BR102022010559A2 - Turbina eólica com sistema de segurança tendo uma pluralidade de saídas de gás - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a uma turbina eólica (40) compreendendo um gerador (2), uma unidade eletrolítica (3), uma entrada de sistema (4) e uma saída de sistema (5), sendo que a unidade eletrolítica (3) é eletricamente energizada pelo gerador (2) para a produção de hidrogênio (6) a partir da introdução de um fluido (9), em particular água, sendo que o hidrogênio (6) produzido pode ser retirado da turbina eólica (40) através da saída de sistema (5), a dita turbina eólica (40) sendo caracterizada pelo fato de compreender ainda um sistema de segurança (20) controlado por uma unidade de controle configurada para evacuar o hidrogênio (6) da turbina eólica (40) por meio de uma pluralidade de saídas de gás (21) distribuídas ao longo de uma plataforma (45) da turbina eólica (40) e configuradas para liberar o hidrogênio (6) para a atmosfera.

Description

TURBINA EÓLICA COM SISTEMA DE SEGURANÇA TENDO UMA PLURALIDADE DE SAÍDAS DE GÁS

[0001] A presente invenção refere-se a uma turbina eólica compre endendo um sistema de segurança. A presente invenção se refere ainda a um método de operação da dita turbina eólica.

[0002] Turbinas eólicas são cada vez mais usadas para a geração de energia elétrica. Uma turbina eólica tipicamente compreende uma torre e uma nacele montada na torre, à qual um cubo é fixado. Um rotor é montado no cubo e acoplado a um gerador. Uma pluralidade de pás se estende a partir do rotor. As pás são orientadas de tal maneira que o vento que passa pelas pás gire o rotor, deste modo acionando o gera dor. Por conseguinte, a energia rotacional das pás é transferida para o gerador, o qual então converte a energia mecânica em eletricidade e transfere a eletricidade para a rede elétrica.

[0003] As turbinas eólicas são colocadas em locais que provêem grandes quantidades de vento. Esses locais podem estar em locais re¬ motos em terra ou em locais offshore no mar. Para o transporte da ener¬ gia elétrica, a potência criada pelo gerador da turbina eólica vai para uma subestação de transmissão da fazenda eólica, onde a mesma é convertida em alta tensão, geralmente entre 130-765 kV, em uma trans¬ missão de longa distância na rede de transmissão ao longo de linhas de transmissão. A rede de transmissão conecta o local remoto da fazenda eólica para uma estação transformadora da rede elétrica, que trans¬ forma a eletricidade em uma tensão compatível a rede elétrica.

[0004] Um problema das fazendas eólicas remotas é que a distân¬ cia entre a fazenda eólica e a estação transformadora da rede elétrica precisa ser ligada. São requeridas longas linhas de transmissão com custos de instalação muito altos.

[0005] O atual desenvolvimento da tecnologia das turbinas eólicas tende a um aumento do tamanho das turbinas eólicas para a coleta de maiores quantidades de energia eólica, com pás mais longas e torres mais altas. Com o maior tamanho das turbinas eólicas, mais energia é suprida à rede, energia essa que deverá ser transportada da fazenda eólica para o ponto de entrada mais próximo da rede. Essa maior quan¬ tidade de energia transferida ao longo de linhas de transmissão de gran¬ des distâncias resulta em níveis mais altos de exigências para os cabos e custos mais elevados.

[0006] Para reduzir a quantidade de energia transferida pelas linhas de transmissão da rede de transmissão ou evitar totalmente o uso de linhas de transmissão de grandes distâncias, uma unidade eletrolítica poderá ser instalada nas da turbina eólica. Uma turbina eólica compre¬ endendo uma unidade eletrolítica gera energia elétrica por meio do ge¬ rador e hidrogênio da unidade eletrolítica acionada por pelo menos uma parte da potência da turbina eólica.

[0007] Unidades eletrolíticas são unidades movidas a gás configu¬ radas para a produção de hidrogênio. Deste modo, a energia produzida pela turbina eólica poderá ser usada em um processo de eletrólise para a geração de hidrogênio e oxigênio. Esses gases poderão ser usados mais adiante para a geração de energia elétrica em células de combus¬ tível ou para a produção de elementos químicos, tais como amônia ou metano. Os gases produzidos a partir da unidade eletrolítica poderão ser transportados usando uma tubulação ou pressurizando o gás em um contêiner, o que é menos caro que transportar eletricidade diretamente ao longo de linhas de transmissão de grandes distâncias.

[0008] O uso de unidades eletrolíticas em combinação com turbinas eólicas é conhecido da técnica anterior, por exemplo, como descrito no documento de Patente dos Estados Unidos N. de Série 5.592.028 A, no qual uma pluralidade de células eletrolíticas é conectada a uma fazenda eólica e produz hidrogênio por meio da eletricidade produzida pelos ge¬ radores das turbinas eólicas. De maneira similar, a Publicação WO 2020/095012 A1 descreve um sistema de turbina eólica em alto mar (offshore) para a produção de hidrogênio em larga escala, cujo sistema inclui uma estrutura de torre flutuante com uma unidade de dessaliniza- ção e uma unidade eletrolítica.

[0009] Em uma fazenda eólica com uma unidade eletrolítica, poderá surgir uma situação na qual, devido a uma pane na unidade movida a gás, no equipamento de armazenamento de gás ou na turbina eólica em geral, a turbina eólica precisará ser inspecionada por um técnico no sen¬ tido de localizar a origem do problema. Outras situações nas quais o sistema deverá ser inspecionado por um técnico poderão surgir durante serviços regulares de manutenção. Nesses casos, o gás na turbina eó¬ lica ou, em particular, na unidade eletrolítica, terá de ser evacuado da turbina eólica por motivos de segurança de trabalho do técnico.

