BR102022009995A2

BR102022009995A2 - Método para operar uma turbina eólica e turbina eólica

Info

Publication number: BR102022009995A2
Application number: BR102022009995-2A
Authority: BR
Inventors: Jörn Becker
Original assignee: General Electric Renovables España, S.L.
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2022-05-23
Publication date: 2022-12-27
Also published as: US20220389913A1; EP4102058A1; CN115450866A; CA3160987A1

Abstract

Um método para operar uma turbina eólica é divulgado, em que a referida turbina eólica compreende um rotor tendo pelo menos uma pá do rotor com uma superfície de pá do rotor e um dispositivo de detecção de formação de gelo para detectar uma condição de formação de gelo para a pá do rotor e/ou para detectar a presença de gelo na pá do rotor. Além disso, um controlador configurado para controlar uma velocidade de rotação do rotor pode ser fornecido. O método compreende as etapas de monitoramento, através do controlador e/ou através do dispositivo de detecção de formação de gelo, se uma condição de formação de gelo para a pá do rotor está presente e/ou se há formação de gelo na superfície da turbina eólica, assim, esse gelo foi gerado na superfície. Se uma condição de formação de gelo for detectada, ou se for detectado que gelo foi gerado na superfície da pá do rotor, a turbina eólica é operada ainda de acordo com um modo de formação de gelo com limitação de potência com uma velocidade de rotação reduzida, em particular, mantendo uma geração de energia elétrica por um gerador da turbina eólica.

Description

MÉTODO PARA OPERAR UMA TURBINA EÓLICA E TURBINA EÓLICA

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se de forma geral a um método para operar turbinas eólicas e, mais particularmente, a um método para garantir a operação de tal turbina eólica, mesmo sob condições ambientais adversas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A energia eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas e ecológicas atualmente disponíveis, e as turbinas eólicas ganharam maior atenção nesse sentido. Uma turbina eólica moderna normalmente inclui uma torre, gerador, caixa de engrenagens, nacela e uma ou mais pás do rotor. As pás do rotor capturam a energia cinética do vento usando princípios de aerofólio conhecidos e transmitem a energia cinética através da energia rotacional para girar um eixo que acopla 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 turbinas eólicas são configuradas para serem montadas e operadas em uma variedade de ambientes altamente diferentes. Por exemplo, as turbinas eólicas são montadas em um ambiente desértico, mas também as regiões polares podem ser escolhidas para serem adequadas para serem equipadas com instalações de coleta de energia eólica, como turbinas eólicas. Portanto, uma respectiva turbina eólica deve ser adaptada às condições ambientais especiais do respectivo local de instalação.

[004] Se uma turbina eólica for instalada em uma área quente, um sistema de resfriamento da turbina eólica precisa ter capacidade elevada. Em contraste, se estiver disposta em um ambiente frio, a respectiva turbina eólica deve ser equipada com sistemas de temperatura para permitir que a turbina eólica seja operada sem ser afetada negativamente por temperaturas frias. Especificamente, turbinas eólicas conhecidas adaptadas para serem operadas em uma área fria possuem um sistema para neutralizar a geração de gelo na superfície de uma pá do rotor, comumente conhecido como “formação de gelo”. Por exemplo, uma turbina eólica com um sistema de degelo para uma pá do rotor pode ter um arranjo para aquecer uma respectiva superfície da pá do rotor.

[005] Como tal, as condições de congelamento podem criar um desafio para manter a operação da turbina eólica, por exemplo, quando a capacidade de aquecimento do sistema de degelo não está suficientemente configurada para manter uma pá do rotor livre de gelo durante condições de congelamento muito frias e intensas. Nesses casos, a operação da turbina eólica deve ser interrompida para proteger as estruturas da turbina eólica de serem prejudicadas por cargas adicionais causadas pela formação de gelo.

[006] Por conseguinte, a presente invenção é direcionada a um método para otimizar uma operação de uma turbina eólica em condições ambientais frias.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[007] Aspectos e vantagens da invenção serão apresentados em parte na descrição a seguir, 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 operar uma turbina eólica, em que a referida turbina eólica compreende um rotor tendo pelo menos uma pá do rotor com uma superfície de pá do rotor e um dispositivo de detecção de formação de gelo para detectar uma condição de formação de gelo para a pá do rotor e/ou para detectar a presença de formação de gelo na pá do rotor. Além disso, um controlador configurado para controlar uma velocidade de rotação do rotor pode ser fornecido. O dispositivo de detecção de formação de gelo e o controlador podem ser integrados em um único dispositivo de controle, por exemplo, em um controlador principal da turbina eólica. Em alternativa, o dispositivo de detecção de formação de gelo pode ser um dispositivo separado sendo especificamente direcionado para analisar dados representativos da operação da turbina eólica para determinar se uma condição de formação de gelo ou a formação de gelo em uma pá do rotor está presente.

[009] De acordo com uma forma de realização, o termo “condição de formação de gelo está presente” inclui ambos: essa formação de gelo é iminente, de fato as condições ambientais e operacionais da turbina eólica indicam que uma alta probabilidade de gelo será gerado em uma superfície da pá do rotor; além disso, ou que a formação de gelo já esteja presente, de fato, as condições ambientais e operacionais da turbina eólica indicam uma alta probabilidade de já ter sido gerado gelo em uma superfície da pá do rotor.

[0010] De acordo com uma forma de realização, o dispositivo de detecção de formação de gelo pode ser um detector específico disposto sobre ou na turbina eólica, ou em um entorno efetivo da turbina eólica, que é capaz de detectar condições de formação de gelo nas pás do rotor, como, por exemplo, fornecido pela empresa Labkotek. Assim, os referidos tipos de dispositivos de detecção de formação de gelo detectam uma chamada “condição de formação de gelo instrumental”, que, portanto, é uma forma específica de uma condição de formação de gelo.

[0011] Alternativamente ou adicionalmente, a condição de formação de gelo pode incluir a chamada “formação de gelo instrumental”, em que um instrumento, um sensor, dispositivo de suporte, por exemplo, um anemômetro, um sensor de temperatura, um cata-vento da turbina eólica desenvolveu uma certa quantidade de formação de gelo, o que consequentemente deteriora ou inibe o funcionamento do respectivo dispositivo. Se for detectada uma consequência negativa da formação de gelo na funcionalidade de tal dispositivo, por exemplo, o cata-vento não se move adequadamente ou o anemômetro não indica a presença de vento enquanto a turbina eólica estiver operando e gerando energia, uma formação de gelo instrumental e portanto, uma condição de formação de gelo é detectada.

[0012] O método compreende as etapas de monitoramento, através do controlador e/ou através do dispositivo de detecção de formação de gelo, se uma condição de formação de gelo para a pá do rotor está presente e/ou se há formação de gelo na superfície da turbina eólica, assim, esse gelo foi gerado na superfície. Se uma condição de formação de gelo for detectada, ou se for detectado que gelo foi gerado na superfície da pá do rotor, a turbina eólica é operada ainda de acordo com um modo de formação de gelo com limitação de potência (de-rated icing) com uma velocidade de rotação reduzida, em particular, mantendo uma geração de energia elétrica por um gerador da turbina eólica.

