BRPI0621442A2

BRPI0621442A2 - método para reduzir fadiga por efeito de cargas nos componentes de uma turbina eólica submetida a esforço assimétrico de carga de seu rotor, sistema de controle para reduzir as fadiga por efeito de cargas nos componentes de uma turbina eólica submetidos a esforço assimétrico de carga no plano de seu rotor, turbina eólica, e área de captação de ventos

Info

Publication number: BRPI0621442A2
Application number: BRPI0621442-8A
Authority: BR
Inventors: Juul Bo Pedersen
Original assignee: Vestas Wind Sys As
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2011-12-13
Also published as: CN101400892B; US20090021015A1; AU2006339899B2; EP1994281B1; MX2008011751A; WO2007104306A1; AU2006339899A1; CN101400892A; CA2645108A1; US7569945B2; EP1994281A1; ES2414093T3; CA2645108C

Abstract

MéTODO PARA REDUZIR FADIGA POR EFEITO DE CARGAS NOS COMPONENTES DE UMA TURBINA EóLICA SUBMETIDA A ESFORçO ASSIMéTRICO DE CARGA DE SEU ROTOR, SISTEMA DE CONTROLE PARA REDUZIR AS FADIGA POR EFEITO DE CARGAS NOS COMPONENTES DE UMA TURBINA EóLICA SUBMETIDOS A ESFORçO ASSIMéTRICO DE CARGA NO PLANO DE SEU ROTOR, TURBINA EóLICA, E áREA DE CAPTAçãO DE VENTOS. A invenção está relacionada a um método para reduzir fadiga por efeito de cargas nos componentes de uma turbina eólica submetidos a esforço assimétrico de carga de seu rotor, que compreende as etapas de: repetidamente coletar e armazenar os dados de carga do rotor, determinar uma função de distribuição da carga para o rotor a partir dos referidos dados armazenados, derivar uma pluralidade de funções periódicas a partir da referida função de distribuição da carga, determinar ações para os dispositivos de controle da turbina eólica para reduzir a fadiga por efeito de cargas nos componentes de uma turbina eólica a partir da referida derivada pluralidade de funções periódicas, e implementação das referidas ações determinadas sobre os dispositivos de controle da turbina eólica. A invenção também está relacionada a um sistema de controle bem como a uma turbina eólica e uma área de captação de ventos.

Description

MÉTODO PARA REDUZIR FADIGA POR EFEITO DE CARGAS NOS COMPONENTES DE UMA TURBINA EÓLICA SUBMETIDA A ESFORÇO ASSIMÉTRICO DE CARGA DE SEU ROTOR, SISTEMA DE CONTROLE PARA REDUZIR AS FADIGA POR EFEITO DE CARGAS NOS COMPONENTES DE UMA TURBINA EÓLICA SUBMETIDOS A ESFORÇO ASSIMÉTRICO DE CARGA NO PLANO DE SEU ROTOR, TURBINA EÓLICA, E ÁREA DE CAPTAÇÃO DE VENTOS

Campo da Invenção

A presente invenção está relacionada a um método para reduzir as fadiga por efeito de cargas nos componentes nos componentes de uma turbina eólica, um sistema de controle para reduzir as fadiga por efeito de cargas nos componentes da turbina eólica submetidos a esforço assimétrico de carga do plano do rotor, uma turbina eólica e uma área de captação de ventos.

Descrição da Técnica Relacionada

Controladores de turbina eólica têm sido desenvolvidos em turbinas eólicas durante anos com o propósito de controlar o débito total de potência.

0 débito de potência proveniente de uma turbina eólica moderna pode ser controlado por meio de um sistema de controle mediante a regulagem do ângulo de passo das pás do rotor. A velocidade de rotação do rotor e o débito de potência da turbina eólica podem ser desse modo inicialmente controlados, por exemplo, antes de uma transferência a uma rede de distribuição através de meios de conversão da energia. Uma vantagem desse controle é uma proteção do rotor de girar numa velocidade excessiva em altas velocidades de vento e proteger as pás do rotor das cargas excessivas.

