Ainda outro fator de correção de distorção da torre pode ser aplicado para corrigir a distorção da torre de cargas transitórias colocadas na torre ou na nacela, como cargas de vento. Um fator de correção de distorção total da torre pode ser aplicado, levando em consideração a distorção do balanço do peso, distorção térmica e distorção da carga.
[0014] Em uma determinada forma de realização, pode ser desejável usar dois ou mais dos receptores rover configurados na nacela. Por exemplo, uma pluralidade de receptores rover pode ser configurada no mesmo lado ou distribuída de uma maneira arbitrária em torno de um eixo de linha central da nacela. Em uma forma de realização particular, dois receptores rover são configurados em lados opostos e a uma distância igual ou diferente (“x”) de um eixo de linha central da nacela, em que os sinais de geo-localização de ambos os receptores rover são usados para gerar o gráfico circular e determinar o raio das varreduras de guinada. Quando a distância “x” é a mesma para cada rover, os respectivos gráficos devem ser essencialmente os mesmos. Uma distância “x” menor ou maior produzirá um gráfico de raio menor ou maior, respectivamente.
[0015] O uso de vários receptores rover também permite a determinação de uma direção de rumo (heading bearing) da nacela, que pode ser usado no controle de guinada da turbina eólica. Por exemplo, uma geolocalização de cada receptor rover é determinada por seu respectivo sinal de geo-localização. Uma linha conectando os dois receptores rover, portanto, define uma linha de rumo em relação ao Norte. Um ângulo fixo entre esta linha de rumo e o eixo da linha central da nacela é conhecido (por exemplo, 90 graus) e é adicionado ou subtraído da linha de rumo para dar a direção de rumo do eixo da linha central (e, portanto, a nacela).
[0016] O uso de vários rovers também fornece uma verificação geral da precisão do sistema. Uma discrepância (além de uma margem de erro aceitável) entre as varreduras de guinada dos dois rovers indicaria um mau funcionamento em um ou ambos os rovers, movimento de um ou de ambos os rovers e assim por diante.
[0017] As formas de realização do método podem incluir a determinação da geo-localização do TPP uma pluralidade de vezes ao longo de um período de tempo fixo e a determinação de um vetor de deslocamento total do TPP ao longo do período de tempo. O deslocamento do TPP ao longo do tempo pode ser indicativo de vários fatores que afetam a distorção da torre, bem como uma referência para medições de deflexão da torre. As alterações de TPP resultantes da distorção da torre podem ser o resultado de assentamento da fundação, movimento sísmico, relaxamento do casco/flange da torre, falha estrutural incipiente e outros. Os deslocamentos da torre da carga transmitida à torre pelo rotor, cabeçote da máquina e efeitos ambientais podem ser medidos com precisão e relatados com base no movimento do TPP. Um vetor de deslocamento refletindo mudanças de TPP ao longo do tempo pode ser avaliado para fins de um ou mais dos seguintes: determinação da integridade da torre, previsão da vida útil da torre (longevidade), gerenciamento de carga, manutenção da torre ou mudanças nos procedimentos de operação e manutenção para reduzir a distorção da torre. Com base na avaliação, o método pode incluir a implementação de uma ação de controle para a turbina eólica.
[0018] A presente invenção também abrange um sistema para determinar e rastrear uma localização geográfica de um ponto de pivô do topo da torre (TPP) de uma torre de turbina eólica tendo uma nacela (incluindo os componentes do cabeçote da máquina e rotor) em uma parte superior da mesma. O sistema inclui pelo menos um receptor rover de um sistema global de navegação por satélite (GNSS) configurado em uma posição fixa na nacela. Um controlador está em comunicação com o receptor rover e está configurado para realizar as seguintes operações: gravar sinais de geo-localização recebidos pelo receptor rover durante uma pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus da nacela; converter os sinais de geo-localização em um gráfico circular e determinar um raio do gráfico circular, o raio sendo uma distância entre o receptor rover e o TPP; e com base em uma posição GNSS conhecida do receptor rover e o raio, calcular uma geo-localização do TPP.