[0013] Em particular, a etapa do método acima mencionada de operar a turbina eólica de acordo com o modo de formação de gelo com limitação de potência com uma velocidade de rotação reduzida é deliberadamente implementada se a turbina eólica, devido à velocidade do vento suficiente, teoricamente puder ser operada na potência nominal total ou em um nível de potência elevado acima do modo de formação de gelo com limitação de potência. Portanto, o modo de formação de gelo com limitação de potência de acordo com a etapa do método descrito é um modo operacional com uma redução deliberada da geração de energia e/ou velocidade de rotação para evitar a formação de gelo e/ou para mitigar a formação de gelo. O modo de classificação de formação de gelo com limitação de potência não deve ser confundido com a operação da turbina eólica em um modo com limitação de potência padrão devido à falta de velocidade do vento ou devido a outras influências operacionais. Além disso, a turbina eólica pode mudar para operar de acordo com o modo de formação de gelo com limitação de potência quando não estiver operando na potência nominal, mas com uma saída de potência reduzida devido à falta de velocidade do vento. Assim, o modo de formação de gelo com limitação de potência difere de um modo operacional padrão da turbina eólica por ter uma velocidade de rotação relativamente reduzida.

[0014] Alternativamente ou adicionalmente, o modo de formação de gelo com limitação de potência é iniciado se uma gravidade de formação de gelo exceder uma capacidade de degelo da pá do rotor, em que a severidade de formação de gelo é representada por uma quantidade de dissipação de calor da energia térmica para fora da pá do rotor em um ambiente da pá do rotor, por exemplo, no ar que passa pela pá do rotor e em que a capacidade de degelo da pá do rotor pode ser refletida por um máximo de energia térmica disponível na pá do rotor ou sendo fornecida à pá do rotor, em que uma respectiva energia térmica da energia térmica compensa uma formação de gelo da pá do rotor mantendo ou elevando a temperatura da pá do rotor.

[0015] Por exemplo, a capacidade de degelo pode ser causada por energia térmica proveniente de um cubo do rotor da turbina eólica e fluindo em um interior da pá do rotor, pela energia solar quando a radiação solar está aquecendo a pá do rotor e/ou por um dispositivo de mitigação de gelo explícito para aquecimento da pá do rotor.

[0016] De acordo com uma forma de realização, uma quantidade de redução rotacional da velocidade rotacional é determinada de modo que uma geração de gelo na superfície da pá do rotor seja evitada e/ou que a formação de gelo na superfície da pá do rotor seja desprendida.

[0017] Ao implementar o ensino acima mencionado, é alcançado pela primeira vez uma operação que possa ser mantida mesmo se uma condição de formação de gelo estiver presente ou se for detectada formação de gelo de uma pá do rotor. Ao reduzir a velocidade de rotação do rotor, uma velocidade relativa do vento de uma respectiva pá do rotor também é reduzida. No decorrer do desenvolvimento da presente invenção, descobriu-se que a adaptação cuidadosa da velocidade de rotação às condições ambientais da turbina eólica, em particular às condições de formação de gelo, oferece a oportunidade de manter a operação da turbina eólica em vez de desligar completamente a turbina eólica se for detectada uma condição de formação de gelo ou um congelamento na pá do rotor. Em particular, ao reduzir a velocidade de rotação do rotor da turbina eólica, a operação é alinhada à condição de formação de gelo e/ou às condições ambientais da turbina eólica, de modo que a geração de gelo na superfície da pá do rotor seja evitada e/ou que gelo na superfície da pá do rotor esteja se soltando. Ao reduzir a velocidade de rotação, a quantidade de dissipação de calor da pá do rotor no ambiente pode ser controlada.

[0018] Em uma forma de realização, o modo de formação de gelo com limitação de potência inclui operar a turbina eólica com uma saída de energia reduzida, em que uma quantidade respectiva de redução de energia é determinada de modo que uma geração de gelo na superfície da pá do rotor seja evitada e/ou que o gelo na superfície da pá do rotor esteja se soltando.

[0019] De acordo com uma forma de realização, a turbina eólica compreende ainda um dispositivo de mitigação de gelo para fornecer um fluxo de calor de degelo para a superfície da pá do rotor, em que o método compreende a ativação do dispositivo de mitigação de gelo.

[0020] De acordo com uma forma de realização, uma condição de formação de gelo é detectada se uma análise de dados operacionais, em particular em conjunto com uma tabela de consulta e/ou com um modelo de formação de gelo da turbina eólica e/ou com um modelo de formação de gelo da pá do rotor indica que uma geração de gelo na superfície da pá do rotor é iminente e/ou indica a presença de gelo na superfície da pá do rotor. Por exemplo, tais dados operacionais podem incluir uma quantidade de radiação solar detectada por um sensor de radiação solar, uma temperatura da superfície da pá do rotor, temperatura ambiente, velocidade do vento, velocidade relativa do vento, velocidade de rotação, umidade do ar, entrada de calor ambiental, desequilíbrio rotacional, e/ou geração de energia reduzida.

[0021] Neste contexto, é divulgado que a etapa de detectar se uma condição de formação de gelo ou um congelamento em uma pá do rotor está presente compreende declarar um status de pá do rotor de “formação de gelo confirmado” se houver formação de gelo na superfície da pá do rotor e/ou declarar um status de pá do rotor de “formação de gelo iminente” se nenhum gelo for detectado enquanto uma geração de gelo futura na pá do rotor é iminente.

[0022] Especificamente, se o status da pá do rotor for “formação de gelo confirmado”, o método compreendendo: determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de potência de modo que o rotor seja girado com uma velocidade rotacional reduzida mínima, gerando assim um mínimo de energia elétrica, em que a respectiva energia elétrica gerada é inteiramente fornecida à turbina eólica e/ou, se a turbina eólica estiver disposta em um parque eólico, a uma outra turbina eólica do parque eólico, em particular em que essencialmente nenhuma energia elétrica é transmitida para uma rede elétrica conectada à turbina eólica e/ou ao parque eólico. Em particular, a rede elétrica como acima mencionado representa uma rede elétrica além do ponto de conexão à rede da turbina eólica ou um parque eólico da turbina eólica. Se a turbina eólica fizer parte de um parque eólico maior, uma respectiva turbina eólica pode ainda fornecer energia elétrica a outra turbina eólica do respectivo parque eólico, por exemplo, a uma turbina eólica totalmente congelada e, portanto, não operável.

[0023] Além disso, é divulgado que o método compreende: determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de potência de modo que energia elétrica suficiente seja gerada para operar a turbina eólica e/ou o parque eólico sem extração de energia da rede enquanto operar o dispositivo de mitigação de gelo a uma potência máxima de aquecimento e/ou ao operar pelo menos mais um dispositivo de mitigação de gelo de pelo menos uma outra turbina eólica do parque eólico a uma potência máxima de aquecimento. Com isso, consegue-se que as cargas sejam reduzidas ao mínimo, minimizando o recebimento de energia externa da rede de energia e, assim, reduzindo os custos de mitigação de gelo.

[0024] De acordo com uma forma de realização do método, declarar o status da pá do rotor como “formação de gelo iminente” inclui determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de potência de modo que o rotor seja girado com uma velocidade rotacional reduzida máxima, gerando assim uma potência elétrica máxima enquanto uma geração de gelo na superfície da pá do rotor é evitada e, em particular, durante a operação do dispositivo de mitigação de gelo em uma potência máxima de aquecimento.