[0010] A flamabilidade de um hidrogênio gasoso combinado com o potencial de um hidrogênio vazado poder ficar preso no interior da tur¬ bina eólica leva a um risco de um incêndio ou explosão relacionado ao hidrogênio quando a turbina eólica é usada para a produção de hidro¬ gênio. Isso será um risco tanto em termos comerciais como de segu¬ rança, uma vez que o hidrogênio poderá não apenas danificar a própria turbina eólica, como também ser um risco inodoro e de modo geral não detectável por parte do pessoal que esteja trabalhando sem saber em um ambiente explosivo. Portanto, os vazamentos de hidrogênio mistu¬ rado com oxigênio no ar poderão resultar em uma mistura inflamável e uma pequena faísca nos equipamentos elétricos poderá resultar em uma explosão.

[0011] É um objetivo da presente invenção prover uma turbina eó¬ lica com um sistema de segurança que reduza os riscos associados à produção de hidrogênio, em particular quando técnicos estão traba¬ lhando no local.

[0012] Esse objetivo é alcançado por uma turbina eólica de acordo com a reivindicação 1 e por um método de operação da turbina eólica de acordo com a reivindicação 12.

[0013] De acordo com a presente invenção, uma turbina eólica com¬ preende um gerador, uma unidade eletrolítica, uma entrada de sistema, e uma saída de sistema, sendo que a unidade eletrolítica é eletrica¬ mente energizada pelo gerador para a produção de hidrogênio a partir da introdução de um fluido, em particular água, sendo que o hidrogênio produzido poderá ser retirado da turbina eólica através da saída de sis¬ tema.

[0014] Desta forma, o gerador gera energia elétrica e supre a uni¬ dade eletrolítica com pelo menos uma parte da potência gerada, uma vez que ambos os componentes se encontram eletricamente acoplados.

[0015] Devido à flutuação da geração de energia, dependendo, por exemplo, de condições climáticas e de níveis de vento, torna-se difícil prever a saída de energia de uma turbina eólica em alto mar para a rede de energia elétrica ou para um dispositivo de armazenamento de ener¬ gia. Ao se usar uma parte da energia produzida pelo gerador para a produção de hidrogênio, essas flutuações poderão ser mitigadas. O hi¬ drogênio poderá ser retirado da turbina eólica por uma saída de sistema acoplada à saída da unidade eletrolítica.

[0016] Sendo assim, pelo menos uma parte da energia produzida pelo gerador poderá ser usada para alimentar uma unidade eletrolítica, de tal modo que a rede de energia elétrica não sofra sobrecargas pro¬ vocadas por picos de geração de energia na instalação de geração de energia. Adicionalmente, quando ocorre um problema na saída para a rede de energia elétrica, a potência poderá ser totalmente redirecionada para a unidade eletrolítica de tal modo que apenas um hidrogênio seja produzido. O hidrogênio produzido geralmente se encontra em um es¬ tado gasoso, o qual poderá ser comprimido e/ou misturado com outros componentes para um estado líquido que é mais fácil de armazenar e/ou transportar.

[0017] A unidade eletrolítica poderá ser também um gerador de gás misto que realiza eletrólise e gera outros gases. Por exemplo, a unidade eletrolítica poderá realizar a eletrólise da água e do dióxido de carbono a fim de gerar um gás misto feito de hidrogênio e monóxido de carbono. De maneira alternativa, o hidrogênio poderá ser misturado com gás na¬ tural, o que faz aumentar a razão de hidrogênio/carbono do hidrogênio e dá ao mesmo uma velocidade de chama até oito vezes maior que o gás natural comprimido.

[0018] De acordo com a presente invenção, a turbina eólica com¬ preende ainda um sistema de segurança controlado por uma unidade de controle configurada para evacuar o hidrogênio da turbina eólica por meio de uma pluralidade de saídas de gás distribuídas ao longo de uma plataforma da turbina eólica e configuradas para liberar o hidrogênio para a atmosfera.

[0019] Por meio do sistema de segurança, o hidrogênio poderá ser evacuado dos componentes e módulos da turbina eólica que contêm hidrogênio antes da entrada de técnicos ou outro pessoal na turbina eó¬ lica, deste modo diminuindo o risco de formação de misturas de ar e hidrogênio inflamáveis, e o risco de danos a qualquer pessoa no local da turbina eólica. A evacuação de hidrogênio da unidade eletrolítica evita a formação de misturas de oxigênio e hidrogênio inflamáveis na rede de cabos e nos módulos da turbina eólica.

[0020] A localização da saída de gás pode ser sobre a plataforma na qual a unidade eletrolítica é disposta, mas também poderá ser sobre a torre ou sobre a nacele.

[0021] A localização da saída de gás pode ser decidida com base na densidade dos gases ou das misturas gasosas a serem evacuados, por exemplo, o hidrogênio, o metano, e o gás amoníaco subirão devido a sua menor densidade, enquanto que os gases mais pesados afunda¬ rão.

[0022] Um dos critérios para escolher uma localização de saída de gás deve levar em consideração o fato de que o fluxo de gás deve ocor¬ rer em uma direção distante das pessoas, por exemplo, longe dos luga¬ res onde os técnicos devem ficar, ou longe da plataforma de turbina eólica.

[0023] Outro critério para escolher uma localização de saída de gás deve levar em consideração o fato de que o fluxo de gás deve acontecer em uma direção distante dos equipamentos elétricos a fim de evitar quaisquer possíveis incêndios, por exemplo, no gerador, nos interrupto¬ res, nos computadores, etc.

[0024] As saídas de gás são distribuídas sobre a área de plata¬ forma, de preferência nos cantos ou nas laterais da plataforma. As saí¬ das de gás são dispostas a uma distância angular com relação à torre da turbina eólica. De preferência, a distância angular entre duas saídas de gás é de pelo menos 90°. Em termos ideais, são distribuídas quatro saídas de gás na borda da plataforma a uma distância angular de cerca de 90° das saídas de gás adjacentes.

[0025] Por meio da unidade de controle, a pluralidade de saídas de gás poderá ser aberta de tal maneira que o gás evacuado seja carre¬ gado pelo vento para longe, sem se estagnar na área da plataforma, a fim de reduzir o risco de explosões. Por conseguinte, ao se ter uma plu¬ ralidade de saídas de gás, as saídas de gás na parte traseira da plata¬ forma com relação à direção do vento poderão ser abertas e o vento carregará o gás evacuado para longe da plataforma.