[0019] Em uma forma de realização particular do sistema, o receptor rover está localizado no topo e na extremidade traseira da nacela a uma distância fixa conhecida (“x”) a um eixo de linha central da nacela, em que o controlador calcula a geo-localização do TPP ao longo do eixo da linha central com base no raio e distância “x”.
[0020] O sistema pode incluir um receptor de estação base fixa em comunicação com o receptor rover, a estação base fixa configurada para reduzir um erro de posição inerente nos sinais de localização do receptor rover transmitindo dados de correção para o receptor rover com base em técnicas de correção cinemática em tempo real conhecida (RTK).
[0021] Alternativamente, a geo-localização do rover pode ser determinada com base na posição global absoluta de latitude e longitude fornecida diretamente ao rover a partir do(s) satélite(s) do sistema GNSS
[0022] O sistema pode ainda incluir dois ou mais dos receptores rover configurados na nacela, por exemplo, dois receptores rover em lados opostos e à mesma distância de um eixo de linha central da nacela, em que o controlador usa os sinais de localização de ambos os receptores rover para gerar o gráfico circular e determinar o raio. Com esta forma de realização, o controlador pode ser ainda configurado para calcular um rumo da nacela com base em uma linha de rumo definida pela geo-localização dos dois receptores rover e um ângulo fixo da linha de rumo em relação ao eixo da linha central da nacela.
[0023] Em outras formas de realização, o controlador pode ser configurado para realizar qualquer combinação das etapas discutidas acima em relação às várias formas de realização do método.
[0024] A invenção será posteriormente suportada e descrita com referência à seguinte descrição e reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo, ilustram formas de realização da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0025] Uma divulgação completa e capacitadora da presente invenção, incluindo o melhor modo da mesma, dirigida a um técnico no assunto, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às figuras anexas, nas quais:
A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de uma turbina eólica configurada com um sistema e método de acordo com a presente invenção;
A Figura 2 é uma vista em diagrama de uma nacela configurada com sensores para realizar formas de realização de método da invenção;
A Figura 3 é uma vista em diagrama que descreve as etapas do método de acordo com uma forma de realização da invenção;
A Figura 4 é uma vista em diagrama que descreve outras etapas do método de acordo com uma forma de realização da invenção;
A Figura 5 é uma vista em diagrama que representa ainda outras etapas do método de acordo com uma forma de realização da invenção;
A Figura 6 é uma vista em diagrama que descreve mais etapas do método de acordo com uma forma de realização da invenção; e
A Figura 7 é uma vista em diagrama que descreve ainda outras etapas do método de acordo com uma forma de realização da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0026] Agora será feita referência em detalhes às formas de realização da invenção, um ou mais exemplos das quais são ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, não como limitação da invenção. Na verdade, será evidente para aqueles técnicos no assunto que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo ou do 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 forma de realização adicional. Assim, pretende-se que a presente invenção cubra tais modificações e variações que caiam no escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.
[0027] Em geral, o presente assunto é direcionado a um método e sistema associado para determinar e rastrear uma localização geográfica do ponto de pivô de um topo de uma torre de turbina eólica, em que o ponto de pivô é essencialmente uma posição livre de deflexão neutra do topo da torre sobre o qual a nacela (incluindo o cabeçote da máquina e o rotor) gira. Conforme descrito neste documento, a localização e a deflexão do ponto de pivô do topo da torre (TPP) fornecem informações valiosas para fins de análise e correção de distorções permanentes e transitórias da torre.
[0028] Com referência agora aos desenhos, a Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de uma turbina eólica (10) configurada com um sistema (58) para praticar vários métodos de acordo com a presente divulgação. Como mostrado, a turbina eólica (10) geralmente inclui uma torre (12), uma nacela (14) montada na torre (12) e um rotor (16) acoplado à nacela (14). O rotor (16) inclui um cubo giratório (18) e pelo menos uma pá de rotor (20) acoplada a e estendendo-se para fora a partir do cubo (18). Por exemplo, na forma de realização ilustrada, o rotor (16) inclui três pás de rotor (20). No entanto, em uma forma de realização alternativa, o rotor (16) pode incluir mais ou menos do que três pás de rotor (20). Cada pá de rotor (20) pode ser espaçada em torno do cubo (18) para facilitar a rotação do rotor (16) para permitir que a energia cinética seja transferida do vento para energia mecânica utilizável e, subsequentemente, energia elétrica. Por exemplo, o cubo (18) pode ser rotativamente acoplado a um gerador elétrico posicionado dentro da nacela (14) para permitir que a energia elétrica seja produzida.