[0025] No entanto, se a formação de gelo for detectada e um efeito de tal formação de gelo nas cargas da turbina eólica for aceitável e/ou a formação de gelo causar cargas adicionais que não excedem um limite de carga predeterminado, o método inclui determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de potência de modo que o rotor seja girado com uma velocidade de rotação reduzida máxima. Com isso, uma quantidade máxima de energia elétrica ainda é gerada enquanto a formação de gelo iminente é evitada e/ou enquanto a remoção térmica da formação de gelo está ocorrendo e, em particular, durante a operação do dispositivo de mitigação de gelo em uma potência máxima de aquecimento.

[0026] Portanto, em particular, se for detectado gelo, um efeito sinérgico da presente invenção pode ser observado: a redução da velocidade de rotação e/ou da quantidade de redução de potência tem efeitos amplificadores na eficiência do processo de mitigação de gelo e na redução de cargas causadas por formação de gelo.

[0027] Em outra forma de realização, o método compreende determinar uma temperatura da pá do rotor, em particular uma temperatura da superfície da superfície da pá do rotor, e determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de potência de modo que um gradiente de temperatura da temperatura exceda um limiar de gradiente de temperatura, em particular em que o limiar de gradiente de temperatura exceda 0 °C/min, de preferência exceda 1,1 °C/min. De acordo com certas formas de realização, o limite de gradiente de temperatura pode exceder até 10 °C/min. Independentemente disso, de acordo com uma forma de realização alternativa, o limite do gradiente de temperatura é inferior a 10 °C/min, preferencialmente é inferior a 5 °C/min.

[0028] Alternativamente ou adicionalmente, a quantidade de redução rotacional e/ou a determinação da quantidade de redução de potência é determinada de modo que a temperatura da superfície exceda um limiar de temperatura de superfície, em particular em que o limiar de temperatura exceda 0 °C, preferencialmente exceda 3 °C e/ou em particular em que o limiar de temperatura seja inferior a 10 °C, preferencialmente seja inferior a 5 °C, e/ou que uma dissipação de energia térmica da pá do rotor em um ambiente da turbina eólica não exceda um limiar de fluxo de calor. No caso deste último, o limiar de fluxo de calor pode ser determinado de acordo com um fluxo de calor máximo de entrada na pá do rotor, em que o fluxo de calor máximo de entrada pode ser causado pelo aquecimento da pá do rotor operando o sistema de mitigação de gelo, por radiação solar, e/ou por ar quente sendo soprado do cubo na pá do rotor.

[0029] De acordo com um aspecto específico da invenção, o método compreende a determinação de uma temperatura da pá do rotor, em particular uma temperatura da superfície da pá do rotor. A referida determinaçãopode ser conseguida medindo uma temperatura da pá do rotor, em particular medindo a temperatura da superfície da pá do rotor com a ajuda de um sensor.

[0030] Adicionalmente ou alternativamente, a determinação da temperatura ou da temperatura da superfície da pá do rotor pode ser obtida por estimativa. Tal estimativa de uma temperatura pode ser realizada pelo menos com base em uma temperatura ambiente, uma velocidade do vento, a velocidade de rotação, um ângulo de inclinação da pá do rotor, uma velocidade relativa do vento da pá do rotor, uma umidade do ar, uma entrada de calor ambiental e/ou com base em uma temperatura do ar interno dentro de um volume interno da pá do rotor e/ou em particular usando um modelo da temperatura da superfície e/ou uma tabela de consulta. A aplicação de uma estimativa pode ser incluída na etapa de detecção de uma condição de formação de gelo, em que uma condição de formação de gelo é detectada se uma geração de gelo na superfície da pá do rotor for iminente e/ou indicar a presença de gelo na superfície da pá do rotor.

[0031] De acordo com uma forma de realização, a pá do rotor compreende uma pluralidade de sensores de temperatura posicionados em diferentes locais da pá do rotor. Por isso, uma pluralidade de temperaturas medidas ou temperaturas de superfície da pá do rotor estão disponíveis para otimizar a precisão da decisão operacional sobre a operação da turbina eólica no modo de formação de gelo com potência reduzida. Por exemplo, a etapa de determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de energia usa pelo menos ou exclusivamente um valor mais baixo da pluralidade de temperaturas de superfície medidas. Isso resulta em ser capaz de identificar uma situação operacional crítica com a maior brevidade possível, mesmo que uma pluralidade de temperaturas medidas indique incorretamente uma situação crítica que a formação de gelo está presente ou iminente.

[0032] De acordo com uma forma de realização, o método compreende a etapa de entrar em um modo de desligamento se for detectada formação de gelo severa na pá do rotor. O termo “formação de gelo severa” representa uma situação de formação de gelo, em que a formação de gelo leva a um aumento inaceitável de cargas, assim, em que as cargas causadas pela formação de gelo estão excedendo um limiar de carga predeterminado. Opcionalmente, o modo de desligamento pode incluir parar totalmente a rotação da turbina eólica ou ativar um modo de marcha lenta da turbina eólica.

[0033] Em outro aspecto, a presente invenção é direcionada a uma turbina eólica compreendendo um rotor tendo pelo menos uma pá do rotor com uma superfície de pá do rotor, um dispositivo de detecção de formação de gelo para detectar uma condição de formação de gelo para a pá do rotor e/ou para detectar formação de gelo na pá do rotor. Adicionalmente ou alternativamente, a turbina eólica compreende um controlador, em que o controlador é configurado para controlar uma velocidade de rotação do rotor. O dispositivo de detecção de formação de gelo e o controlador podem ser integrados em um único dispositivo de controle, por exemplo, em um controlador principal da turbina eólica, de modo que o controlador seja configurado para controlar uma velocidade de rotação da turbina eólica e para detectar uma condição de formação de gelo para a pá do rotor e/ou gelo estar presente na pá do rotor. Em alternativa, o dispositivo de detecção de formação de gelo pode ser um dispositivo separado especificamente direcionado para analisar dados representativos da operação da turbina eólica para determinar se uma condição de formação de gelo ou um congelamento em uma pá do rotor está presente. O controlador ou o dispositivo de detecção de formação de gelo está configurado para monitorar se uma condição de formação de gelo para a pá do rotor ou gelo na pá do rotor está presente, em que a turbina eólica é operada ainda de acordo com um modo de formação de gelo com limitação de potência tendo velocidade de rotação reduzida se uma condição de formação de gelo ou um congelamento na pá do rotor é detectada.

[0034] De acordo com uma forma de realização, a turbina eólica compreende um dispositivo de mitigação de gelo para fornecer um fluxo de calor de degelo para a pá do rotor, em particular para a superfície da pá do rotor da pá do rotor. Se uma condição de formação de gelo ou um congelamento na pá do rotor for detectada, o dispositivo de mitigação de gelo é ativado.

[0035] Em particular, o dispositivo de mitigação de gelo compreende um sistema de aquecimento direto para gerar energia térmica diretamente em um revestimento de pá do rotor da superfície de pá do rotor e/ou um sistema de ar quente para aumentar uma temperatura interna em um volume interno da pá do rotor.

[0036] De acordo com uma forma de realização, a turbina eólica compreende pelo menos um sensor de temperatura posicionado com a pá do rotor para medir uma temperatura da pá do rotor, em particular para medir uma temperatura da superfície da superfície da pá do rotor.

[0037] Além disso, o dispositivo de detecção de formação de gelo e/ou o controlador é/são configurado(s) para conduzir qualquer etapa das formas de realização descritas anteriormente de métodos para controlar a turbina eólica.