[0026] Deste modo, a turbina eólica poderá ser evacuada pelo sis¬ tema de segurança por meio da abertura das saídas de gás, as quais carregarão o hidrogênio tanto na direção do vento como também para longe da plataforma. Com essa providência, é evitado o fluxo do hidro¬ gênio sobre a área de plataforma. Adicionalmente, quando um gás é produzido com uma densidade maior que o ar, com essa providência, será minimizado o risco de uma formação de gás na área da plataforma, ou seja, entre os contêineres. Exemplos de gases de maior densidade são o propano ou o butano, os quais podem ser formados em pequenas quantidades durante a conversão de hidrogênio em metano ou através de um dispositivo para a conversão do hidrogênio gerado nesses gases.

[0027] De acordo com uma modalidade preferida da presente inven¬ ção, a unidade de controle controla o fluxo através das saídas de gás dependendo do caso se a saída de gás está localizada em uma direção a barlavento ou em uma direção a sotavento com relação à plataforma a fim de evitar que o hidrogênio se espalhe sobre a região da plataforma.

[0028] A unidade de controle poderá automaticamente acionar uma evacuação de hidrogênio da unidade eletrolítica quando pessoas se aproximarem da turbina eólica ou em função da detecção de qualquer evento potencialmente danoso que ocorre devido a um mau funciona¬ mento do sistema de produção de hidrogênio. Por meio de tal sistema de segurança, será particularmente possível evitar que esse mau funci¬ onamento, o qual poderá levar a um acúmulo de hidrogênio dentro do sistema de turbina eólica, resulte em uma ignição de tal hidrogênio e, por conseguinte, em um dano substancial ao sistema. Esse sistema de segurança poderá, em particular, ser configurado de modo a garantir que a concentração de hidrogênio dentro do sistema de turbina eólica permaneça abaixo de um limite inflamável ou explosivo. A detecção de um mau funcionamento poderá ser configurada para o acionamento de um alarme.

[0029] De maneira similar, a unidade de controle poderá ser manu- almente acionada no sentido de evacuar a unidade eletrolítica, particu¬ larmente antes de um serviço ou tarefa de manutenção, por exemplo, ao receber um sinal de acionamento.

[0030] Uma evacuação de hidrogênio remotamente acionada per¬ mitirá a evacuação da turbina eólica antes de um técnico de manuten¬ ção entrar na instalação de turbina eólica. Isso garantirá um trabalho seguro dos técnicos na turbina eólica.

[0031] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, as saídas de gás na direção a barlavento são fechadas e pelo menos uma das saídas de gás na direção a sotavento é aberta. Essa estratégia de controle minimiza o risco de explosões e danos, uma vez que a mesma evitará a formação de misturas de ar e hidrogênio infla¬ máveis na região de plataforma.

[0032] Por conseguinte, as saídas de gás que são as primeiras atin¬ gidas pelo vento que seguem uma direção de vento são fechadas a fim de evitar uma evacuação do hidrogênio através dessas saídas de gás. Além disso, a direção do vento carregará o hidrogênio diretamente so¬ bre a plataforma.

[0033] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, as saídas de gás compreendem um funil com uma abertura, sendo que a abertura do funil é também configurada como uma entrada de ar para a introdução de ar na unidade eletrolítica e aumentar a eva¬ cuação do hidrogênio.

[0034] Por meio de uma estratégia apropriada de controle, os funis podem atuar como uma entrada de ar e, desta maneira, coletar e trans¬ portar ar para a unidade eletrolítica, ou como uma saída de gás a fim de liberar o hidrogênio da unidade eletrolítica na atmosfera. O transporte do ar coletado pelos funis através da unidade eletrolítica melhora o pro¬ cesso de evacuação de hidrogênio, uma vez que o ar empurra o hidro¬ gênio para fora da unidade eletrolítica de uma maneira mais rápida e eficaz.

[0035] Turbinas eólicas são colocadas em locais que provêem gran¬ des quantidades de vento a fim de maximizar a saída de eletricidade da turbina eólica. Deste modo, a coleta do ar através dos funis será parti¬ cularmente fácil nesses locais.

[0036] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, a unidade de controle controla as saídas de gás de tal maneira que o funil ou os funis na direção a barlavento com relação à plataforma atue/atuem como uma entrada de ar, sendo que o hidrogênio é evacu¬ ado através de pelo menos uma das saídas de gás na direção a sota- vento.

[0037] Uma vez que os funis podem atuar como uma entrada de ar e tendo em vista que muitas turbinas eólicas são colocadas em locais com grandes quantidades de vento, o funil ou os funis que ficam contra o vento poderá/poderão coletar o ar que é usado para empurrar o hidro¬ gênio para fora da unidade eletrolítica e para a atmosfera através dos demais funis, os quais atuam como saídas de gás.

[0038] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, pelo menos uma saída de gás é disposta na parte superior de uma chaminé. De preferência, cada saída de gás do sistema de segu¬ rança é disposta na parte superior de uma chaminé.

[0039] Uma vez que o hidrogênio é mais leve que o ar, a concentra¬ ção de hidrogênio na unidade eletrolítica poderá ser eficientemente di¬ minuída em função da abertura da saída de gás, já que o hidrogênio automaticamente subirá e sairá da unidade eletrolítica.

[0040] A chaminé pode ficar situada no canto da plataforma onde a unidade eletrolítica é disposta a fim de garantir que o gás seja transpor¬ tado para longe dos componentes elétricos da unidade eletrolítica ou da turbina eólica em geral. Uma chaminé poderá ser acoplada a cada com- ponente da turbina eólica onde o hidrogênio é armazenado e/ou trans¬ portado, em particular aos componentes compreendidos na unidade eletrolítica ou aos componentes que fazem parte de qualquer unidade de tratamento de hidrogênio, por exemplo, de uma unidade de transfor¬ mação de hidrogênio onde o hidrogênio é transformado em outros pro¬ dutos gasosos, tais como amônia ou metano.

