BR112013028356B1

BR112013028356B1 - Sistema para converter energia eólica em energia elétrica através de voos de perfis de asa de energia amarrados ao solo por cabos de um comprimento fixo, sem fases passivas e com adaptação automática para condições eólicas

Info

Publication number: BR112013028356B1
Application number: BR112013028356-4A
Authority: BR
Inventors: Lorenzo Fagiano; Mario Milanese
Original assignee: Kitenergy S.R.L.
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2021-07-13
Also published as: JP2014508893A; ES2609772T3; DK2689130T3; EP2689130B1; CA2828419A1; ITTO20110251A1; BR112013028356A2; US9366232B2; PT2689130T; EP2689130B8; WO2012127444A1; CN103748357A; US20140077495A1; EP2689130A1; JP6013445B2; RU2013146667A; PL2689130T3; CA2828419C; RU2593318C2

Abstract

SISTEMA PARA CONVERTER ENERGIA EÓLICA EM ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE VOOS DE PERFIS DE ASA DE ENERGIA AMARRADOS AO SOLO POR CABOS DE UM COMPRIMENTO FIXO, SEM FASES PASSIVAS E COM ADAPTAÇÃO AUTOMÁTICA PARA CONDIÇÕES EÓLICAS. Um método e sistema para conversão de energia eólica em energia elétrica ou mecânica através do voo de p elo menos um perfil de asa de energia (10) amarrado através de um ou mais cabos (11) a uma unidade de base (9) movida pelo perfil de asa de energia ao longo de uma trajetória de deslocamento alternado (12) para acionar um gerador (13), onde a trajetória de deslocamento alternado (12) é orientável de modo a se ajustar em uma direção (17) substancialmente ortogonal à direção do vento (W). Durante as fases de voo do perfil de asa de energia (10) sob condições de geração de energia, comprimento dos cabos (11) é mantido constante.

Description

Campo da invenção

[0001] A presente invenção se refere a um sistema para a conversão de energia eólica em energia elétrica que explora o movimento alternado, ao longo de uma determinada trajetória, de uma unidade colocada em terra e arrastada por um perfil de asa de energia. O dito perfil de asa é preso à unidade de base por pelo menos um cabo e é controlado automaticamente por um sistema de controle intencionalmente fornecido. O cabo ou cabos que conecta/conectam a unidade de base ao perfil de asa tem/têm um comprimento fixo durante o funcionamento normal do sistema. O sistema de conversão é capaz de se adaptar automaticamente ao alterar adequadamente a trajetória da unidade de base de acordo com as variações de direção do vento, de modo a otimizar a produção de energia. A trajetória da unidade de base é proposta em dois possíveis formatos, isto é, um segmento de uma linha reta ou mesmo um arco de circunferência, mas pode, em geral, ser de váriosformatos.

[0002] A presente invenção se refere, além disso, a uma estratégia de regulação ideal, com base na intensidade do vento como uma função da altitude do nível do solo, do comprimento dos cabos para o dito sistema de conversão de energia eólica em energia elétrica ou mecânica.

[0003] A presente invenção se refere, além disso, a um sistema para aplicação do sistema de conversão supracitado e inovações anteriores no contexto marítimo, em particular para exploração do vento offshore.

[0004] A presente invenção se refere, igualmente, a uma estratégia de controle automático do voo de um perfil de asa de energia para o dito sistema de conversão de energia eólica em energia elétrica que é capaz de levar em conta as condições do vento, de forma a maximizar a produção de energia, ao mesmo tempo em que evita condições de operação que são potencialmente prejudiciais ou perigosas para a integridade do sistema.

[0005] Finalmente, a presente invenção se refere a um sistema de recuperação e gerenciamento da energia durante as fases de inversão do movimento do dito sistema de conversão de energia eólica em energia elétrica, isto é, quando a unidade geradora em terra atinge o final da trajetória predefinida e começa a se mover ao longo da mesma trajetória em uma direção oposta.