[0038] Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão ainda apoiadas e descritas com referência à seguinte descrição e reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados e fazem 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

[0039] Uma divulgação completa e facilitadora da presente invenção, incluindo o melhor modo da mesma, direcionada 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 de acordo com a presente invenção;
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, ilustrando particularmente a nacela durante a operação padrão;
A Figura 3 reflete uma forma de realização de um método para operar a turbina eólica de acordo com a Figura 1; e
A Figura 4 indica esquematicamente uma estratégia de controle exemplar aplicada no método de acordo com a Figura 3.

[0040] As características individuais representadas nas figuras são mostradas relativamente umas às outras e, portanto, não estão necessariamente em escala. Elementos semelhantes ou iguais nas figuras, mesmo que exibidos em diferentes formas de realização, são representados com os mesmos números de referência

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[0041] Agora será feita referência em detalhes às formas de realização da invenção, um ou mais exemplos dos quais estão ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido como explicação da invenção, não como limitação da invenção. De fato, será evidente para os técnicos no assunto que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo ou espírito da invenção. Por exemplo, as características ilustradas ou descritas como parte de uma forma de realização podem ser usadas com outra forma de realização para produzir ainda outra forma de realização. Assim, pretende-se que a presente invenção abranja tais modificações e variações que estejam dentro do escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.

[0042] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um exemplo de turbina eólica (10). No exemplo de forma de realização, a turbina eólica (10) é uma turbina eólica de eixo horizontal. Alternativamente, a turbina eólica (10) pode ser uma turbina eólica de eixo vertical. No exemplo de forma de realização, a turbina eólica (10) inclui uma torre (12) que se estende a partir de um sistema de suporte (14), uma nacela (16) montada na torre (12) e um rotor (18) que é acoplado à nacela (16). O rotor (18) inclui um cubo giratório (20) e em pelo menos uma pá do rotor (100) acoplada e estendendo-se para fora do cubo (20). No exemplo de forma de realização, o rotor (18) tem três pás de rotor (100). Em uma forma de realização alternativa, o rotor inclui mais ou menos de três pás de rotor. No exemplo de forma de realização, a torre (12) é fabricada em aço tubular para definir uma cavidade (não mostrada na Figura 1) entre um sistema de suporte (14) e a nacela (16). Em uma forma de realização alternativa, a torre (12) é qualquer tipo adequado de torre tendo qualquer altura adequada.

[0043] As pás do rotor (100) são espaçadas em torno do cubo (20) para facilitar a rotação do rotor (18) para permitir que a energia cinética seja transferida do vento para energia mecânica utilizável e, posteriormente, energia elétrica. As pás do rotor (100) são acopladas ao cubo (20) acoplando uma porção de raiz da pá (24) ao cubo (20) em uma pluralidade de regiões de transferência de carga (26). As regiões de transferência de carga (26) podem ter uma região de transferência de carga do cubo e uma região de transferência de carga da pá (ambas não mostradas na Figura 1). As cargas induzidas nas pás do rotor (100) são transferidas para o cubo (20) através das regiões de transferência de carga (26).

[0044] Em uma forma de realização, as pás do rotor (100) têm um comprimento que varia de cerca de 15 metros (m) a cerca de 91 m. Alternativamente, as pás do rotor (100) podem ter qualquer comprimento adequado que permita que a turbina eólica (10) funcione conforme descrito neste documento. Por exemplo, outros exemplos não limitativos de comprimentos de lâmina incluem 20 m ou menos, 37 m, 48,7 m, 50,2 m, 52,2 m ou um comprimento maior que 91 m. À medida que o vento atinge as pás do rotor (100) a partir de uma direção do vento (28), o rotor (18) é girado em torno de um eixo de rotação (30). À medida que as pás do rotor (100) são giradas e submetidas a forças centrífugas, as pás do rotor (100) também são submetidas a várias forças e momentos. Como tal, as pás do rotor (100) podem desviar e/ou girar de uma posição neutra ou não desviada para uma posição desviada.

[0045] A pá do rotor (100) se estende em uma direção longitudinal (102) e compreende uma superfície de pá do rotor (104), em que a referida superfície de pá do rotor (104) pode ser uma superfície de pressão da pá do rotor (100), uma superfície de sucção da pá do rotor (100), uma superfície de borda de ataque da pá do rotor (100), ou uma superfície de uma borda de fuga da pá do rotor (100). Além disso, a pá do rotor (100) inclui um dispositivo de mitigação de gelo (106) para fornecer energia térmica à superfície da pá do rotor (104) para evitar uma geração de gelo na superfície da pá do rotor (104) (formação de gelo) e/ou para remover gelo da superfície da pá do rotor (104) derretendo pelo menos parcialmente o referido gelo e reduzindo assim uma adesão de gelo à superfície da pá do rotor (104).

[0046] Por exemplo, o dispositivo de mitigação de gelo (106) compreende um sistema de aquecimento direto para gerar energia térmica diretamente em um revestimento de pá do rotor da superfície de pá do rotor e/ou um sistema de ar quente para aumentar uma temperatura interna em um volume interno da pá do rotor. De acordo com uma forma de realização, o dispositivo de mitigação de gelo (106) compreende tiras de aquecimento ou tapetes de aquecimento que estão dispostos dentro de um invólucro da pá do rotor (100) ou em uma superfície interna de um invólucro da pá do rotor (100).

[0047] A turbina eólica (10) compreende ainda um dispositivo de detecção de gelo configurado para detectar uma condição de formação de gelo para a pá do rotor (100) ou para detectar formação de gelo na pá do rotor (100).

[0048] Além disso, um ângulo de inclinação das pás do rotor (100), ou seja, um ângulo que determina uma perspectiva das pás do rotor (100) em relação à direção do vento, pode ser alterado por um sistema de inclinação (32) para controlar a carga e a energia gerada pela turbina eólica (10) ajustando uma posição angular de pelo menos uma pá do rotor (100) em relação aos vetores de vento. Os eixos de inclinação (34) das pás do rotor (100) são mostrados. Durante a operação da turbina eólica (10), o sistema de inclinação (32) pode alterar um ângulo de inclinação das pás do rotor (100) de modo que as pás do rotor (100) sejam movidas para uma posição de penas (feathered position), de modo que a perspectiva de pelo menos uma pá do rotor (100) em relação aos vetores de vento fornece uma área de superfície mínima da pá do rotor (100) a ser orientada em direção aos vetores de vento, o que facilita a redução de uma velocidade de rotação e/ou facilita uma parada do rotor (18).

[0049] No exemplo de forma de realização, uma inclinação de pá de cada pá do rotor (100) é controlada individualmente por um controlador de turbina eólica (36) ou por um sistema de controle de inclinação (80). Alternativamente, a inclinação de pá para todas as pás de rotor (100) pode ser controlada simultaneamente pelos referidos sistemas de controle.

[0050] Além disso, no exemplo de forma de realização, à medida que a direção do vento (28) muda, uma direção de orientação da nacela (16) pode ser girada em torno de um eixo de orientação (38) para posicionar as pás do rotor (100) em relação à direção do vento (28).

[0051] No exemplo de forma de realização, o controlador de turbina eólica (36) é mostrado como sendo centralizado dentro da nacela (16), no entanto, o controlador de turbina eólica (36) pode ser um sistema distribuído em toda a turbina eólica (10), no sistema de suporte (14), dentro de um parque eólico e/ou em um centro de controle remoto. O controlador de turbina eólica (36) inclui um processador (40) configurado para realizar os métodos e/ou etapas aqui descritos. De acordo com uma forma de realização, o controlador de turbina eólica (36) inclui o dispositivo de detecção de formação de gelo para detectar uma condição de formação de gelo ou um congelamento na pá do rotor (100).