[0029] Para os fins da presente divulgação, o termo “nacela” é usado neste documento para incluir componentes do cabeçote da máquina (por exemplo, componentes do trem de acionamento, gerador, etc.) localizados dentro do alojamento da nacela e os componentes do cubo (18).
[0030] Com referência às Figuras 1 e 2, pelo menos um receptor rover (24) de um sistema global de navegação por satélite (GNSS) é montado em uma posição fixa, pré-determinada sobre a nacela (14). O receptor rover (24) está em comunicação direta ou indireta com um controlador (66). Na forma de realização representada, o receptor rover (24) também está em comunicação com uma estação base fixa (40), conforme descrita em mais detalhes abaixo. O controlador (66) pode ser um controlador local associado a uma única turbina eólica (10), um controlador ao nível de fazenda associado a uma pluralidade de turbinas eólicas (10) dentro de um parque eólico ou um controlador remoto localizado, por exemplo, em uma instalação de controle/ monitoramento remoto. O controlador (66) é configurado para realizar vários processos, conforme descrito em mais detalhes abaixo, para determinar a geo-localização do TPP (22) da torre do turbina eólica (12).
[0031] O sistema GNSS pode utilizar qualquer um dos sistemas de posicionamento baseados em satélite disponíveis, como GPS, GLONASS, Galileo, NavIC e BeiDou. Em certas formas de realização, o sistema GNSS também pode empregar técnicas cinemáticas em tempo real (RTK) para aumentar a precisão dos dados de posição derivados do sistema GNSS. As técnicas de RTK são conhecidas dos técnicos no assunto. Em geral, a distância entre um receptor de navegação por satélite (o receptor rover (24)) e um satélite pode ser calculada a partir do tempo que leva para um sinal viajar do satélite ao receptor. A precisão da medição de alcance resultante é uma função da capacidade do receptor de processar com precisão os sinais do satélite, bem como fontes de erro adicionais, como atrasos ionosféricos e troposféricos não mitigados, caminhos múltiplos, relógio de satélite e erros de efemérides, etc.
[0032] As técnicas de RTK usam a onda portadora do sinal de satélite como seu sinal. O RTK usa uma estação base fixa (40) e o rover (24) para transmitir dados de correção para o receptor rover (24) e reduzir o erro de posição do rover. A estação base (40) retransmite a fase da portadora que ela observa, e o rover (24) compara suas próprias medições de fase com as recebidas da estação base. Isso permite que o receptor rover (24) calcule sua posição relativa em relação à estação base (40) com um alto grau de precisão (normalmente em milímetros). A precisão da geo-localização do receptor rover (24) é, portanto, essencialmente a mesma precisão que a posição calculada da estação base (40). Em essência, a estação base (40) está localizada em um local pesquisado conhecido (uma posição de referência) e o receptor rover (24) assume uma posição em relação à estação base (40).
[0033] Como mencionado, alternativamente, a geo-localização do rover pode ser baseada na posição global absoluta de latitude e longitude fornecida diretamente ao rover a partir do(s) satélite(s) GNSS.
[0034] Com referência às Figuras 2 e 4, o receptor rover (24) pode estar localizado no topo e em uma extremidade traseira da nacela (14) a uma distância fixa predeterminada (32) (“x”) a um eixo de linha central (38) da nacela. O receptor rover (24) pode ser montado de modo a se estender para fora dos lados da nacela (14), como representado nas figuras. Para fins de determinação da geo-localização do TPP (22) com base na geo-localização GNSS do receptor rover (24), é razoavelmente assumido que o TPP (22) se encontra na (ou dentro de uma margem aceitável) da linha central (38) da nacela (14).