Antecedentes da Invenção

[0006] São conhecidos no estado da técnica, a partir de alguns artigos que aparecem em revistas, tanto de natureza científica quanto um nível popular, e de algumas patentes anteriores, processos de conversão de energia eólica por meio de dispositivos que são capazes de converter a energia mecânica gerada pela fonte de vento em alguma outra forma de energia, principalmente energia elétrica, que subtraem energia do vento usando perfis de asa de energia (geralmente referidos como “pipas”) conectados aos mesmos por meio de cabos. Por exemplo, as Patentes dos Estados Unidos Nos US 3,987,987, US 4,076,190, US 4,251,040, US 6,254,034 B1, US 6,914,345 B2, US 6,523,781 B2, US 7,656,053 e a Patente Internacional N° WO 2009/035492 descrevem sistemas para a conversão da energia cinética de correntes de vento em energia elétrica através de controle do voo de perfis de asa de energia presos ao solo de um ou mais cabos. Em muitos desses sistemas, pelo menos um perfil de asa está preso por cabos a uma unidade de manobra e geração de energia, presa no solo, e é ciclicamente guiado através de uma fase de tração, na qual ele ascende empurrado pelo vento e durante a qual desenrolamento dos cabos coloca em rotação um gerador da unidade de base concebido para geração de energia elétrica, e uma fase de recuperação, na qual o perfil é recuperado através de novo enrolamento dos cabos e, então, manobrado de modo a iniciar outra fase de tração. As ditas soluções apresentam a vantagem de ter uma estrutura em terra que tem um custo contido e é relativamente simples de construir. No entanto, existe uma desvantagem pelo fato de que há um movimento contínuo considerável de enrolamento e desenrolamento dos cabos em uma velocidade que pode ser alta e com forças de tração consideráveis. Assim, podem surgir problemas consideráveis de desgaste dos cabos com os consequentes custos elevados para substituições frequentes dos mesmos e paralisação do gerador durante as ditas operações de substituição.

[0007] Além disso, são conhecidas soluções tais como, por exemplo, aquela descrita na Patente Europeia EP 1,672,214 B1, onde a unidade de base é constituída por um carrossel circular, colocado em rotação por uma série de perfis de asa de energia, e a energia é gerada pelo movimento de rotação do carrossel. A dita solução pode também ser obtida através de uma série de unidades de base que se movem de uma maneira coordenada ao longo de um trilho circular conforme descrito, por exemplo, no artigo de M. Canale, L. e M. Fagiano Milanese, “High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites”, que aparece em IEEE Transactions on Control Systems Technology N° 18, páginas 279-293, 2010. A dita solução de carrossel pode operar tanto com um comprimento variável dos cabos quanto com um comprimento fixo dos cabos. A solução de carrossel com o comprimento de cabo variável permite que energia seja obtida também a partir do movimento de desenrolamento dos cabos, além daquela obtida pelo movimento de rotação do carrossel, mas apresenta as desvantagens de desgaste dos cabos, anteriormente mencionada para as configurações presas ao solo, e maior custo e complexidade de construção considerável. A solução de carrossel com comprimento de cabo fixo apresenta a vantagem de limitar o desgaste dos cabos; no entanto, ela é capaz de gerar apenas uma quantidade limitada de energia em virtude da assim denominada “fase passiva”, a qual é necessária para arraste dos perfis de asa em uma direção oposta ao vento para um ângulo de rotação de aproximadamente 70°.

[0008] As considerações resumidas acima são apoiadas pelos estudos teóricos e pelas análises numéricas presentes no artigo de M. Milanese, L. Fagiano e D. Piga, “Control as a Key Technology for a Radical Innovation in Wind Energy Generation”, apresentado na American Control Conference 2010, Baltimore, MD, e publicado nos anais correspondentes, onde emergem claramente as vantagens e desvantagens de todas as soluções supracitadas de sistemas com base no voo de perfis de asa de energia com a unidade geradora colocada no solo.