[0052] Além disso, muitos dos outros componentes descritos neste documento incluem um processador. Conforme usado neste documento, o termo “processador” não se limita a circuitos integrados referidos na técnica como um computador, mas refere-se amplamente a um controlador, um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um circuito integrado específico de aplicativo, e outros circuitos programáveis, e esses termos são usados aqui de forma intercambiável. Deve ser entendido que um processador e/ou um sistema de controle também pode incluir memória, canais de entrada e/ou canais de saída.

[0053] A Figura 2 é uma vista em corte ampliada de uma porção da turbina eólica (10). No exemplo de forma de realização, a turbina eólica (10) inclui a nacela (16) e o rotor (18) que é acoplado rotativamente à nacela (16). Mais especificamente, o cubo (20) do rotor (18) é acoplado rotativamente a um gerador elétrico (42) posicionado dentro da nacela (16) pelo eixo principal (44), uma caixa de engrenagens (46), um eixo de alta velocidade (48) e um acoplamento (50). No exemplo de forma de realização, o eixo principal (44) está disposto pelo menos parcialmente coaxial a um eixo longitudinal (não mostrado) da nacela (16). Uma rotação do eixo principal (44) aciona a caixa de engrenagens (46) que subsequentemente aciona o eixo de alta velocidade (48) transladando o movimento de rotação relativamente lento do rotor (18) e do eixo principal (44) em um movimento de rotação relativamente rápido do eixo de alta velocidade (48). Este último é conectado ao gerador (42) para gerar energia elétrica com a ajuda de um acoplamento (50).

[0054] A caixa de engrenagens (46) e o gerador (42) podem ser suportados por uma estrutura de suporte principal da nacela (16), opcionalmente incorporada como uma estrutura principal (52). A caixa de engrenagens (46) pode incluir uma caixa de engrenagens que é conectada à estrutura principal (52) por um ou mais braços de torque (103). No exemplo de forma de realização, a nacela (16) também inclui um rolamento de suporte dianteiro principal (60) e um rolamento de suporte traseiro principal (62). Além disso, o gerador (42) pode ser montado na estrutura principal (52) desacoplando meios de suporte (54), em particular para evitar que vibrações do gerador (42) sejam introduzidas na estrutura principal (52) e, assim, causando uma fonte de emissão de ruído.

[0055] De preferência, a estrutura principal (52) é configurada para transportar toda a carga causada pelo peso do rotor (18) e componentes da nacela (16) e pelas cargas de vento e rotacionais e, além disso, para introduzir essas cargas na torre (12) da turbina eólica. (10). O eixo do rotor (44), gerador (42), caixa de engrenagens (46), eixo de alta velocidade (48), acoplamento (50) e qualquer dispositivo de fixação, suporte e/ou fixação associado, incluindo, mas não limitado a, suporte (52) e rolamento de suporte dianteiro (60) e rolamento de suporte traseiro (62), às vezes são referidos como um trem de acionamento (64).

[0056] A nacela (16) também pode incluir um mecanismo de acionamento de orientação (56) que pode ser usado para girar a nacela (16) e, assim, também o rotor (18) em torno do eixo de orientação (38) para controlar a perspectiva das pás do rotor (100) em relação à direção do vento (28).

[0057] Para posicionar a nacela apropriadamente em relação à direção do vento (28), a nacela (16) também pode incluir pelo menos um mastro meteorológico (58) que pode incluir um cata-vento e anemômetro (nenhum mostrado na Figura 2). O mastro (58) fornece informações ao controlador de turbina eólica (36) que pode incluir direção do vento e/ou velocidade do vento.

[0058] No exemplo de forma de realização, o sistema de inclinação (32) é pelo menos parcialmente disposto como um conjunto de inclinação (66) no cubo (20). O conjunto de inclinação (66) inclui um ou mais sistemas de acionamento de inclinação (68) e pelo menos um sensor (70). Cada sistema de acionamento de inclinação (68) é acoplado a uma respectiva pá do rotor (100) (mostrada na Figura 1) para modular o ângulo de inclinação de uma pá do rotor (100) ao longo do eixo de inclinação (34). Apenas um dos três sistemas de acionamento de inclinação (68) é mostrado na Figura 2.

[0059] No exemplo de forma de realização, o conjunto de inclinação (66) inclui pelo menos um rolamento de inclinação (72) acoplado ao cubo (20) e a uma respectiva pá do rotor (100) (mostrada na Figura 1) para girar a respectiva pá do rotor (100) em torno do eixo de inclinação (34). O sistema de acionamento de inclinação (68) inclui um motor de acionamento de inclinação (74), uma caixa de engrenagens de acionamento de inclinação (76) e um pinhão de acionamento de inclinação (78). O motor de acionamento de inclinação (74) é acoplado à caixa de engrenagens de acionamento de inclinação (76) de tal modo que o motor de acionamento de inclinação (74) transmite força mecânica para a caixa de engrenagens de acionamento de inclinação (76). A caixa de engrenagens de acionamento de inclinação (76) é acoplada ao pinhão de acionamento de inclinação (78) de modo que o pinhão de acionamento de inclinação (78) seja girado pela caixa de engrenagens de acionamento de inclinação (76). O rolamento de inclinação (72) é acoplado ao pinhão de acionamento de inclinação (78) de modo que a rotação do pinhão de acionamento de inclinação (78) causa uma rotação do rolamento de inclinação (72).

[0060] O sistema de acionamento de inclinação (68) é acoplado ao controlador de turbina eólica (36) para ajustar o ângulo de inclinação de uma pá do rotor (100) mediante recebimento de um ou mais sinais do controlador de turbina eólica (36). No exemplo de forma de realização, o motor de acionamento de inclinação (74) é qualquer motor adequado acionado por energia elétrica e/ou um sistema hidráulico que permite que o conjunto de inclinação (66) funcione como descrito neste documento. Alternativamente, o conjunto de inclinação (66) pode incluir qualquer estrutura, configuração, disposição e/ou componentes adequados, tais como, mas não limitados a, cilindros hidráulicos, molas e/ou servomecanismos. Em certas formas de realização, o motor de acionamento de inclinação (74) é acionado por energia extraída de uma inércia rotacional do cubo (20) e/ou uma fonte de energia armazenada (não mostrada) que fornece energia aos componentes da turbina eólica (10).

[0061] O conjunto de inclinação (66) também inclui um ou mais sistemas de controle de inclinação (80) para controlar o sistema de acionamento de inclinação (68) de acordo com os sinais de controle do controlador de turbina eólica (36), no caso de situações priorizadas específicas e/ou durante a sobrevelocidade do rotor (18). No exemplo de forma de realização, o conjunto de inclinação (66) inclui pelo menos um sistema de controle de inclinação (80) acoplado comunicativamente a um respectivo sistema de acionamento de inclinação (68) para controlar o sistema de acionamento de inclinação (68) independentemente do controlador de turbina eólica (36). No exemplo de forma de realização, o sistema de controle de inclinação (80) é acoplado ao sistema de acionamento de inclinação (68) e a um sensor (70). Durante a operação padrão da turbina eólica (10), o controlador de turbina eólica (36) controla o sistema de acionamento de inclinação (68) para ajustar um ângulo de inclinação das pás do rotor (100).