[0035] Com referência às Figuras 2 a 4, as várias formas de realização de método incluem a condução de uma pluralidade de varreduras de guinada (28) de 360 graus da nacela (14) e registro dos sinais de geo-localização recebidos pelo receptor rover (24) durante as varreduras de guinada (28). Conforme representado na Figura 3, a pluralidade de varreduras de guinada (28) de 360 graus pode incluir uma ou mais varreduras de guinada (28) em uma direção positiva e uma ou mais varreduras de guinada (28) em uma direção negativa oposta. As varreduras de guinada de 360 graus devem ser feitas em condições de baixa velocidade do vento.
[0036] O controlador (66) converte os sinais de geo-localização do receptor rover (24) em um gráfico circular (30) e determina um raio “r” (36) do gráfico circular. Este raio (36) corresponde à distância do receptor rover (24) ao TPP (22) da torre de turbina eólica (12). O controlador (66) usa então o comprimento do raio (36) e a geo-localização do receptor rover (24) para calcular uma geo-localização do TPP (22). Por exemplo, referindo-se à Figura 4, sabendo a distância “x” (32) do receptor rover (24) do eixo de linha central (38) da nacela (14) e com a suposição de que o TPP se encontra no eixo de linha central (38) em um distância “y” (34) da linha de “x” (32), o comprimento de “y” (34) é prontamente resolvido usando a relação para um triângulo retângulo: r2 = x2 + y 2 . Com os valores de “x” e “y” determinados, a geo-localização precisa do TPP (22) em relação à geo-localização do receptor rover (24) é então facilmente determinada. As mudanças de latitude e longitude (x e y) para uma geolocalização conhecida do receptor rover (24) darão a geo-localização do TPP.
[0037] Com referência à Figura 6, certos fatores que atuam na torre (12) podem produzir distorções permanentes ou transitórias na torre (12) que podem afetar a precisão da determinação inicial do raio (36) das varreduras de guinada (28). Por exemplo, o centro de massa da nacela (14) (incluindo os componentes do cabeçote da máquina e do cubo (18)) normalmente não está alinhada com a linha central (45) da nacela (14), mas se projeta em direção ao cubo (18), criando assim um braço de momento permanente na torre (12). Conforme as varreduras de guinada (28) são conduzidas, a torre pode continuamente “inclinar-se” em direção ao cubo (18) (indicado pela seta tracejada na Figura 6). Se esta “esguio” não for contabilizado, o raio (36) da varredura de guinada (29) seria diminuído na quantidade de “esguio”. O grau de “inclinação” pode ser determinado empiricamente ou por meio da modelagem da nacela (14) e da torre (12). Um fator de correção de distorção da torre saliente (44) (td(saliência)) pode ser calculado e aplicado ao raio (36) da varredura de guinada (28) para forneça um raio corrigido (36).
[0038] Ainda com referência à Figura 6, as diferenças de temperatura entre os lados da torre (12) podem resultar em uma distorção térmica da torre (12). O diferencial de temperatura resultante do aquecimento solar de um lado da torre em comparação com o lado sombreado da torre pode causar expansão do lado aquecido e inclinação da torre para o lado sombreado. O grau de distorção térmica pode ser determinado empiricamente ou por meio de modelagem e usado para calcular um fator de correção de distorção da torre térmica (46) (td(térmico)) que é aplicado ao raio (36) da varredura de guinada (28) para dar um raio corrigido (36).
[0039] Ainda com referência à Figura 6, cargas transitórias na nacela (14) causadas pelo vento também podem resultar na distorção da torre (12), fazendo com que a torre se incline para longe da direção do vento. O grau de distorção da carga do vento pode ser determinado empiricamente ou por meio de modelagem e usado para calcular um fator de correção de distorção da torre eólica (50) (td(vento)) que é aplicado ao raio (36) da varredura de guinada (28) para dar um raio corrigido (36).