Sumário da Invenção

[0009] O objetivo da presente invenção consiste em resolver todos os problemas citados acima presentes nas configurações atuais ao fornecer um sistema para conversão de energia eólica em energia elétrica através do voo de perfis de asa de energia amarrados ao solo, no qual a energia é gerada pelo movimento alternado da unidade de base ao longo de uma determinada trajetória. O dito sistema gera energia ao operar com cabos de um comprimento fixo, assim, evitando problemas de desgaste dos cabos. Adicionalmente, além dos transientes de decolagem e pouso dos perfis de asa, por razões de manutenção ou em virtude da ausência de vento, ele não apresenta fases passivas graças a uma escolha apropriada da trajetória da unidade de base, assim, permitindo uma maior produção de energia quando comparado com as soluções atuais, dada as mesmas características do perfil de asa de energia. É conhecido no estado da técnica um sistema denominado “Buggy” que aparece na revista Drachen Foundation Journal, N° 16, Outono de 2004, e atribuído a Joe Hadzicki. O sistema “Buggy” permite operação com um comprimento de cabo constante e não apresenta fases passivas; no entanto, ele é limitado pelo fato de que opera sob condições ideais apenas para valores bem determinados de direção do vento enquanto que, à medida que as ditas condições variam, a energia produzida é menor. A presente invenção permite que estes limites sejam superados, na medida em que é capaz de se adaptar às variações de direção do vento. Finalmente, a presente invenção considera a possibilidade de aplicação para o contexto offshore, a grande vantagem do qual, quando comparado com as tecnologias offshore atuais, além de permitir captura da energia do vento em alta altitude, é que ele não requer fundações ou ancoragem no fundo do mar. Tudo isto permite, quando comparado com as soluções atuais com base em torres eólicas tradicionais, redução considerável nos custos de geração offshore de energia eólica e aumento considerável no número de locais de instalação.

[0010] Os objetivos e outras finalidades e vantagens da invenção acima, conforme surgirão a partir da descrição, são atingidos com um método para conversão de energia eólica em energia elétrica o qual se baseia no voo de perfis de asa presos com cabos de comprimento prevalentemente fixo e se adaptam à direção do vento, conforme definido na reivindicação 1 e nas reivindicações subordinadas à mesma, bem como com um sistema conforme definido na reivindicação 15 e nas reivindicações subordinadas à mesma.

Breve Descrição dos Desenhos

[0011] A presente invenção será descrita em maiores detalhes através de algumas concretizações preferidas da mesma, as quais são fornecidas a título de exemplo não limitativo, com referência aos desenhos anexos, em que:

[0012] A Figura 1 é uma representação esquemática do sistema “Buggy”, conforme apresentado na revista Drachen Foundation Journal, N° 16, e a potência média correspondente gerada à medida que a direção do vento varia;

[0013] A Figura 2 é uma representação esquemática de uma primeira concretização do sistema proposto pela presente invenção;

[0014] A Figura 3 é uma representação esquemática de uma segunda concretização do sistema proposto pela presente invenção;

[0015] A Figura 4 é uma representação esquemática de uma terceira concretização do sistema proposto pela presente invenção;

[0016] A Figura 5 é uma representação esquemática de uma concretização offshore para o sistema proposto pela presente invenção;

[0017] A Figura 6 é uma representação esquemática de uma estratégia de controle para o sistema proposto pela presente invenção, com recuperação e reutilização da energia nas fases de inversão do movimento.

Descrição Detalhada da Invenção

[0018] Com referência inicial à Figura 1, pode ser notado que, no sistema do tipo “Buggy”, a unidade de base 1 se move de uma forma alternada ao longo de uma trajetória 2 de formato tal como um segmento de uma linha reta, puxado, via os cabos 3, por um perfil de asa de energia 4. A unidade de base 1 é capaz de manobrar o perfil de asa de energia 4 por meio de soluções que fazem parte do estado da técnica, por exemplo, de acordo com o Pedido de Patente N° TO2010A000258 ou, eventualmente, de acordo com outra futuras ideias criativas e soluções construtivas. A energia é gerada por meio de um sistema de transmissão mecânico 5 de um tipo corrente ou correia que converte o movimento de translação da unidade de base para um movimento de rotação de geradores elétricos 6 apropriados. Conforme emerge das análises presentes em várias publicações, tal como a tese de graduação por D. Piga, “Analisi delle prestazioni del sistema kitegen: eolico di alta quota” (“Análise de desempenho do sistema Kitegen: o poder do vento em alta altitude”), Turin Polytechnic, 2008, e a tese de doutorado de L. Fagiano, “Control of Tethered Airfoils for High- Altitude Wind Energy Generation”, Turin Polytechnic, 2009, a potência média gerada pelo sistema Buggy, para características fixas do perfil de asa e de intensidade do vento, varia com o ângulo θ entre a direção 7 do vento W mostrado, a título de exemplo na Figura 1, em duas possíveis condições, com θ = 0° e com θ = 90°, e a direção 8 da trajetória 8 da unidade de base. O gráfico da dita variação, em valor percentual com relação ao valor máximo obtenível para características atribuídas do perfil de asa e as condições do vento, é representado no gráfico da Figura 1. Note que a produção máxima de energia é obtida quando a direção do vento é perpendicular à direção da unidade de base. O sistema introduzido com a presente invenção é capaz de modificar a trajetória da unidade de base, de modo a manter sempre uma inclinação ótima em relação à direção do vento.