[0062] Em uma forma de realização, em particular quando o rotor (18) opera em velocidade excessiva do rotor, o sistema de controle de inclinação (80) se sobrepõe ao controlador de turbina eólica (36), de modo que o controlador de turbina eólica (36) não controla mais o sistema de controle de inclinação (80) e o sistema de acionamento de inclinação (68). Assim, o sistema de controle de inclinação (80) é capaz de fazer com que o sistema de acionamento de inclinação (68) mova a pá do rotor (100) para uma posição de penas para reduzir a velocidade de rotação do rotor (18).

[0063] De acordo com uma forma de realização, um gerador de energia (84), por exemplo, compreendendo uma bateria e/ou capacitores elétricos, está disposto no ou dentro do cubo (20) e é acoplado ao sensor (70), ao sistema de controle de inclinação (80) e ao sistema de acionamento de inclinação (68) para fornecer uma fonte de energia para esses componentes. No exemplo de forma de realização, o gerador de energia (84) fornece uma fonte contínua de energia para o conjunto de inclinação (66) durante a operação da turbina eólica (10). Em uma forma de realização alternativa, o gerador de energia (84) fornece energia para o conjunto de inclinação (66) apenas durante um evento de perda de energia elétrica da turbina eólica (10). O evento de perda de energia elétrica pode incluir perda ou queda da rede elétrica, mau funcionamento de um sistema elétrico da turbina eólica (10) e/ou falha do controlador da turbina eólica (36). Durante o evento de perda de energia elétrica, o gerador de energia (84) opera para fornecer energia elétrica ao conjunto de inclinação (66) de modo que o conjunto de inclinação (66) possa operar durante o evento de perda de energia elétrica.

[0064] No exemplo de forma de realização, o sistema de acionamento de inclinação (68), o sensor (70), o sistema de controle de inclinação (80), cabos e o gerador de energia (84) estão cada um posicionado em uma cavidade (86) definida por uma superfície interna (88) do cubo (20). Em uma forma de realização alternativa, os referidos componentes são posicionados em relação a uma superfície externa (90) do cubo (20) e podem ser acoplados, direta ou indiretamente, à superfície externa (90).

[0065] A Figura 3 mostra um exemplo de uma forma de realização de um método para operar a turbina eólica de acordo com a presente invenção, em que a Figura 4 representa um princípio de funcionamento da presente invenção.

[0066] De acordo com a Figura 3, os dados operacionais são coletados na etapa (200) monitorando uma operação da turbina eólica (10). Inicialmente, a turbina eólica é operada em um modo padrão de acordo com um padrão operacional geral. Por exemplo, se a velocidade do vento atingir pelo menos a velocidade do vento nominal, a turbina eólica (10) é operada na potência nominal. O monitoramento (200) pode incluir uma etapa (216) de determinação de uma temperatura de pá da pá do rotor (100). Em particular, a etapa (216) pode compreender a determinação de uma temperatura de superfície da superfície de pá do rotor (104).

[0067] Na etapa (202), é detectado através do dispositivo de detecção de formação de gelo e/ou através do controlador de turbina eólica (36) se uma condição de formação de gelo está presente ou se gelo se desenvolveu na pá do rotor (100), em particular na superfície da pá do rotor (104). No caso da condição de formação de gelo ser confirmada pelo dispositivo de detecção de formação de gelo, um dispositivo de mitigação de gelo (106) pode ser ativado na etapa (206). Este dispositivo de mitigação de gelo (106) é configurado para fornecer um fluxo de calor de degelo para a superfície da pá do rotor (104), por exemplo, ativando elementos de aquecimento sendo dispostos em um invólucro da pá do rotor (100) ou soprando ar quente para o interior da pá do rotor (100). Geralmente, o dispositivo de mitigação de gelo (106) é configurado para aquecer a superfície da pá do rotor (104) da pá do rotor (100), assim, a condição de formação de gelo é eliminada e/ou o gelo, que já está presente na superfície da pá do rotor (104), é pelo menos parcialmente derretido e subsequentemente se desprende da superfície da pá do rotor (104).

[0068] Em uma etapa (222), o controlador de turbina eólica (36) e/ou o dispositivo de detecção de gelo podem conduzir um procedimento para verificar se a formação de gelo severo está presente na pá do rotor (100). Se a formação de gelo severo (222) estiver presente, uma situação de formação de gelo específica é detectada na qual a formação de gelo conduz a um aumento inaceitável de cargas para a turbina eólica (10), para o rotor (18) e/ou para a pá do rotor (100). Nesse caso, uma etapa de desligamento (218) para desligar a turbina eólica (10) é iniciada, em que a rotação do rotor (18) pode ser totalmente parada ou em que o rotor (18) é colocado em modo de marcha lenta movendo a pá do rotor (100) em uma posição de pena.

[0069] Na etapa (204), um modo de formação de gelo com redução de potência é ativado. De acordo com o modo de formação de gelo com redução de potência, o rotor (18) da turbina eólica (10) é operado com uma velocidade de rotação reduzida em comparação com o modo operacional padrão, no qual a turbina eólica foi operada antes de mudar para o modo de formação de gelo com redução de potência. Ao reduzir a velocidade de rotação do rotor (18), uma velocidade relativa do vento da pá do rotor (100) é reduzida.

[0070] A Figura 4 descreve o efeito da redução da velocidade de rotação do rotor (18) no degelo da pá do rotor (100), enquanto assume uma condição ambiental específica. A dissipação de energia térmica da pá do rotor (100) no ar circundante e de passagem aumenta com a velocidade relativa do vento. Assim, a uma certa velocidade de rotação, embora assumindo condições ambientais constantes, uma capacidade máxima de aquecimento (226) do dispositivo de mitigação de gelo (106) é ultrapassada. Isso leva a um resfriamento da pá do rotor (100) e da superfície da pá do rotor (104) que subsequentemente pode resultar em uma geração de gelo na superfície da pá do rotor (104). Portanto, a redução da velocidade de rotação do rotor (18) é escolhida de modo que um a geração de gelo na superfície da pá do rotor (104) é evitada e/ou que a condição de formação de gelo detectada não está mais presente.

[0071] Por exemplo, na Figura 4 a turbina eólica (10) é operada inicialmente em um modo operacional padrão com uma velocidade de rotação padrão (224). Assim, a velocidade do vento voltada para a turbina eólica (10) facilita que o rotor (18) gire mais rápido do que uma velocidade de rotação de arranque (cut-in rotational speed) (228) e mais lenta do que uma velocidade de rotação crítica (cut-out rotational speed) (230) da turbina eólica (10). A turbina eólica (10) pode ser operada na potência nominal incluindo uma velocidade de rotação nominal ao girar com a velocidade de rotação padrão (224). Independentemente disso, a velocidade de rotação padrão (224) também pode representar uma velocidade de rotação abaixo da velocidade de rotação nominal.

[0072] De acordo com o exemplo da Figura 4, uma condição de formação de gelo é detectada durante a operação da turbina eólica (10) de acordo com um modo operacional padrão com a velocidade de rotação padrão (224). Além disso, é detectado que a dissipação de energia térmica da pá do rotor (100) excede a capacidade máxima de aquecimento (226) do dispositivo de mitigação de gelo (106) quando o rotor (18) é girado com velocidade de rotação padrão (224)

[0073] De acordo com o exemplo específico, mas não limitado a ele, um status “formação de gelo iminente” é declarado na etapa (210). Consequentemente, não foi confirmado que o gelo já foi gerado na superfície da pá do rotor (104) ou qualquer gelo já presente na superfície da pá do rotor (104) não é considerado crítico para qualquer carga de turbina eólica. Por essa razão, na etapa (214) a velocidade de rotação desejada do rotor (18) é determinada de modo que a dissipação de energia térmica da pá do rotor (100) caia logo abaixo (ou igual) a capacidade máxima de aquecimento (226) para evitar que gelo seja gerado na superfície da pá do rotor (104) ou para que o gelo já gerado seja removido por derretimento de uma camada adesiva entre o gelo e a superfície da pá do rotor (104). Assim, de acordo com este tipo de modo de formação de gelo com redução de potência, é decidido na etapa (214) otimizar a geração de energia da turbina eólica (10).