[0040] Todos os fatores de correção de distorção (44, 46, e 50) podem ser combinados em um fator de distorção total (42) que é aplicado ao raio (36) da varredura de guinada (28) para dar um raio corrigido (36).
[0041] Com referência à Figura 7, o sistema e método da presente divulgação podem incluir a configuração de dois ou mais dos receptores rover (24) na nacela (14), por exemplo, dois receptores rover (24) em lados opostos e a uma mesma ou diferente distância “x” a partir do eixo de linha central (38) da nacela (14). Os sinais de geo-localização de ambos os receptores rover (24) podem ser usados para gerar gráficos circulares (30) e determinar o raio (36) das varreduras de guinada (28) (Figura 3). Quando a distância “x” é a mesma para cada rover, os respectivos gráficos (30) devem ter o mesmo raio (36). Uma distância menor ou maior “x” produzirá um gráfico de raio menor ou maior, respectivamente. Os diferentes gráficos de raio (30) podem ser usados determinar de forma independente o TPP, o que fornece uma verificação de precisão do sistema
[0042] A forma de realização da Figura 7 também permite o cálculo de uma direção de rumo (56) da nacela (14). A direção de rumo (56) pode ser usada pelo sistema de controle da turbina eólica para controle de guinada da nacela. A geo-localização dos dois receptores rover (24) é determinada e uma linha através das duas geo-localizações fornece uma primeira linha de rumo (54). Um ângulo fixo (57) (por exemplo, um ângulo de 90 graus) entre a linha de rumo (54) e o eixo da linha central (38) é adicionado/subtraído ao rumo da linha (54) para fornecer o rumo (56) do eixo da linha central (38), que corresponde ao rumo da nacela (14). Por exemplo, na representação à esquerda da Figura 7, a primeira linha de rumo (54) tem uma orientação de 270 graus ou 090 graus e o ângulo fixo (57) é de 90 graus. O rumo do eixo de linha central (38) correspondente ao rumo da nacela é, portanto, Norte (000°) (270 graus + 90 graus ou 090 graus - 90 graus). A representação à direita é outra ilustração em que o rumo final (56) da nacela é determinado da mesma forma como sendo 030°.
[0043] Com referência à Figura 5, as formas de realização do presente método também podem incluir a determinação da geo-localização do TPP, conforme descrito acima, uma pluralidade de vezes ao longo de um período de tempo fixo e a determinação de uma trajetória de deslocamento total do TPP ao longo do período de tempo, o que pode ser representado por um vetor. Os múltiplos TPPs formam a trajetória de deslocamento total que pode ser combinada em um vetor de deslocamento total (60) para o período de tempo monitorado, o vetor de deslocamento total (60) tendo um componente lado-alado (64) e um componente anterior-posterior (62). Como mencionado acima, o deslocamento do TPP ao longo do tempo pode ser indicativo de vários fatores que afetam a distorção da torre, bem como uma referência para medições de deflexão da torre. As alterações de TPP resultantes da distorção da torre podem ser o resultado de assentamento da fundação, movimento sísmico, relaxamento do invólucro/flange da torre, falha estrutural incipiente e outros. Os deslocamentos da torre da carga transmitida à torre pelo rotor, cabeçote da máquina e efeitos ambientais podem ser medidos com precisão e relatados com base no movimento do TPP. O vetor de deslocamento total (60) ou trajetória de deslocamento de TPP pode ser usado para avaliar/ determinar várias características da torre, incluindo determinação da integridade da torre, previsão da vida útil da torre (longevidade), gerenciamento de carga, manutenção da torre ou mudanças nos procedimentos de operação e manutenção para reduzir a distorção da torre. Com base em qualquer uma ou mais dessas características, o método inclui a implementação de ações de controle ou procedimentos para combater quaisquer efeitos adversos na torre ou operação geral da turbina eólica.