[0019] Com referência agora à Figura 2, pode ser notado que uma primeira concretização do sistema proposto pela presente invenção é constituída por uma unidade de base 9 capaz de controlar e manobrar um perfil de asa de energia 10 preso à mesma através de um ou mais cabos 11. A unidade de base tem seu movimento restrito ao longo de um sistema de trilhos retilíneos 12 e segue continuamente em direções alternadas no comprimento dos ditos trilhos, arrastada pelas forças de tração exercidas pelo perfil de asa 10 sobre os cabos 11. A energia é gerada com a técnica anterior ilustrada na Figura 1 ou 5 com um ou mais sistemas 13 aplicados à unidade de base 9, cada um constituído por uma roda conectada, através de um sistema de transmissão, a um gerador elétrico. Além disso, a energia pode também ser gerada através da construção, de uma forma adequada, da unidade de base e do sistema de trilhos, de modo a formar um gerador/motor linear. A eletricidade gerada é adequadamente gerida e transmitida através de cabos 14 para uma estrutura fixa, concebida para sua introdução na rede elétrica e, possivelmente, para seu acúmulo com dispositivos conhecidos da técnica intencionalmente fornecidos, tais como sistemas de inércia ou hidrogênio. A construção da unidade de base 9, do sistema de trilhos 12 e dos sistemas 13 é tal que assegura rolamento das rodas dos sistemas 13 em todas as condições do vento e condições de movimento da unidade de base 9, de modo a evitar qualquer deslizamento e consequentes perdas de eficiência por atrito. Além disso, o sistema de trilhos 12 é capaz de equilibrar as forças exercidas pelos cabos 11 sobre a unidade de base 9, exceto quanto à força na direção de movimento, a qual é equilibrada pela força oposta aplicada pelos sistemas de geração 13 e a qual representa a força útil para geração de energia elétrica. O sistemas 13 são, adequadamente, controlados automaticamente e coordenados com o sistema de controle do perfil de asa 10 realizado pela unidade de base 9 de modo a regular a velocidade da unidade de base de uma forma otimizada para maximizar a potência média gerada durante movimento. Os sistemas 13 são, além disso, capazes de atuar também como motores nas fases de inversão do movimento da unidade de base de modo a reter o tempo requerida para as ditas fases tanto quanto possível.

[0020] Em particular, é implementada uma estratégia de recuperação de energia durante a frenagem da unidade de base 9 e subsequente uso da energia recuperada para aceleração da unidade 9 na subsequente trajetória na direção oposta. A dita estratégia é descrita mais completamente a seguir com referência à Figura 6.

[0021] A estratégia de recuperação de energia pode ser obtida também no caso, descrito anteriormente, onde a unidade de base e o sistema de trilhos constituem um gerador/motor linear. O sistema de trilhos 12 é, além disso, equipado com dois ou mais sistemas de suspensão e movimento 15, os quais são constituídos por uma estrutura mecânica adequada capaz de suportar e restringir o sistema de trilhos 12, opondo-se às forças exercidas pela unidade de base 9 durante seu movimento e, além disso, limitar as consequentes vibrações, e são equipados com rodas 16 conectadas a motores adequados automaticamente controlados e coordenados, de modo a orientar o sistema de trilhos 12 de forma que a direção do movimento 17 da unidade de base 9 seja sempre perpendicular à direção 18 do vento W, isto é, o ângulo θ é igual a 90°, conforme mostrado na Figura 2, assim, obtendo sempre a produção média máxima de energia, de acordo com o diagrama qualitativo que aparece na Figura 1. A direção 18 do vento W é medida em tempo real em diferentes altitudes em uma faixa de nível 0 (terra) até uma altitude suficiente para incluir todas as condições de movimento do perfil de asa, por exemplo, 1000 m a partir do solo; a dita medição é feita, por exemplo, com sistemas de um tipo lidar ou sodar que permitem medição da direção e intensidade do vento, informação que é necessária também para controle do perfil de asa 10 de acordo com aquilo que já foi descrito na literatura científica, por exemplo, o artigo de M. Canale, L. Fagiano e M. Milanese, “High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites”, que aparece em I IEEE Transactions on Control Systems Technology, N° 18, páginas 279-293, 2010.