Especialmente para rotores de grandes diâmetros, a distribuição do perfil de influxo do vento pode ser não uniforme sobre a área do rotor, resultando numa carga não uniforme para cada pá do rotor como uma função de uma rotação completa, bem como esforços de cargas assimétricas fora de plano para o conjunto de acionamento da turbina eólica. Para uma situação de influxo livre de vento a distribuição das forças de cisalhamento do vento é aproximadamente linear e a referida carga como uma função da rotação é de comportamento próximo do senoidal com uma freqüência igual à freqüência de rotação do rotor. A fim de manter uma carga mais constante sobre as pás do rotor, funções de controle de passo têm sido aplicadas aos controladores de passo da turbina eólica onde uma correção cíclica ao rotor com uma freqüência igual à rotação do rotor é aplicada ao ajuste completo do ângulo de passo das pás individuais do rotor.

Quaisquer obstáculos contidos em certas distâncias de acesso de vento de uma turbina eólica criam uma esteira para a turbina eólica e conseqüentemente eliminam a situação de influxo livre de vento. Um exemplo de um obstáculo pode ser outras turbinas eólicas, na medida em que uma turbina eólica sempre delineia uma esteira na direção da corrente de vento.

Especialmente em áreas de captação de vento esse fato pode influenciar significativamente o influxo sobre as turbinas eólicas posicionadas na direção da corrente de vento. Isso resulta numa distribuição mais complexa do cisalhamento provocado pelo vento comparado a uma situação de influxo livre de vento. 0 referido perfil complexo da distribuição de vento pode resultar numa turbulência de vento e por sua vez flutuação na fadiga por efeito de cargas sobre os componentes da turbina eólica. Desse modo a fim de evitar uma muito alta turbulência de vento na circunvizinhança das turbinas eólicas, as turbinas eólicas na direção da corrente de vento são mantidas em afastamento relativo nas áreas de utilização que se situam nas áreas de captação de ventos.

É, portanto, um objetivo da presente invenção proporcionar um método e uma técnica que permita uma aprimorada estratégia de controle da turbina eólica relativamente à mais complexa distribuição do cisalhamento do vento.

A invenção

A invenção proporciona um método para reduzir a fadiga por efeito de cargas nos componentes de uma turbina eólica submetidos a esforço assimétrico de carga de seu rotor, que compreende as etapas de:

coletar e armazenar repetidamente dados de carga do rotor,

determinar uma função da distribuição de carga para o rotor a partir dos referidos dados armazenados a partir dos referidos dados armazenados,

derivar uma pluralidade de funções periódicas a partir da referida função de distribuição de carga,

determinar ações quanto aos meios de controle da turbina eólica para reduzir a carga de fadiga dos componentes da turbina eólica a partir da referida pluralidade derivada das funções periódicas, e

implementação das referidas ações determinadas nos meios de controle da turbina eólica.

Desse modo, é possível reduzir as cargas flutuantes sobre os componentes da turbina eólica o que facilita menor desgaste e ruptura mecânica sobre as partes mais expostas à carga da turbina eólica o que por sua vez resulta em menos necessidade de serviços, menores paradas, e prolongada vida útil para a turbina eólica. De modo alternativo, é desse modo possível aumentar a captura da energia eólica e manter uma baixa carga sobre o rotor ou combinações destes mencionados.

Em um aspecto da invenção, a referida pluralidade derivada das funções periódicas é de funções senoidal e/ou co-senoidal, mediante utilizar funções derivadas senoidais e/ou co-senoidais, é possível aproximar uma corrente de passo em bastante aproximação ao desejado.