[0044] Outros aspectos da invenção são fornecidos pela matéria objeto das seguintes cláusulas:
[0045] Cláusula 1. Método para determinar uma localização geográfica (“geo-localização”) de um ponto de pivô do topo da torre (TPP) de uma torre de turbina eólica tendo uma nacela que inclui um cabeçote de máquina e rotor em uma parte superior da mesma, o método compreendendo: configurar pelo menos um receptor rover de um sistema global de navegação por satélite (GNSS) em uma posição fixa na nacela; conduzir uma pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus da nacela e registrar sinais de geo-localização recebidos pelo receptor rover durante as varreduras de guinada; por meio de um controlador, converter os sinais de geo-localização em um gráfico circular e determinar um raio do gráfico circular, o raio sendo uma distância entre o receptor rover e o TPP; e com base em uma geo-localização GNSS do receptor rover e o raio, calcular, por meio do controlador, uma geo-localização do TPP.
[0046] Cláusula 2. O método de acordo com a Cláusula 1, em que o receptor rover está localizado no topo e em uma extremidade traseira da nacela a uma distância fixa predeterminada (“x”) a um eixo de linha central da nacela, em que a geo-localização do TPP ao longo do eixo da linha central é calculado com base no raio e na distância “x”.
[0047] Cláusula 3. Método, de acordo com a Cláusula 1, em que a pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus compreende pelo menos uma varredura de guinada em uma direção positiva e pelo menos uma varredura de guinada em uma direção negativa oposta.
[0048] Cláusula 4. O método de acordo com a Cláusula 1, em que o receptor rover está em comunicação com um receptor de estação base fixa que transmite dados de correção para o receptor rover, em que a geo-localização GNSS do rover é determinada em relação à estação base.
[0049] Cláusula 5. O método de acordo com a Cláusula 1, em que a geo-localização GNSS do rover é uma posição global absoluta de latitude e longitude fornecida diretamente ao rover.
[0050] Cláusula 6. O método de acordo com a Cláusula 1, em que a pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus da nacela são conduzidas durante baixas velocidades de vento de modo a minimizar as cargas de vento transitórias que podem causar deflexão da torre durante as varreduras de guinada.
[0051] Cláusula 7. O método de acordo com a Cláusula 1, em que um fator de correção de distorção da torre é aplicado ao raio das varreduras de guinada antes de determinar a geo-localização do TPP.
[0052] Cláusula 8. O método de acordo com a Cláusula 7, em que o fator de correção de distorção da torre corrige a distorção da torre causada por qualquer um ou combinação de: saliência de peso da nacela em relação a um eixo vertical da torre; distorção da torre térmica causada por diferenças de temperatura entre os lados da torre; ou distorção da torre a partir de cargas transitórias colocadas na torre ou nacela.
[0053] Cláusula 9. O método de acordo com a Cláusula 1, em que uma pluralidade de receptores rover são configurados na nacela, os sinais de localização da pluralidade de receptores rover usados para gerar o gráfico circular e determinar o raio para cada um dos receptores rover.
[0054] Cláusula 10. O método de acordo com a Cláusula 9, compreendendo ainda calcular uma direção de rumo da nacela com base em uma linha de rumo definida pela geo-localização dos receptores rover e um ângulo fixo da linha de rumo em relação ao eixo da linha central da nacela.
[0055] Cláusula 11. O método de acordo com a Cláusula 1, compreendendo ainda determinar a geo-localização do TPP uma pluralidade de vezes ao longo de um período de tempo fixo e determinar uma trajetória total ou vetor de deslocamento do TPP ao longo do período de tempo.
[0056] Cláusula 12. O método de acordo com a Cláusula 11,compreendendo ainda a avaliação da trajetória total ou vetor de deslocamento para fins de um ou mais dentre: determinação da integridade da torre, previsão da vida útil da torre, gerenciamento de carga, manutenção da torre ou mudanças nos procedimentos de operação e manutenção para reduzir a distorção da torre.
[0057] Cláusula 13. O método de acordo com a Cláusula 12, compreendendo ainda a implementação de ação de controle para a turbina eólica com base na avaliação da trajetória total ou vetor de deslocamento.