[0022] A rotação do sistema de trilhos 12 é torno do eixo vertical 19, identificado pela intersecção do plano de simetria do sistema 12 perpendicular à direção dos trilhos com o plano de simetria do sistema 12 paralelo à direção dos trilhos, assim, definindo uma área de território potencialmente ocupado pelo sistema de geração, a qual tem um formato circular em geral, com um diâmetro igual a L, onde L é o comprimento do sistema de trilhos 12. O dito comprimento é dimensionado com base nas características de vento e morfologia do terreno no local pré-selecionado para instalação do sistema de geração de modo a maximizar a potência gerada por superfície unitária potencialmente ocupada, possivelmente também se levando em conta a presença de outros sistemas de geração adjacentes similares que constituem o assim denominado “parque eólico”.

[0023] A energia gerada pelo sistema proposto pela invenção, conforme acaba de ser descrito com referência à Figura 2, é independente da direção 18 do vento W, graças à adaptação automática da orientação do sistema de trilhos 12 à medida que a dita direção varia, uma vez que ela varia conforme a variação das características de intensidade do vento em relação ao comprimento dos cabos 11. Em particular, para uma determinada configuração do sistema em termos de diâmetro dos cabos e características de inércia, geométricas e aerodinâmicas do perfil de asa e para uma dada característica de aumento da velocidade do vento com a altitude a partir do solo, a potência máxima gerada varia como uma função do comprimento dos cabos de acordo com um gráfico côncavo, com um máximo correspondendo a um comprimento ótimo dos cabos. O dito fenômeno se deve ao equilíbrio entre o efeito de maiores forças sobre os cabos em virtude de ventos mais fortes interceptados com cabos mais longos, com consequente aumento da geração de energia, e o efeito oposto de maior resistência aerodinâmica dos cabos à medida que seu comprimento aumenta, com consequente perda de eficiência e, consequentemente, menor geração de energia.

[0024] Para fins de adaptação automática não apenas à direção do vento, mas também às suas características de intensidade e variação de intensidade à medida que a altitude do solo varia, o sistema proposto pela presente invenção é equipado com um sistema automático de regulação do comprimento dos cabos, obtido de acordo com soluções presentes no estado da técnica, tal como aquela descrita no Pedido de Patente N° TO2010A000258, a qual opera de acordo com duas possíveis estratégias.

[0025] Em uma primeira estratégia, as medições em tempo real da velocidade do vento nas diferentes altitudes obtida, conforme já foi dito, por meio de um sistema, por exemplo, de um tipo lidar ou sodar, são adequadamente condicionadas e usadas para cálculo de um modelo de aumento do vento à medida que a altitude do solo varia. O dito modelo é, então, usado para cálculo da curva de potência correspondente à medida que o comprimento dos cabos varia, de acordo com equações simplificadas tais como, por exemplo, aquelas publicadas na tese de doutorado de L. Fagiano, “Control of Tethered Airfoils for High-Altitude Wind Energy Generation”, Turin Polytechnic, 2009, e o comprimento ótimo dos cabos é ajustado e regulado de modo a obter o máximo da dita curva. De acordo com uma segunda estratégia, o comprimento dos cabos é regulado de modo adaptativo em intervalos de tempo regulares, por exemplo, de uma hora, explorando a concavidade da característica de potência como uma função do comprimento dos cabos, isto é, variando-se o comprimento dos cabos até que a energia elétrica média medida atinja o valor máximo.