[0041] A altura da chaminé pode ser limitada de modo a não inter¬ ferir ou colidir com as pás rotativas da turbina eólica.

[0042] A chaminé poderá ser estabilizada com um suporte de fio a fim de suportar o cisalhamento do vento.

[0043] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, o hidrogênio poderá ser evacuado através da saída de sistema em particular por meio de uma bomba ou por meio da abertura de uma válvula de saída de sistema. Essa providência poderá ser tomada em adição a outras providências para uma evacuação de hidrogênio mais rápida e mais eficiente para um processo de evacuação de hidrogênio.

[0044] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, o sistema de segurança é configurado para liberar uma sobre- pressão na unidade eletrolítica, em particular por meio da abertura da válvula de saída de sistema ou por meio da liberação do hidrogênio para a atmosfera através da saída de gás.

[0045] Desta maneira, a pressão na unidade eletrolítica poderá ser regulada através do sistema de segurança. Essa é uma medida adicio¬ nal de segurança que diminui o risco de explosão e o risco de danos aos contêineres e bombas em função de uma sobrepressão na unidade eletrolítica.

[0046] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, o sistema de segurança compreende detectores de gás a fim de monitorar o vazamento de hidrogênio ou monitorar se o hidrogênio foi totalmente evacuado. Isso minimizará o risco de danos aos trabalha¬ dores.

[0047] O detector de gás pode ser disposto dentro da unidade ele- trolítica ou sobre a plataforma, mas também sobre a torre ou sobre a nacele da turbina eólica. De preferência, o mesmo será disposto em uma parte superior do respectivo sistema. Já que o hidrogênio de modo geral sobe, a sensibilidade da unidade de controle poderá, portanto, ser aperfeiçoada. O pelo menos um detector de gás pode incluir sensores de hidrogênio de um tipo ou de tipos diferentes, sendo que os tipos de sensores de hidrogênio incluem, por exemplo, um sensor do tipo MOS- FET, um sensor eletroquímico, um sensor catalítico, um sensor de con- dutividade térmica, e/ou sensores de óxido de metal. A unidade de con¬ trole poderá incluir um sensor ou uma combinação de outros sensores, por exemplo, um detector de chama, um detector de faísca, um detector de fumaça, ou coisa do gênero. Esses sensores poderão ser providos em adição ao detector de gás e poderá aumentar ainda mais a segu¬ rança da turbina eólica por serem capazes de rapidamente detectar uma fonte de ignição.

[0048] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, a unidade de controle monitora a direção do vento e/ou a velo¬ cidade do vento. Isso será vantajoso no sentido de saber quando e atra¬ vés de quais saídas de gás o hidrogênio tem de ser evacuado a fim de evitar a formação de gás na área da plataforma.

[0049] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, o sistema de segurança compreende um ventilador configurado para favorecer o transporte do hidrogênio evacuado para longe da pla¬ taforma.

[0050] Em situações nas quais o vento não é suficientemente forte e o risco de formação de gás na área da plataforma é alto, um ventilador elétrico será uma providência vantajosa para carregar o gás evacuado para longe da área de plataforma.

[0051] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, as saídas de gás são rotativas e configuradas de modo a ficar alinhadas com a direção do vento.

[0052] Os funis e/ou saídas de gás são rotativos a fim de maximizar o ar coletado pela entrada de ar dos funis e/ou alinhar as saídas de gás com a direção do vento de tal modo que o vento carregue de forma efi¬ caz o hidrogênio para longe da área de plataforma.

[0053] De acordo com outra modalidade preferida da presente in¬ venção, o sistema de segurança compreende um sistema de distribui¬ ção para a coleta do hidrogênio.

[0054] O sistema de distribuição pode ser um sistema de tubos de distribuição, de tal modo que as válvulas que controlam a abertura e o fechamento das saídas de gás individuais sejam controladas de acordo com a direção do vento.

[0055] O sistema de distribuição pode ser conectado aos dispositi¬ vos eletrolíticos individuais através de um sistema de tubos para a coleta do hidrogênio produzido.

[0056] O sistema de distribuição pode realizar procedimentos de au¬ toteste, ou seja, os tubos usados para coletar qualquer escapamento de gás poderão ser pressurizados, por exemplo, a ar a fim de verificar que¬ das de pressão, deste modo indicando um vazamento.

[0057] O sistema de distribuição permite a liberação do hidrogênio através de uma saída de gás dependendo da sua localização na turbina eólica, desta maneira evitando a liberação de hidrogênio sobre a área de plataforma.

[0058] De acordo com outra modalidade da presente invenção, o sistema de segurança compreende um detector de vazamento configu¬ rado para detectar um vazamento de hidrogênio. Deste modo, um mau funcionamento da unidade eletrolítica poderá ser detectado por meio da detecção de vazamentos. O detector de vazamento pode compreender um sensor de gás hidrogênio, sendo que um mau funcionamento da unidade eletrolítica é detectado quando uma concentração de hidrogê¬ nio detectada pelo sensor de gás hidrogênio fica acima de um predeter¬ minado limite. Tal configuração possibilita uma rápida e eficiente detec¬ ção no início de uma situação perigosa na turbina eólica; essa configu¬ ração, em particular, permite um acionamento da evacuação de hidro¬ gênio do sistema eletrolítico antes da ocorrência de perigosas concen¬ trações de hidrogênio. Em outras implementações, o detector de vaza¬ mento pode compreender um detector ultrassônico, por meio do qual um mau funcionamento na forma de um vazamento poderá ser detec¬ tado, após o que a evacuação do hidrogênio poderá ser acionada.

[0059] Ainda de acordo com outro aspecto, a presente invenção se refere a um método de operação de uma turbina eólica compreendendo as etapas de:

[0060] - abrir pelo menos uma das saídas de gás, e

[0061] - liberar o hidrogênio para a atmosfera através da saída de gás.