[0058] Cláusula 14. Um sistema para determinar e rastrear uma localização geográfica de um ponto de pivô do topo da torre (TPP) de uma torre de turbina eólica tendo uma nacela que inclui um cabeçote de máquina e um rotor em uma parte superior da mesma, o sistema compreendendo: pelo menos um receptor rover de um sistema global de navegação por satélite (GNSS) configurado em uma posição fixa na nacela;
um controlador em comunicação com o receptor rover, o controlador configurado para realizar as seguintes operações:
  • - registrar sinais de geo-localização recebidos pelo receptor rover durante uma pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus da nacela;
  • - converter os sinais de geo-localização em um gráfico circular e determinar um raio do gráfico circular, o raio correspondendo a uma distância entre o receptor rover e o TPP; e
  • - com base em uma geo-localização GNSS do receptor rover e o raio, calcular uma geo-localização do TPP.
[0059] Cláusula 15. O sistema, de acordo com a Cláusula 14, em que o receptor rover está localizado no topo e em uma extremidade traseira da nacela a uma distância fixa predeterminada (“x”) a um eixo de linha central da nacela, em que o controlador calcula a geo-localização do TPP ao longo do eixo da linha central com base no raio e distância “x”.
[0060] Cláusula 16. O sistema de acordo com a Cláusula 14,compreendendo ainda um receptor de estação base fixa em comunicação com o receptor rover, a estação base fixa configurada para transmitir dados de correção para o receptor rover com base em técnicas de correção cinemática em tempo real (RTK).
[0061] Cláusula 17. O sistema, de acordo com a Cláusula 14, em que o controlador é ainda configurado para aplicar um fator de correção de distorção da torre ao raio das varreduras de guinada com base em um ou mais dos seguintes: saliência de peso da nacela em relação a um eixo vertical da torre; distorção da torre térmica causada por diferenças de temperatura entre os lados da torre; e distorção da torre de cargas transitórias colocadas na torre ou nacela.
[0062] Cláusula 18. O sistema, de acordo com a Cláusula 14, compreendendo uma pluralidade de receptores rover configurados na nacela, por exemplo, em lados opostos e a uma mesma ou diferente distância de um eixo de linha central da nacela, o controlador usando os sinais de localização da pluralidade de receptores rover para gerar o gráfico circular e determinar o raio para cada um dos receptores rover
[0063] Cláusula 19. Sistema, de acordo com a Cláusula 18, em que o controlador é ainda configurado para calcular uma direção de rumo da nacela com base em uma linha de rumo definida pela geo-localização dos receptores rover e um ângulo fixo da linha de rumo em relação ao eixo de linha central da nacela.
[0064] Cláusula 20. O sistema, de acordo com a Cláusula 14, em que o controlador é ainda configurado para avaliar uma trajetória de deslocamento total ou vetor do TPP ao longo do tempo e implementar uma ou mais ações corretivas para a turbina eólica com base na avaliação.
[0065] Esta descrição escrita usa exemplos para divulgar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer técnico no assunto pratique a invenção, incluindo a fabricação e o uso de 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. Esses outros exemplos destinam-se a estar dentro do escopo das reivindicações se incluírem elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Claims (15)

  1. MÉTODO PARA DETERMINAR UMA LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA (“GEO-LOCALIZAÇÃO”) DE UM PONTO DE PIVÔ DO TOPO DA TORRE (TPP) DE UMA TORRE DE TURBINA EÓLICA tendo uma nacela que inclui um cabeçote de máquina e rotor em uma parte superior da mesma, caracterizado pelo método compreender: configurar pelo menos um receptor rover de um sistema global de navegação por satélite (GNSS) em uma posição fixa na nacela; conduzir uma pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus da nacela e registrar sinais de geo-localização recebidos pelo receptor rover durante as varreduras de guinada; por meio de um controlador, converter os sinais de geo-localização em um gráfico circular e determinar um raio do gráfico circular, o raio sendo uma distância entre o receptor rover e o TPP; e com base em uma geo-localização GNSS do receptor rover e no raio, calcular, por meio do controlador, uma geo-localização do TPP.