[0026] A Figura 3 mostra uma segunda concretização possível do sistema de geração proposto pela presente invenção. O princípio de funcionamento é similar àquele da solução descrita anteriormente com referência à Figura 2; no entanto, nesta segunda concretização, a unidade de base 20 é equipada com um sistema 21 constituído por uma estrutura mecânica e por uma série de rodas conectadas a geradores elétricos. O sistema 21 é capaz de equilibrar as forças laterais e verticais exercidas pelos cabos sobre a unidade de base e direcionar, através de um sistema de direcionamento automático das rodas, o movimento da unidade de base, de modo a manter uma direção 22 perpendicular à direção 23 do vento W, assim, maximizando a potência gerada. O comprimento L da trajetória 24 seguida pela unidade de base define a ocupação máxima de área no solo pelo sistema a qual, também neste caso, é igual a uma circunferência de diâmetro L com seu centro G correspondendo ao ponto central da trajetória 24. O sistema é fornecido com uma estratégia de regulação ótima do comprimento dos cabos, conforme descrito anteriormente. De uma forma similar à solução precedente, a energia gerada é transferida, por meio de cabos 25, para uma estrutura fixa concebida para sua introdução na rede elétrica ou para seu acúmulo. A vantagem desta segunda solução é uma maior simplicidade de construção da estrutura, ao custo de uma maior complexidade da unidade de base, que deve ser capaz de contrapor as forças laterais exercidas pelos cabos 26 que conectam o perfil de asa de energia 27 à unidade de base 20.

[0027] Com referência agora à Figura 4, uma terceira concretização possível do sistema proposto pela invenção consiste no fornecimento de um sistema 28 de trilhos fixos, com uma trajetória circular de raio R, ao longo da qual pode se mover, arrastada pelo perfil de asa 29 por meio dos cabos 30, a unidade de base 31, feita de uma forma similar à unidade de base 9 da primeira solução mostrada na Figura 2, com as devidas modificações que tornam possível o movimento ao longo de uma trajetória circular. De modo similar à primeira solução descrita anteriormente com referência à Figura 2, o sistema de trilhos 28 é capaz de restringir a unidade de base e equilibrar as forças que atuam em todas as direções, exceto na direção tangencial aos trilhos em si. Geração de energia é obtida fazendo com que a unidade de base descreva uma trajetória 32 em formato de um arco de uma circunferência em direções alternadas e de uma maneira contínua. Também nesta solução, conforme na solução da Figura 2, a energia pode ser possivelmente gerada através da construção, de uma forma adequada, da unidade de base e do sistema de trilhos, de modo a formar um gerador/motor linear. A eletricidade produzida é adequadamente gerida e transmitida, por exemplo, por meio de cabos 33, para uma estrutura fixa, concebida para sua introdução na rede elétrica e, possivelmente, para acúmulo com dispositivos intencionalmente fornecidos conhecidos na técnica, conforme já foi descrito anteriormente.

[0028] A trajetória 32 tem uma amplitude angular igual a 2θ e é modificada automaticamente por meio de uma rotação em torno do eixo vertical 34, de modo a ser sempre simétrica em relação à direção 35 do vento W, conforme mostrado na Figura 4. À medida que o ângulo θ aumenta, a potência média gerada varia, conforme mostrado no diagrama da Figura 4. O raio R e a amplitude 2θ da trajetória são, consequentemente, escolhidos de forma a obter o melhor compromisso entre a ocupação do território, definida pela circunferência de raio 2R, o comprimento linear da trajetória da unidade de base, igual a 2θR, e a potência média gerada. Também esta terceira solução é capaz de adaptar automaticamente o comprimento dos cabos às condições de intensidade do vento, conforme descrito anteriormente. A vantagem desta terceira solução é apresentar uma maior simplicidade de construção da estrutura quando comparado com a primeira solução mostrada na Figura 2, uma vez que o sistema de trilhos 28 é fixado ao chão, e uma maior simplicidade de construção da unidade de base quando comparado com a segunda solução mostrada na Figura 3, graças à presença dos trilhos 28 que equilibram as forças laterais exercidas pelos cabos sobre a unidade de base 31. Essas vantagens são obtidas ao custo de uma menor potência média gerada e uma certa variabilidade maior da energia gerada durante a trajetória de um formato curvo.