[0062] De acordo com outro aspecto da presente invenção, o mé¬ todo compreende as etapas de:

[0063] - detectar a direção do vento antes de abrir pelo menos uma das saídas de gás,

[0064] - liberar as saídas de gás fechadas na direção a barlavento com relação à plataforma, e

[0065] - abrir pelo menos uma das saídas de gás na direção a sota- vento.

[0066] De acordo com outro aspecto da presente invenção, as saí¬ das de gás compreendem um funil com uma abertura, sendo que a aber¬ tura do funil é também configurada como uma entrada de ar para a in- trodução de ar na unidade eletrolítica e aumentar a evacuação do hidro¬ gênio. O método compreende as etapas de:

[0067] - detectar a direção do vento antes de abrir pelo menos uma das saídas de gás,

[0068] - abrir pelo menos uma das saídas de gás compreendendo o funil na direção a barlavento com relação à plataforma de tal maneira que o funil na direção a barlavento atue como uma entrada de ar, e

[0069] - abrir pelo menos uma das saídas de gás na direção a sota- vento de tal modo que o hidrogênio seja evacuado.

[0070] De acordo com outro aspecto da presente invenção, o pro¬ cesso de evacuação de hidrogênio e/ou a purga é automaticamente aci¬ onada pela aproximação de um navio à turbina eólica.

[0071] O sistema de segurança pode ser ligado a um AIS, Sistema de Identificação Automática, usado para localizar e identificar navios próximos à turbina eólica ou ao parque eólico. O acionamento automᬠtico do processo de evacuação de hidrogênio poderá ser conduzido quando um navio se aproxima da turbina eólica ou do parque eólico a uma distância específica a ser definida na unidade de controle.

[0072] De acordo com outro aspecto da presente invenção, um alarme é acionado durante o processo de evacuação de hidrogênio. Esse alarme notificará os trabalhadores sobre o processo de evacuação de hidrogênio de tal modo que medidas de segurança possam ser to¬ madas no sentido de não se aproximarem da turbina eólica ou das saí¬ das de gás até que o processo de evacuação de hidrogênio seja finali¬ zado.

[0073] Adicionalmente, o alarme pode ser configurado de tal modo que o mesmo indique que uma elevada concentração de hidrogênio ga¬ soso se encontra presente na área da plataforma, o que poderá ser de¬ tectado pelos detectores de gás. Tal alarme pode incluir um alarme so¬ noro dentro da turbina eólica, que de preferência se distingue de outros alarmes sonoros, tais como alarmes de incêndio. Sendo assim, o pes¬ soal dentro da turbina eólica poderá ser informado de uma situação po¬ tencialmente perigosa. O alarme poderá, adicionalmente ou de maneira alternativa, incluir um alarme visual dotado de uma luz de alerta de uma cor predeterminada e/ou de um padrão temporal predeterminado asso¬ ciado a uma elevada concentração de hidrogênio. O alarme poderá tam¬ bém ser comunicado a um operador através de uma conexão de comu¬ nicação, de tal modo que um operador remoto seja informado sobre a situação ou o mau funcionamento. O tipo de alarme poderá depender do acionamento de uma função de segurança. Diferentes alarmes po¬ derão ser acionados dependendo da concentração de hidrogênio na re¬ gião da plataforma, os quais poderão diferir em termos de som, cor, pa¬ drão ou outros tipos de alarme. O tipo de alarme poderá, portanto, indi¬ car quão alta está a concentração de hidrogênio detectada.

[0074] De acordo com outro aspecto da presente invenção, o pro¬ cesso de evacuação de hidrogênio é automaticamente acionado em caso de incêndio na turbina eólica. Ao se ter uma pluralidade de saídas de gás, as saídas de gás que ficam mais distantes do local de incêndio poderão ser abertas levando em consideração a direção do vento de tal modo que o gás seja evacuado a uma distância segura do incêndio.

[0075] De acordo com outro aspecto da presente invenção, o pro¬ cesso de evacuação de hidrogênio é automaticamente acionado no caso de um vazamento de hidrogênio na turbina eólica. Esse processo poderá ser monitorado por sensores de gás.

[0076] De acordo com outro aspecto da presente invenção, o hidro¬ gênio da turbina eólica é automaticamente evacuado após períodos de tempo de uma específica duração quando a turbina eólica não está sendo operada. Esses períodos são tidos como períodos de suspensão, por exemplo, causados pela necessidade de serviços de reparo ou ma¬ nutenção ou devidos a condições climáticas adversas.

[0077] De acordo com outro aspecto da presente invenção, o hidro¬ gênio é evacuado da turbina eólica durante o procedimento de partida da turbina eólica. Uma vez que durante uma partida, misturas de hidro¬ gênio e oxigênio poderão ser formadas devido ao baixo nível de hidro¬ gênio ou ao do alto nível de oxigênio no sistema, ao evacuar o hidrogê¬ nio do sistema até que uma quantidade suficiente de hidrogênio seja gerada pela unidade eletrolítica o risco de formação de misturas infla¬ máveis torna-se reduzido.

[0078] A fim de facilitar o entendimento das características da pre¬ sente invenção e sendo uma parte integrante do presente relatório des¬ critivo, algumas páginas de desenho são anexadas, nas quais figuras de caráter ilustrativo, porém não limitante, tais como representadas a seguir:

[0079] A Figura 1 mostra uma vista esquemática de uma turbina eó¬ lica, na qual a potência produzida pelo gerador é totalmente transferida para a unidade eletrolítica.

[0080] A Figura 2 mostra uma vista esquemática de uma turbina eó¬ lica, na qual a potência produzida pelo gerador é transferida para a rede de energia elétrica e para a unidade eletrolítica.

[0081] A Figura 3 mostra uma vista esquemática de uma turbina eó¬ lica compreendendo um sistema de segurança.

[0082] A Figura 4 mostra outra modalidade de uma turbina eólica compreendendo um sistema de segurança.

[0083] A Figura 5 mostra uma vista esquemática de uma possível disposição dos componentes compreendidos em um sistema de segu¬ rança sobre uma plataforma de uma turbina eólica.

[0084] A Figura 6 mostra um sistema de segurança compreendendo uma chaminé instalada sobre uma plataforma de uma turbina eólica.