Em um outro aspecto da invenção, as freqüências da referida pluralidade de funções periódicas são series limitadas de diferentes múltiplos inteiros da freqüência do rotor, por exemplo, até quatro vezes a freqüência do rotor tal como qualquer do primeiro, segundo, terceiro e quarto múltiplo da freqüência do rotor ou combinações de pelo menos dois dos referidos múltiplos. Mediante utilizar series limitadas das funções periódicas é possível estabelecer rapidamente uma correção de passo em muita proximidade do desejado, sem exigir significativo poder computacional.

Em um outro aspecto da invenção, pelo menos um componente de amplitude e um componente de fase são determinados para cada uma das referidas funções periódicas derivadas. A determinação da referida amplitude e componentes de fase facilitam o processamento completo dos dados nos meios computacionais e facilitam a articulação na posição de tempo e de azimute entre cargas assimétricas do rotor e a ação corretiva de passo.

Em um outro aspecto da invenção, a referida pluralidade de funções periódicas inclui pelo menos uma função com uma freqüência igual a freqüência do rotor. Mediante incluir funções periódicas com uma freqüência igual a freqüência do rotor, é possível aproximar uma correção de passo próxima ao desejado, simplificada numa situação de influxo livre ou quase livre de vento.

Em um outro aspecto da invenção, a referida pluralidade de funções periódicas inclui pelo menos uma função com uma freqüência igual a quatro vezes a freqüência do rotor. Mediante incluir funções periódicas com uma freqüência igual a quatro vezes a freqüência do rotor, é possível aproximar uma correção de passo próxima ao desejado, simplificada numa situação de esteira parcial ou completa.

Em um outro aspecto da invenção, a referida pluralidade de funções periódicas são derivadas por meio de uma Transformada de Fourier Discreta aplicada a função de distribuição da carga. Mediante utilizar a Transformação de Fourier Discreta para derivar a referida pluralidade de funções periódicas, é possível utilizar técnicas rápidas e suscetíveis de programação bem conhecidas para implementar o código de programação nos meios computacionais.

Em um outro aspecto da invenção, a referida pluralidade de funções periódicas são derivadas por meio de relações inversas entre o primeiro harmônico periódico e as amplitudes modais medidas da pá.

Em um outro aspecto da invenção, a referida pluralidade de funções periódicas são derivadas por meio de sucessivas filtragens da banda passante aplicadas à função da distribuição da carga. Em um outro aspecto da invenção, a referida pluralidade de funções periódicas são derivadas por meio de um Avaliador a Recursivo de Mínimos Quadrados aplicado à função de distribuição da carga.

Em um outro aspecto da invenção., os referidos dados de carga são coletados pela medição dos momentos de encurvamento da pá por meio do que uma medição representativa pode ser obtida preferivelmente com dispositivos sensores já existentes.

Em um outro aspecto da invenção, os referidos momentos de encurvamento são medidos para pelo menos uma pá. Em se fazendo as medições numa pá apenas, os dados podem ser usados para estabelecer uma otimizada correção de passo aplicada a todas as pás, considerando que todas as pás do rotor experimentam a mesma carga assimétrica como uma função de um giro completo do motor.

Em um outro aspecto da invenção, os referidos momentos de encurvamento são medidos para mais que uma pá, por exemplo, duas pás da turbina eólica. Em se fazendo medições em mais que uma pá, uma correção ótima individual do passo pode ser aplicada a cada pá individualmente.

Em um outro aspecto da invenção, os referidos momentos de encurvamento são medidos em duas direções substancialmente perpendiculares.

Em um outro aspecto da invenção, os referidos dados de carga são coletados pela medição o ângulo de ataque para as pás por meio do que uma medição representativa pode ser obtida preferivelmente com os dispositivos de medição existentes.

Em um outro aspecto da invenção, os referidos dados de carga são coletados pela medição das forças em um eixo principal da turbina eólica tais como um eixo de baixa ou de alta velocidade.

Em um outro aspecto da invenção, as referidas forças sobre o referido eixo são medidos em duas direções substancialmente perpendiculares.