[0029] Com referência à Figura 5, uma aplicação no âmbito do contexto offshore do sistema proposto pela presente invenção é constituída por uma embarcação 36, arrastada pelo perfil de asa 37 por meio dos cabos 38, com funções similares à unidade de base 20 da segunda solução mostrada na Figura 3. A energia é gerada por meio de turbinas 39 apropriadas posicionadas por baixo do casco da embarcação 36, as quais se opõem ao movimento da própria embarcação. Um controle automático intencionalmente fornecido das turbinas 39 e a presença de elementos estabilizadores 40, possivelmente hidrodinâmicos e ativos de acordo com soluções conhecidas no estado da técnica, limita a margem de giro e manobra e asseguram a direcionalidade da embarcação em seu movimento alternado ao longo da trajetória 41, a direção 42 da qual é regulada automaticamente de modo a ser sempre perpendicular à direção 43 do vento W, assim, maximizando a geração de energia. A energia elétrica é devidamente controlada e transmitida via cabos submarinos 44 para uma estrutura fixa, concebida para sua introdução na rede e, possivelmente, para seu acúmulo com dispositivos intencionalmente fornecidos conhecidos na técnica, tais como sistemas de inércia ou hidrogênio. O comprimento L da trajetória 41 é escolhido de forma a maximizar a potência média por superfície unitária do mar ocupada. A ocupação do espaço é fornecida por uma circunferência de raio L centralizada no ponto central da trajetória 41. Também esta aplicação no contexto offshore é fornecida com um sistema para regulação automática do comprimento dos cabos, conforme anteriormente descrito.

[0030] A Figura 6 é uma representação esquemática de uma estratégia de controle adequada para todas as soluções propostas pela presente invenção. Em particular, na Figura 6 aparecem projeções, no plano perpendicular à direção do vento, da unidade de base 45 e do perfil de asa 46 em diferentes posições ao longo da trajetória, designadas como posições 47, 48 e 49. As ditas posições são reproduzidas duas vezes, de um modo especular, uma vez que elas ocorrem durante o movimento da unidade de base 45 em ambas as direções ao longo de sua trajetória. A estratégia de controle é constituída por três etapas identificadas pelos segmentos adequados L1 e L2 na Figura 6 as quais, juntas, formam a projeção da trajetória da unidade de base 45 no plano perpendicular à direção do vento. Sem que isso implique em qualquer perda de generalidade, o comprimento da dita projeção é designado por L na Figura 6: no caso das primeira e segunda soluções propostas pela presente invenção, mostradas na Figura 2 e na Figura 3, respectivamente, o dito comprimento coincide com o comprimento da trajetória da unidade de base 45 enquanto que, no caso da terceira solução mostrada na Figura 4, o comprimento efetivo da trajetória da unidade de base 45 será maior do que L e, para ser preciso, igual LΔθ/sin(Δθ) . Conforme emerge a partir da Figura 6, o comprimento L pode ser discriminado como L = L1 + 2L2, e o comprimento L1 é, tipicamente, muito maior do que o comprimento L2.

[0031] A primeira etapa da estratégia de controle é dita como “etapa de aceleração” e está compreendido entre o momento em que a unidade de base 45 começa de estacionária em uma das duas extremidades da trajetória L (posição designada por 47 na Figura 6) e acelera na direção da outra extremidade, e o momento em que a unidade de base 45 tenha atingido um determinado valor v de velocidade, dito como “velocidade de estado estacionário” (posição designada por 48 na Figura 6). No início da etapa de aceleração, o perfil de asa 46 é manobrado de maneira a estar muito inclinado na direção da aceleração, de modo a conferir uma força de tração considerável na presença de uma baixa velocidade da unidade de base 45. Durante a etapa de aceleração, a dita inclinação do perfil de asa 46 diminui gradualmente, enquanto a unidade de base 45 aumenta sua própria velocidade de modo a manter uma alta velocidade eficaz do vento sobre o perfil de asa de energia 46. Os motores/geradores localizados na unidade de base 45 são controlados automaticamente, de modo que a velocidade v seja atingida após cobrir um comprimento L2 da trajetória, conforme mostrado na Figura 6, também reutilizando a energia recuperada na “etapa de frenagem”, descrita a seguir.

[0032] Após a etapa de aceleração, a “etapa de estado estacionário” começa, durante a qual a unidade de base 45 é arrastada pelo perfil de asa de energia 46 em uma velocidade constante v, regulada por meio de um controle automático intencionalmente fornecido dos geradores aplicados sobre a unidade de base 45. Durante a etapa de estado estacionário, o perfil de asa é controlado de modo a descrever deslocamentos rápidos para cima e para baixo para maximizar a velocidade efetiva e, consequentemente, a energia gerada. Após cobrir o comprimento L1, a etapa de frenagem finalmente começa, com a unidade de base 45 colocada na posição designada por 49 na Figura 6, em que os geradores aplicados sobre a unidade de base são usados junto com um sistema de frenagem para interromper o movimento da unidade de base no espaço L2, recuperando tanta energia quanto possível.