[0085] As Figuras 7 e 8 mostram o controle de um sistema de segu¬ rança dependendo da direção do vento.

[0086] A Figura 9 mostra um sistema de segurança acoplado a uma pluralidade de dispositivos eletrolíticos.

[0087] A Figura 10 mostra um sistema de segurança acoplado a um sistema de distribuição e a uma unidade eletrolítica.

[0088] A Figura 11 mostra uma estratégia de controle de um sistema de segurança.

[0089] A Figura 1 mostra uma vista esquemática de uma turbina eó¬ lica 40, na qual a potência produzida pelo gerador 2 é totalmente trans¬ ferida para a unidade eletrolítica 3.

[0090] O gerador 2 é acoplado à unidade eletrolítica 3 por meio de uma conexão elétrica 7.

[0091] A unidade eletrolítica 3 compreende uma entrada de sistema 4 e uma saída de sistema 5. A unidade eletrolítica 3 é eletricamente energizada pelo gerador 2 no sentido de produzir hidrogênio 6. Para a produção do hidrogênio 6, uma quantidade de água, como fluido de en¬ trada 9, é admitida através da entrada de sistema 4 da unidade eletrolí¬ tica 3 e, em seguida, é transformada em hidrogênio 6 na unidade ele¬ trolítica 3 por meio da energia elétrica que vem do gerador 2. O hidro¬ gênio 6 é liberado da unidade eletrolítica 3 pela saída de sistema 5.

[0092] A Figura 2 mostra uma vista esquemática de uma turbina eó¬ lica 40, na qual a potência produzida pelo gerador 2 é transferida para a rede de energia elétrica 8 e para a unidade eletrolítica 3. A unidade eletrolítica 3 funciona da mesma maneira tal como mostrada na Figura 1.

[0093] Um dispositivo de controle de potência 10 é adicionado à co¬ nexão elétrica 7 entre o gerador 2 e a unidade eletrolítica 3 a fim de distribuir a energia elétrica entre o gerador 2 e a unidade eletrolítica 3 e entre o gerador 2 e a rede de energia elétrica 8. Por conseguinte, a quantidade de energia elétrica poderá variar dependendo da demanda de energia elétrica e/ou de hidrogênio 6.

[0094] A Figura 3 mostra uma vista esquemática de uma turbina eó¬ lica 40 compreendendo um sistema de segurança 20. De acordo com essa modalidade da presente invenção, a potência produzida pelo ge¬ rador 2 é totalmente transferida para a unidade eletrolítica 3. A unidade eletrolítica 3 compreende uma unidade de dessalinização 11 e um dis¬ positivo eletrolítico 12, bem como uma conexão de fluidos entre a uni¬ dade de dessalinização 11 e o dispositivo eletrolítico 12. Tanto o dispo¬ sitivo eletrolítico 12 como também a unidade de dessalinização 11 são energizados pelo gerador 2, o qual é conectado a ambos os dispositivos por meio de uma conexão elétrica 7.

[0095] O fluido de entrada 9 na unidade eletrolítica 3 é a água sal¬ gada retirada do mar a partir da turbina eólica em alto mar. Desta forma, a entrada de sistema 4 é uma entrada de água salgada 13, através da qual água salgada entra na turbina eólica 40. A água salgada entra na unidade de dessalinização 11, e a saída da unidade de dessalinização 11 é água dessalinizada 14. A água dessalinizada 14 é, em seguida, introduzida no dispositivo eletrolítico 12.

[0096] Através da saída de sistema 5 da turbina eólica 40, o hidro¬ gênio 6 é retirado do sistema através de uma saída de hidrogênio 15, quando a água do mar é usada como fluido de entrada 9.

[0097] A turbina eólica 40 compreende a torre 41 em cujo topo a nacele 42 é rotativamente montada. A turbina eólica 40 compreende ainda um cubo 43 que é conectado à nacele 42. Uma pluralidade de pás 44 é montada no cubo 43. O cubo 43 é conectado a um rotor e é rotati¬ vamente montado em torno de um eixo de rotor por meio de um rola¬ mento principal. A área através da qual as pás 44 giram, tal como ob¬ servado quando as mesmas estão diretamente voltadas para o centro das pás 44, é a área varrida 36. A turbina eólica 40 compreende ainda uma plataforma 45 sobre a qual a unidade eletrolítica 3 é disposta.

[0098] De acordo com essa modalidade da presente invenção, o sistema de segurança 20 da turbina eólica 40 é acoplado ao dispositivo eletrolítico 12 da unidade eletrolítica 3. O sistema de segurança 20 com¬ preende uma saída de gás 21 em uma chaminé 22, deste modo pro¬ vendo uma abertura através da qual o hidrogênio 6 e outros gases po¬ derão ser evacuados da unidade eletrolítica 3.

[0099] A Figura 4 mostra outra modalidade de uma turbina eólica 40 compreendendo um sistema de segurança 20. De acordo com essa mo¬ dalidade, a unidade eletrolítica 3 é disposta sobre a plataforma 45 da turbina eólica 40. A unidade eletrolítica 3 compreende quatro dispositi¬ vos eletrolíticos 12, uma unidade de dessalinização 11, e equipamentos elétricos 16, tais como as unidades de controle ou conversores de ener¬ gia, dispostos em contêineres. O sistema de segurança 20 é disposto em quatro cantos distintos da plataforma 45. O sistema de segurança 20 compreende uma saída de gás 21 em uma chaminé 22 em cada um dos cantos da plataforma 45 na qual o sistema de segurança 20 é ins¬ talado.