[0074] Em contraste com a etapa (210), também pode ser detectado que o gelo já foi gerado na superfície da pá do rotor e um status “formação de gelo confirmada” é declarado. Em particular, é determinado que o gelo na superfície da pá do rotor (104) tem um impacto não desprezível na situação de carga da turbina eólica (10). Por esse motivo, a redução da velocidade de rotação do rotor (18) de acordo com a etapa (212) também é baseada em um efeito de redução de carga desejado, portanto, a redução da velocidade de rotação do rotor (18) é maior do que a redução da velocidade de rotação na etapa (214). Se necessário, a velocidade de rotação do rotor (18) é reduzida na etapa (212), de modo que a energia gerada pela turbina eólica é totalmente consumida pelo dispositivo de mitigação de gelo (106) e por outros componentes da turbina eólica (10), enquanto nenhuma energia elétrica é fornecida à rede elétrica à qual a turbina eólica (10) está conectada.

[0075] A etapa (212) e a etapa (214), respectivamente, as situações operacionais (208) “formação de gelo confirmada” e (210) “formação de gelo iminente”, refletem situações operacionais extremas em que a geração de energia é maximizada ou as cargas causadas pela formação de gelo são minimizadas enquanto se mantém a operação. Portanto, também deve ser divulgado que há uma variedade de situações operacionais intermediárias entre a situação (208) “formação de gelo confirmada” e a situação (210) “formação de gelo iminente”, em que a velocidade de rotação e possivelmente outros detalhes operacionais da turbina eólica (10) são cuidadosamente escolhidos para otimizar a operação da turbina eólica (10) para a situação específica.

[0076] Além disso, a respectiva determinação da velocidade de rotação e/ou da energia gerada da turbina eólica (10) pode ser alcançada de maneira iterativa, em que uma certa velocidade de rotação/energia gerada desejada é determinada e um efeito subsequente na condição de formação de gelo, em um gradiente de temperatura, ou em uma temperatura da pá do rotor (100) ou da superfície da pá do rotor (104) é observada e, consequentemente, uma nova velocidade de rotação desejada pode ser determinada. Por exemplo, a quantidade de redução rotacional e/ou determinação da quantidade de redução de energia é realizada de modo que um gradiente de temperatura da temperatura da pá do rotor (100) ou da superfície da pá do rotor (104) exceda um limiar de gradiente de temperatura específico, por exemplo, em que o limiar de gradiente de temperatura excede 0 °C/min, de preferência excede 1,1 °C/min, e/ou em que o limiar de gradiente de temperatura é inferior a 3 °C/min, de preferência é inferior a 2 °C/min. Adicionalmente ou alternativamente, a temperatura da pá do rotor (100) ou a temperatura da superfície da pá do rotor (104) pode ser usada como um fator de entrada para determinar a redução na velocidade de rotação e/ou da energia gerada. Por exemplo, a redução da velocidade de rotação do rotor (18) é determinada de tal modo que a temperatura excede um limiar de temperatura, em particular em que o limiar de temperatura excede 0 °C, de preferência excede 1 °C e/ou em particular em que o limiar de temperatura está abaixo de 5 °C, preferencialmente é inferior a 3 °C. Além disso, adicionalmente ou alternativamente, a redução da velocidade de rotação do rotor (18) é determinada de modo que uma dissipação de energia térmica da pá do rotor (100) em um ambiente da turbina eólica (10) não excede uma capacidade máxima de aquecimento (226) do dispositivo de mitigação de gelo (106).

[0077] Quando é determinado na etapa (220) que a turbina eólica (10) pode ser operada na operação padrão (200) sem a ameaça de que uma condição de formação de gelo seja detectada repetidamente, o modo de formação de gelo com redução de potência é encerrado e a turbina eólica (10) continua a operar de acordo com um modo operacional padrão.

[0078] A ordem das etapas exemplificada na Figura 3 não deve limitar o método reivindicado para operar uma turbina eólica, por exemplo, a etapa (222) para verificar se a formação de gelo severo está presente também pode ser conduzida antes da etapa (206) ou mesmo após a etapa (204), ou em qualquer outra posição estratégica razoável. O mesmo se aplica para a etapa (206) de ativação do sistema de mitigação de gelo (106), em que esta etapa (206) também pode ser posicionada oportuna e/ou hierarquicamente de maneira atraente. Além disso, uma forma de realização pode ser possível, em que a turbina eólica não compreende um sistema de mitigação de gelo, nem a etapa (206) de ativação do dispositivo de mitigação de gelo.

[0079] 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 fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorrem aos técnicos no assunto. Tais outros exemplos devem estar dentro do escopo das reivindicações se incluírem elementos que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

[0080] A presente invenção não está limitada às formas de realização e modificações descritas acima e pode ser incorporada em várias formas dentro da essência da mesma, por exemplo, que a turbina eólica (10) não compreende um dispositivo de mitigação de gelo (106), mas ainda pode implementar o método para operar uma turbina eólica como divulgado. As características técnicas também podem ser omitidas conforme apropriado, a menos que sejam descritas como essenciais neste relatório descritivo.
NÚMEROS DE REFERÊNCIA
10 turbina eólica 100 pá do rotor
12 torre 102 direção longitudinal
14 sistema de suporte 104 superfície da pá do rotor
16 nacela 106 dispositivo de mitigação de gelo
18 rotor 108 sensor de temperatura
20 cubo giratório
24 porção da raiz da lâmina 200 monitorar
26 regiões de transferência de carga 202 detectar uma condição de formação de gelo
28 direção do vento 204 ativar o modo de redução
30 eixo de rotação 206 ativar o sistema de mitigação de gelo
32 sistema de inclinação 208 declarar “formação de gelo confirmada”
34 eixos de inclinação 210 declarar “formação de gelo iminente”
36 controlador da turbina 212 determinar
38 eixo de orientação 214 determinar
40 processador 216 determinar a temperatura da lâmina
42 gerador elétrico 218 ativar o modo de desligamento
44 cabo principal 220 voltar ao funcionamento normal
46 caixa de engrenagens 222 verificar formação de gelo severa
48 eixo de alta velocidade 224 velocidade operacional padrão
50 acoplamento 226 capacidade máxima de aquecimento
52 estrutura principal 228 velocidade de rotação de arranque
54 meios de suporte de desacoplamento 230 velocidade de rotação de crítica
56 mecanismo de acionamento de orientação
58 mastro meteorológico
60 rolamento de suporte dianteiro
62 rolamento de suporte traseiro
64 trem de acionamento
66 montagem de inclinação
68 sistema de acionamento de inclinação
70 sensor
72 rolamento de inclinação
74 motor de acionamento de inclinação
76 caixa de engrenagens de inclinação
78 pinhão de acionamento de inclinação
80 sistema de controle de inclinação
84 gerador de energia
86 cavidade
88 superfície interna
90 superfície externa