[0033] Simultaneamente, o perfil de asa 46 é controlado de modo a se ajustar em uma posição útil para a subsequente etapa de aceleração, ou seja, com inclinação considerável ao longo da trajetória em direção oposta ao movimento da unidade de base durante a etapa de frenagem. O sistema de controle é, aliás, concebido para conter o movimento do perfil de asa entre uma altura mínima H e uma altura máxima H+ΔH partir do solo e controlar o movimento do perfil de asa, de modo a impedir que as forças de tração que atuam sobre os cabos excedam um valor crítico para integridade do sistema.

[0034] Os valores de L, L1, L2, H e ΔH são regulados de forma a maximizar a potência média gerada, ao mesmo tempo em que limita a ocupação de espaço aéreo. As funções descritas podem ser obtidas, por exemplo, por meio de algoritmos de controle de um tipo preditivo não linear, escolhendo apropriadamente restrições e função de custo, de uma forma muito similar àquela descrita em relação a sistemas de conversão diferentes daqueles propostos pela presente invenção no artigo de M. Canale, L. Fagiano, e M. Milanese, “High Altitude Wind Energy Generation Using Controlled Power Kites”, que aparece em IEEE Transactions on Control Systems Technology, N° 18, páginas 279-293, 2010.

Claims

1. Método para converter energia eólica em energia elétrica ou mecânica através do voo de, pelo menos, um perfil de asa de energia amarrado via pelo menos um cabo a uma unidade de base movida pelo referido perfil de asa de energia ao longo de uma trajetória de deslocamento alternado para o acionamento de meios geradores, em que a referida trajetória de deslocamento alternado é orientável, de modo a ajustar-se em uma direção substancialmente ortogonal à direção do vento, caracterizado pelo fato de que a trajetória de deslocamento alternado é curva.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, durante as fases de voo do perfil de asa de energia em condições de geração de energia, o comprimento do dito pelo menos um cabo é mantido constante.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o valor do comprimento constante do referido pelo menos um cabo é determinado com base na medição da intensidade do vento e a sua inclinação em relação à altura do perfil da asa de energia com relação ao solo.

4. Método, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o valor do comprimento constante do referido pelo menos um cabo é determinado de modo adaptativo, como uma função da potência fornecida pelos ditos meios geradores.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a referida trajetória de deslocamento alternado é orientada sobre um eixo vertical que passa pelo seu centro.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por a referida trajetória de deslocamento curva ser o arco de circunferência variável angularmente em torno de um eixo vertical que passa pelo seu centro de rotação.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a dita trajetória de deslocamento alternado está situada no solo, em que a sua orientação em relação ao solo é obtida por meio de um contato de rolamento.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a referida unidade de base é guiada ao longo da referida trajetória de deslocamento alternado com um contato não deslizante.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o referido contato é fornecido por intermédio de membros rolantes aplicados à dita unidade de base e ligada operativamente aos referidos meios geradores.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que prossegue direção controlada dos ditos componentes de rolamento.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os referidos membros de rolamento são submetidos à frenagem para a inversão de movimento da unidade de base em relação à dita trajetória de deslocamento alternado, e a energia de frenagem é recuperada para acelerar a referida unidade de base na sequência de inversão do movimento.

12. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a referida trajetória de deslocamento alternada está situada sobre uma superfície líquida de flutuação.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a dita trajetória de deslocamento alternado constitui, juntamente com a unidade de base, um motor/gerador linear.

14. Sistema de conversão de energia eólica em energia elétrica ou mecânica através do voo, pelo menos, um perfil de asa de energia amarrado via pelo menos um cabo a uma unidade de base movida pelo referido perfil de asa de energia ao longo de uma trajetória de deslocamento alternada para acionado dos meios geradores, incluindo meios para orientar a referida trajetória de deslocamento alternada numa direção substancialmente ortogonal à direção do vento, caracterizado pelo fato de que a trajetória de deslocamento alternado é curva.