Em um outro aspecto da invenção, referidos meios de controle da turbina eólica compreendem um mecanismo de controle do passo da pá a fim de ser capaz de implementar as referidas ações determinadas.

Em um outro aspecto da invenção, as referidas forças são medidas em continuo ou por um período predeterminado de tempo, dependendo do grau e da velocidades das variações na situação de influxo do vento e da necessidade quanto a medição e controle.

Em um outro aspecto da invenção, o referido período predeterminado de tempo é igual a 0,01 a 0,5 rotações completas do motor, pref erivelmente na faixa de 0,1 a 0,3 rotações completas do motor dependendo da necessidade que se apresente.

Em um outro aspecto da invenção, o referido período predeterminado de tempo é igual a 0,5 a 6 rotações completas do motor, preferivelmente na faixa de 0,75 a 3 rotações completas do motor dependendo da necessidade que se apresente.

A invenção também relates to um sistema de controle bem como uma turbina eólica e área de captação de ventos.

Figures

A invenção será descrita a seguir com referência às Figuras nas quais.

A Figura 1 ilustra uma grande turbina eólica moderna que inclui três pás de turbina eólica no rotor da turbina eólica,

A Figura 2 ilustra um sistema de referência para medir o ângulo de Azimute ψ. O azimute ψ é definido pela posição da pá 1,

A Figura 3a ilustra esquematicamente um exemplo para a direção das medições da carga na pá de um rotor de turbina eólica,

A Figura 3b ilustra um sistema referência de coordenadas para medir as cargas na pá de um rotor de turbina eólica,

A Figura 4 ilustra esquematicamente uma modalidade de um sistema de controle para controlar os ângulos de passo das pás de turbina eólica,

Figura 5a ilustra os momentos de cargas fora de plano sobre as pás do rotor de uma turbina eólica constituída de 3 pás como um resultado de uma idealizada distribuição linear de cisalhamento do vento entre uma posição de topo da pá de rotor (ψ = 0 [rad] ) e posição descendente (ψ = π [rad]) correspondente a uma situação de influxo livre de vento,

A Figura 5b ilustra os momentos transformados de cargas, mtiit^ %aw/ como uma função of azimute para uma rotação completa do rotor e como um resultado da referida distribuição linear de cisalhamento do vento,

A Figura 6 ilustra o erro do ângulo de passo entre uma desejada função por etapas e uma regulação do ângulo de passo cíclico-rotor,

A Figura 7 ilustra esquematicamente a funcionalidade do sistema adaptativo de passo inventado numa turbina eólica de passo controlado,

A Figura 8a ilustra os momentos de cargas fora de plano sobre as pás do rotor de uma turbina eólica constituída de 3 pás como um resultado de um cisalhamento em etapa horizontal correspondente a uma idealizada situação de influxo de meia esteira,

A Figura 8b ilustra os momentos transformados de cargas, mtiit, %aw/ como uma função do azimute para uma rotação completa do rotor e como um resultado do referido cisalhamento em etapa horizontal,

A Figura 9 ilustra a diferença entre os reais momentos transformados de cargas mtiit/ myaw e os momentos filtrados de cargas m^ e m^ como um resultado de um

cisalhamento em etapa horizontal correspondente a uma idealizada s ituação de influxo de meia esteira,

Figura 10 ilustra o erro do ângulo de passo entre uma desejada função em etapas e uma regulação harmônica do ângulo de passo, que inclui um número truncado de componentes harmônicos.

Descrição Detalhada

Figura 1 ilustra uma turbina eólica moderna 1 com uma torre 2 e uma nacela da turbina eólica 3 posicionada no topo da torre.

O rotor da turbina eólica, compreendendo pelo menos uma pá tal como as três pás 5 de turbina eólica como ilustrado, está conectado ao cubo 4 através de mecanismos de passo 16. Cada mecanismo de passo inclui um mancai de pá e dispositivos atuadores de passo que permite a pá exercer passo em relação ao vento. O processo de passo é controlado por meio de um controlador de passo como será explanado mais adiante.