[00100] A Figura 5 mostra uma vista esquemática de uma possível disposição dos componentes compreendidos em um sistema de segu¬ rança 20 sobre uma plataforma de uma turbina eólica. De acordo com essa modalidade, a unidade eletrolítica 3 é disposta sobre a plataforma 45 da turbina eólica 40. A unidade eletrolítica 3 compreende dois dispo¬ sitivos eletrolíticos 12, uma unidade de dessalinização 11, e equipamen¬ tos elétricos 16, tais como as unidades de controle ou os conversores de energia. O sistema de segurança 20 é disposto em quatro cantos distintos da plataforma 45. O sistema de segurança 20 compreende uma saída de gás 21 em cada um dos cantos da plataforma 45 na qual o sistema de segurança 20 é instalado. As saídas de gás 21 são dispostas a uma distância angular 24 com relação à torre 41 da turbina eólica 40.

[00101] A Figura 6 mostra um sistema de segurança 20 compreen- dendo uma chaminé 22 instalada sobre uma plataforma 45 de uma tur¬ bina eólica 40. De acordo com essa modalidade, a saída de gás 21 da chaminé 22 fica mais alta que o teto dos contêineres que contêm os dispositivos eletrolíticos 12 de tal modo que o vento possa carregar os gases evacuados para longe.

[00102] A chaminé 22 mostrada no presente documento é fixada à plataforma 45, mas poderá, a princípio, ser também fixada ao contêiner. Tal como ilustrado no presente documento, o topo da chaminé 22 tem uma saída de gás 21 que fica ligeiramente inclinada com relação à dire¬ ção horizontal, com seu ponto mais elevado voltado para longe da pla¬ taforma 45, o que irá garantir que o hidrogênio 6 flua para longe da pla¬ taforma 45.

[00103] As Figuras 7 e 8 mostram o controle de um sistema de segu¬ rança 20 dependendo da direção do vento 30. As saídas de gás 21 do sistema de segurança 20 em uma direção a barlavento, ou seja, direta¬ mente contra o vento 30 ou que são atingidas pelo vento 30 no primeiro lugar, são as saídas de gás fechadas 32. As saídas de gás 21 em uma direção a sotavento, ou seja, as demais saídas de gás 21 são as saídas de gás abertas 31. Essa estratégia de controle das saídas de gás 21 ajuda a evitar que o hidrogênio 6 evacuado pelas saídas de gás abertas 31 se expanda sobre a plataforma 45 e, por conseguinte, sobre os equi¬ pamentos elétricos, o que poderá causar uma explosão. Essa estratégia também reduz o risco de se ter gás inflamável na área da plataforma 45, sobre a qual trabalhadores poderão estar se movimentando.

[00104] A Figura 9 mostra um sistema de segurança 20 acoplado a uma pluralidade de dispositivos eletrolíticos 12. Diferentemente do sis¬ tema de segurança 20 mostrado nas Figuras 7 e 8, o sistema de segu¬ rança 20 mostrado na Figura 9 compreende funis 38, os quais podem funcionar como uma entrada de ar 37 quando ficam na direção do vento 30, ou como uma saída de gás 21 para a evacuação do hidrogênio 6. O funil 38 que atua como uma entrada de ar 37 coleta o ar que se propaga a partir do vento 30 e transporta o ar através dos dispositivos eletrolíti- cos 12, deste modo evacuando os dispositivos eletrolíticos 12 do hidro¬ gênio 6, o qual é então expelido da unidade eletrolítica 3 pelas saídas de gás 21.

[00105] Os funis 38 podem ser rotativos a fim de maximizar a quan¬ tidade de vento 30 introduzido pelo fato de ficarem voltados de frente para a abertura do funil 38 na direção do vento. Dependendo da direção do vento, os funis 38 irão coletar o vento 30 como as entradas de ar 37 ou evacuarão o hidrogênio 6 como as saídas de gás 21.

[00106] Um sistema de segurança 20 tal como mostrado na Figura 9 pode também ser usado na configuração mostrada nas Figuras 7 e 8, ou seja, tendo um funil 38 em cada canto da plataforma 45, e seguindo uma estratégia de controle similar a fim de evitar que o hidrogênio 6 permaneça na área da plataforma 45.

[00107] A Figura 10 mostra um sistema de segurança 20 acoplado a um sistema de distribuição 35 e a uma unidade eletrolítica 3. Nesse caso, o sistema de segurança 20 compreende quatro funis 38 dispostos a uma distância angular 24 de 90° dos funis adjacentes 38. Essa distân¬ cia angular 24 ou uma disposição retangular dos funis 38, na qual cada funil 38 é disposto no canto do retângulo, é particularmente útil para uma eficiente disposição sobre a plataforma 45.

[00108] Tal como mostrado no presente documento, o funil 38 que fica contra o vento 30 atua como uma entrada de ar 37, coletando o ar que é transportado para um sistema de distribuição 35, que distribui o ar para cada módulo da unidade eletrolítica 3 contendo hidrogênio 6 e evacua a unidade eletrolítica 3 do hidrogênio 6. O hidrogênio 6 é, em seguida, liberado para a atmosfera pelos demais funis 38 através das saídas de gás 21.

[00109] Um sistema de segurança 20 tal como mostrado na Figura 10 poderá também ser usado na configuração mostrada nas Figuras 7 e 8, ou seja, com um funil 38 em cada canto da plataforma 45, e se¬ guindo uma estratégia de controle similar a fim de evitar que o hidrogê¬ nio 6 permaneça na área da plataforma 45.

[00110] A Figura 11 mostra uma estratégia de controle de um sistema de segurança 20. Ao ser acionada pela aproximação de um navio 46 ao local da turbina eólica 40, a unidade eletrolítica 3 da turbina eólica 40 é automaticamente evacuada. O sistema de segurança 20 poderá tam¬ bém ser manualmente acionado por um sinal. O sistema de segurança 20 mostrado no presente documento compreende ambas uma chaminé 22 e uma saída de gás 21 para a liberação do hidrogênio 6 para a at¬ mosfera, bem como uma válvula de saída de gás 34 na saída de sistema 5 a fim de transportar o hidrogênio 6 através de uma rede de tubos para um local em terra. A liberação do hidrogênio 6 na área varrida 36 das pás 44 deve ser evitada. Por conseguinte, se uma quantidade não suficiente de vento esteja disponível para carregar o hidrogênio 6 para longe, nesse caso, ao invés de liberar o hidrogênio 6 para a atmosfera, o hidrogênio 6 poderá ser evacuado através da válvula de saída de gás 34.