Claims

MÉTODO PARA OPERAR UMA TURBINA EÓLICA (10) caracterizado por compreender pelo menos:
- um rotor (18) tendo pelo menos uma pá do rotor (100) com uma superfície de pá do rotor (104); e
- um dispositivo de detecção de formação de gelo configurado para detectar uma condição de formação de gelo para a pá do rotor (100) ou congelamento na pá do rotor (100); em que o método compreende as etapas de:
- monitorar (200), através do dispositivo de detecção de formação de gelo, se uma condição de formação de gelo para a pá do rotor (100) ou congelamento na pá do rotor (100) está presente; e
- se uma condição de formação de gelo ou um congelamento da pá do rotor (100) for detectado (202), operar ainda a turbina eólica (10) de acordo com um modo de formação de gelo com limitação de potência (204) tendo uma velocidade de rotação reduzida do rotor (18).
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma quantidade de redução rotacional da velocidade rotacional durante o modo de formação de gelo com limitação de potência (204) ser determinada de modo que uma geração de gelo na superfície da pá do rotor (104) seja evitada e/ou que gelo na superfície das pás do rotor (104) está se desprendendo.
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo modo de formação de gelo com limitação de potência (204) incluir operar a turbina eólica (10) com uma potência de saída reduzida e em que uma quantidade respectiva de redução de potência do modo de formação de gelo com limitação de potência (204) é determinado de modo que uma geração de gelo na superfície da pá do rotor (104) seja evitada e/ou que o gelo na superfície da pá do rotor (104) seja desprendido.
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela turbina eólica (10) compreender ainda um dispositivo de mitigação de gelo (106) para fornecer um fluxo de calor de degelo para a pá do rotor (100), em que o método compreende:
- ativar o dispositivo de mitigação de gelo (106)
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por uma condição de formação de gelo ser detectada (202)
- se uma análise de dados operacionais, em particular em conjunto com uma tabela de consulta e/ou com um modelo de formação de gelo, indicar que uma geração de gelo na superfície da pá do rotor (104) é iminente e/ou indicar a presença de formação de gelo na superfície da pá do rotor (104).
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender:
- declarar (208) um status de pá do rotor como “formação de gelo confirmada” se a formação de gelo estiver presente na superfície da pá do rotor (104); e/ou
- declarar (210) um status de pá do rotor como “formação de gelo iminente” se nenhuma formação de gelo for detectada, mas enquanto a formação de gelo for iminente.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, se o status da pá do rotor for “formação de gelo confirmada”, caracterizado pelo método compreender:
- determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de potência (212) tal que o rotor (18) é girado com uma velocidade de rotação reduzida mínima gerando assim uma energia elétrica mínima, em que a respectiva energia elétrica mínima gerada é inteiramente fornecida à turbina eólica (10) e/ou, se a turbina eólica (10) estiver disposta em um parque eólico, a uma outra turbina eólica do parque eólico, em particular em que essencialmente nenhuma energia elétrica é transmitida para uma rede elétrica conectada à turbina eólica (10) e/ou ao parque eólico.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender:
- determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de energia de modo que energia elétrica suficiente seja gerada para operar a turbina eólica (10) e/ou o parque eólico sem extração de energia da rede enquanto opera o dispositivo de mitigação de gelo (106 ) a uma potência máxima de aquecimento e/ou durante a operação de pelo menos mais um dispositivo de mitigação de gelo de pelo menos uma outra turbina eólica do parque eólico a uma potência máxima de aquecimento.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, se o status da pá do rotor for “formação de gelo iminente”, caracterizado pelo método compreender:
- determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de potência (212) tal que o rotor (18) é girado com uma velocidade de rotação reduzida máxima gerando assim uma potência elétrica máxima enquanto uma geração de gelo na superfície da pá do rotor (104) é evitada e, em particular, durante a operação do dispositivo de mitigação de gelo (106) em uma saída de potência máxima de aquecimento.
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 9, caracterizado por compreender:
- determinar (216) uma temperatura da pá do rotor (100), em particular uma temperatura da superfície da superfície da pá do rotor (104); e
- determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de potência tal;
- que um gradiente de temperatura da temperatura exceda um limiar de gradiente de temperatura, em particular em que o limiar de gradiente de temperatura exceda 0 °C/min, preferencialmente exceda 1,1 °C/min, e/ou em particular em que o limiar de gradiente de temperatura seja inferior a 3 °C /min, preferencialmente esteja abaixo de 2 °C/min, e/ou
- que a temperatura da superfície exceda um limiar de temperatura de superfície, em particular em que o limiar de temperatura exceda 0 °C, preferencialmente exceda 3 °C e/ou em particular em que o limiar de temperatura seja inferior a 10 °C, preferencialmente seja inferior a 5 °C, e/ou
- que uma dissipação de energia térmica da pá do rotor (100) em um ambiente da turbina eólica (10) não exceda um limiar de fluxo de calor.
MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pela pá do rotor (100) compreender um sensor de temperatura (108) posicionado com a pá do rotor (100), em particular com a superfície da pá do rotor (104), em que determinar (216) uma temperatura do pá do rotor (100), em particular uma temperatura de superfície da pá do rotor (100), compreende:
- medir a temperatura, em particular medir a temperatura da superfície.
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 11, caracterizado por determinar uma temperatura da pá do rotor (100), em particular uma temperatura da superfície (216) da pá do rotor (100), compreender:
- estimar a temperatura, em particular a temperatura da superfície, pelo menos com base em uma temperatura ambiente, uma velocidade do vento, a velocidade de rotação, um ângulo de inclinação da pá do rotor (100), uma velocidade relativa do vento da pá do rotor (100), uma umidade do ar, uma entrada de calor do ambiente e/ou com base em uma temperatura do ar interno dentro de um volume interno da pá do rotor (100), em particular usando um modelo da temperatura da pá do rotor (100) ou de uma temperatura de superfície e/ou uma tabela de consulta.
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado pela pá do rotor (100) compreender uma pluralidade de sensores de temperatura (108) posicionados em diferentes locais da pá do rotor (100), em particular da superfície da pá do rotor (104), fornecendo uma pluralidade de temperaturas medidas, em que a etapa de determinar a quantidade de redução rotacional e/ou determinar a quantidade de redução de energia usa pelo menos ou exclusivamente um valor mais baixo da pluralidade de temperaturas medidas, ou usa pelo menos 50% dos valores medidos com o menor valor.
MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pela turbina eólica (10) ser operada de acordo com um modo de desligamento (218), se for detectado formação de gelo severo da pá do rotor (100).
TURBINA EÓLICA (10), caracterizada por compreender:
- um rotor (18) tendo pelo menos uma pá do rotor (100) com uma superfície de pá do rotor (104); um dispositivo de detecção de formação de gelo configurado para detectar uma condição de formação de gelo para a pá do rotor (100) ou congelamento na superfície da pá do rotor (104); e um controlador de turbina eólica (36) para controlar uma velocidade de rotação do rotor (18);
- em que o controlador de turbina eólica (36) e/ou o dispositivo de detecção de formação de gelo é configurado para conduzir as seguintes etapas:
- monitorar (200), se uma condição de formação de gelo para a pá do rotor (100) está presente; e
- se uma condição de formação de gelo for detectada (202), operar ainda a turbina eólica (10) de acordo com um modo de formação de gelo com limitação de potência (204) tendo uma velocidade de rotação reduzida.