  2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo receptor rover estar localizado no topo e na extremidade traseira da nacela a uma distância fixa predeterminada (“x”) a um eixo de linha central da nacela, em que a geo-localização do TPP ao longo do eixo da linha central é calculado com base no raio e distância “x”.
  3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pela pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus compreender pelo menos uma varredura de guinada (yaw sweep) em uma direção positiva e pelo menos uma varredura de guinada em uma direção negativa oposta
  4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo receptor rover estar em comunicação com um receptor de estação base fixa que transmite dados de correção para o receptor rover, em que a geo-localização GNSS do rover é determinada em relação à estação base.
  5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela geo-localização GNSS do rover ser uma posição global absoluta de latitude e longitude fornecida diretamente ao rover.
  6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus da nacela serem conduzidas durante baixas velocidades de vento de modo a minimizar as cargas de vento transitórias que podem causar deflexão da torre durante as varreduras de guinada.
  7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por um fator de correção de distorção da torre ser aplicado ao raio das varreduras de guinada antes de determinar a geo-localização do TPP.
  8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fator de correção de distorção da torre corrigir a distorção da torre causada por qualquer um ou combinação de: saliência (overhang) de peso da nacela em relação a um eixo vertical da torre; distorção térmica da torre causada por diferenças de temperatura entre os lados da torre; ou distorção da torre a partir de cargas transitórias colocadas na torre ou nacela.
  9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por uma pluralidade de receptores rover serem configurados na nacela, os sinais de localização dos receptores rover usados para gerar o gráfico circular e determinar o raio para cada um dos receptores rover.
  10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por compreender ainda calcular uma direção de rumo (heading bearing) da nacela com base em uma linha de rumo definida pela geolocalização dos receptores rover e um ângulo fixo da linha de rumo em relação ao eixo da linha central da nacela.
  11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por compreender ainda determinar a geo-localização do TPP uma pluralidade de vezes ao longo de um período de tempo fixo e determinar uma trajetória total ou vetor de deslocamento do TPP ao longo do período de tempo.
  12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por compreender ainda avaliar a trajetória total ou vetor de deslocamento para fins de um ou mais dentre: determinação da integridade da torre, previsão da vida útil da torre, gerenciamento de carga, manutenção da torre ou mudanças nos procedimentos de operação e manutenção para reduzir distorção da torre.
  13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por compreender ainda implementar ação de controle para a turbina eólica com base na avaliação da trajetória total ou vetor de deslocamento.
  14. SISTEMA PARA DETERMINAR E RASTREAR UMA LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA DE UM PONTO DE PIVÔ DO TOPO DA TORRE (TPP) DE UMA TORRE DE TURBINA EÓLICA tendo uma nacela que inclui um cabeçote de máquina e um rotor em uma parte superior da mesma, caracterizado pelo sistema compreender: pelo menos um receptor rover de um sistema global de navegação por satélite (GNSS) configurado em uma posição fixa na nacela; um controlador em comunicação com o receptor rover, o controlador configurado para realizar as seguintes operações:
    • - registrar sinais de geo-localização recebidos pelo receptor rover durante uma pluralidade de varreduras de guinada de 360 graus da nacela;
    • - converter os sinais de geo-localização em um gráfico circular e determinar um raio do gráfico circular, o raio correspondendo a uma distância entre o receptor rover e o TPP; e
    • - com base em uma geo-localização GNSS do receptor rover e no raio, calcular uma geo-localização do TPP.
  15. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo receptor rover estar localizado no topo e em uma extremidade traseira da nacela a uma distância fixa predeterminada (“x”) a um eixo de linha central da nacela, em que o controlador calcula a geo-localização do TPP ao longo do eixo da linha central com base no raio e distância “x”.
BR102021022409-6A 2020-11-09 2021-11-08 Método para determinar uma localização geográfica (geo-localização) de um ponto de pivô do topo da torre (tpp) de uma torre de turbina eólica e sistema para determinar e rastrear uma localização geográfica de um ponto de pivô do topo da torre (tpp) de uma torre de turbina eólica BR102021022409A2 (pt)

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