[00111] Adicionalmente, a unidade eletrolítica 3 poderá ser despres- surizada com um vácuo de modo a garantir que o hidrogênio 6 seja to¬ talmente evacuado. A unidade eletrolítica 3 poderá, de maneira alterna¬ tiva, ser lavada com ar ou outros gases não inflamáveis, tais como CO2 ou gases à base de halon comumente usados na proteção contra incêndios.
Lista de Referência
2 - Gerador
3 - Unidade eletrolítica
4 - Entrada de sistema
5 - Saída de sistema
6 - Hidrogênio
7 - Conexão elétrica
8 - Rede de energia elétrica
9 - Fluido de entrada
10 - Dispositivo de controle de potência
11 - Unidade de dessalinização
12 - Dispositivo eletrolítico
13 - Entrada de água salgada
14 - Água dessalinizada
15 - Saída de hidrogênio
16 - Equipamentos elétricos
20 - Sistema de segurança
21 - Saída de gás
22 - Chaminé
23 - Válvula de saída de sistema
24 - Distância angular
30 - Vento
31 - Saída de gás aberta
32 - Saída de gás fechada
34 - Válvula de saída de gás
35 - Sistema de distribuição
36 - Área varrida
37 - Entrada de ar
38 - Funil
40 - Turbina eólica
41 - Torre
42 - Nacele
43 - Cubo
44 - Pás
45 - Plataforma
46 - Navio

Claims (15)

1. Turbina eólica (40) compreendendo um gerador (2), uma unidade eletrolítica (3), uma entrada de sistema (4) e uma saída de sistema (5), - sendo que a unidade eletrolítica (3) é eletricamente energizada pelo gerador (2) para a produção de hidrogênio (6) a partir da introdução de um fluido (9), em particular água, - sendo que o hidrogênio (6) produzido pode ser retirado da turbina eólica (40) através da saída de sistema (5), Caracterizado pelo fato de que a dita turbina eólica (40) compreende ainda um sistema de segurança (20) controlado por uma unidade de controle configurada para evacuar o hidrogênio (6) da turbina eólica (40) por meio de uma pluralidade de saídas de gás (21) distribuídas ao longo de uma plataforma (45) da turbina eólica (40) e configuradas para liberar o hidrogênio (6) para a atmosfera.
2. Turbina eólica (40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a unidade de controle controla o fluxo através das saídas de gás (21) dependendo do caso se a saída de gás (21) está localizada em uma direção a barlavento ou em uma direção a sotavento com relação à plataforma (45) a fim de evitar que o hidrogênio (6) se espalhe sobre a região da plataforma (45).
3. Turbina eólica (40), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que as saídas de gás (21) na direção a barlavento são fechadas e pelo menos uma das saídas de gás (21) na direção a sotavento é aberta.
4. Turbina eólica (40), de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que as saídas de gás (21) compreendem um funil (38) com uma abertura, sendo que a abertura do funil (38) é também configurada como uma entrada de ar (37) para a introdução de ar na unidade eletrolítica (3) e aumentar a evacuação do hidrogênio (6).
5. Turbina eólica (40), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a unidade de controle controla as saídas de gás (21) de tal maneira que o funil (38) ou os funis (38) na direção a barlavento com relação à plataforma (45) atue/atuem como uma entrada de ar (37), sendo que o hidrogênio (6) é evacuado através de pelo menos uma das saídas de gás (21) na direção a sotavento.
6. Turbina eólica (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma saída de gás (21) é disposta na parte superior de uma chaminé (22).
7. Turbina eólica (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o hidrogênio (6) pode ser evacuado através da saída de sistema (5), em particular por meio de uma bomba ou por meio da abertura de uma válvula de saída de sistema (23).
8. Turbina eólica (40), de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o sistema de segurança (20) é configurado para liberar uma sobrepressão na unidade eletrolítica (3), em particular por meio da abertura da válvula de saída de sistema (23) ou ao liberar o hidrogênio (6) para a atmosfera através da saída de gás (21).
9. Turbina eólica (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o sistema de segurança (20) compreende um ventilador configurado para favorecer o transporte do hidrogênio evacuado (6) para longe da plataforma (45).
10. Turbina eólica (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as saídas de gás (21) são rotativas e configuradas de modo a ficar alinhadas com a direção do vento.
11. Turbina eólica (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o sistema de segurança (20) compreende um sistema de distribuição (35) para a coleta do hidrogênio (6).
12. Método de operação de uma turbina eólica (40), como definida na reivindicação 2, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - abrir pelo menos uma das saídas de gás (21), e - liberar o hidrogênio (6) para a atmosfera através da saída de gás (21).
13. Método de operação de uma turbina eólica (40), de acordo com a reivindicação 12, sendo caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - detectar a direção do vento antes de abrir pelo menos uma das saídas de gás (21), - liberar as saídas de gás (21) fechadas na direção a barlavento com relação à plataforma (45), e - abrir pelo menos uma das saídas de gás (21) na direção a sotavento.
14. Método de operação de uma turbina eólica (40), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que as saídas de gás (21) compreendem um funil (38) com uma abertura, sendo que a abertura do funil (38) é também configurada como uma entrada de ar (37) para a introdução de ar na unidade eletrolítica (3) e aumentar a evacuação do hidrogênio (6), o método compreendendo ainda as etapas de: - detectar a direção do vento antes de abrir pelo menos uma das saídas de gás (21), - abrir pelo menos uma das saídas de gás (21) compreendendo o funil (38) na direção a barlavento com relação à plataforma (45) de tal maneira que o funil (38) na direção a barlavento atue como uma entrada de ar (37), e - abrir pelo menos uma das saídas de gás (21) na direção a sotavento de tal modo que o hidrogênio (6) seja evacuado.
15. Método de operação de uma turbina eólica (40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 14, caracterizado pelo fato de que o processo de evacuação do hidrogênio (6) é automaticamente acionado pela aproximação de um navio (46) à turbina eólica (40).

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