As pás 5 do rotor da turbina eólica estão conectadas à nacela através do eixo de baixa velocidade 4 que se estende para fora da frente da nacela.

Como ilustrado na figura, vento acima de um certo nível irá ativar o rotor e permitir a ele girar numa direção perpendicular ao vento. O movimento de rotação é convertido em energia elétrica a qual usualmente é fornecida à rede pública de transmissão como é bem conhecido por aqueles usualmente versados na técnica.

A Figura 2 ilustra como o ângulo de Azimute Ψ é medido como o ângulo entre uma linha virtual vertical até o centro do eixo de baixa velocidade 4 e uma linha virtual definida pelos dois pontos de extremidade: a - o centro do eixo de baixa velocidade 4a, e b - o bico da ponta 7 da pá de rotor. 0 ângulo de Azimute é medido para uma pá de rotor de referência, por exemplo, pá 1 como uma função do tempo e posição.

A Figura 3a ilustra urna pá de rotor 5 de uma turbina eólica conectada à nacela 3 através do eixo de baixa velocidade 4 que se estende para fora da frente da nacela.

A pá de rotor recebe carga por meio de uma força do vento Fioad (t) dependente de, por exemplo, a direção do vento relativamente à pá do rotor, a área da pá de rotor, o passo da pá de rotor, etc. A referida força do vento a qual literalmente tenta quebrar a nacela da torre ou da fundação produz um momento de carga de encurvamento mx no eixo de baixa velocidade 4 e na raiz da pá de rotor 10 em torno de sua linha central 8.

A Figura 3b ilustra um diagrama formalizado das forças in situ que atuam sobre uma pá de rotor, ilustra o ponto central do eixo de baixa velocidade 4a, a linha central horizontal do eixo de baixa velocidade 8a, a linha central vertical da pá de rotor através do ponto central do eixo de baixa velocidade 9, uma resumida força do vento Fload (t) e a direção do momento da carga de encurvamento (ou momento fora do plano) mx da pá número x.

A Figura 4 ilustra esquematicamente uma modalidade preferida de um sistema de controle para controlar os ângulos de passo das pás de turbina eólica

Dados da turbina eólica 1 são medidos com dispositivos sensores 11 tais como sensores da posição de passo, sensores de carga na pá, sensores de azimute etc. Os dados medidos pelo sensor são fornecidos a meios computacionais 12 a fim de converter os dados a um sinal de realimentação. 0 sinal de realimentação é usado no sistema de controle de passo 13 para controlar o ângulo de passo mediante estabelecer valores de controle para controlar a referida pelo menos uma pá 5 da turbina eólica.

Os meios computacionais 12 incluem preferivelmente um microprocessador e meios de armazenamento computacional para o controle continuo do referido sinal de realimentação.

Mediante medir continuamente os valores vigentes dos momentos de carga sobre as pás do rotor calculando um desejado ajuste ótimo do ângulo de passo e a alimentação dessa informação ao sistema de controle de passo num "loop" fechado de realimentação é possível otimizar os valores de controle para (substancialmente) controlar o rotor nos limites de projeto da turbina eólica e especialmente os limites de projeto das pás da turbina eólica.

Um exemplo da arte existente para controlar momentos de cargas fora de plano sobre pás de turbina eólica de uma turbina eólica é descrito aqui.

As cargas na raiz da pá Mr = [m1 m2 m3]T sobre as pás do rotor de uma turbina eólica constituída de .3 pás são definidas como um resultado de uma dada distribuição linear de cisalhamento do vento entre uma posição de topo da pá de rotor (ψ = 0) e posição descendente (ψ — π) correspondente muito proximamente a uma idealizada situação de influxo livre de vento.

A Figura 5a ilustra uma típica imagem dos referidos momentos para condições de influxo livre.

Transformando Mr num sistema de coordenadas definidos pelas direções equivalentes de inclinação, guinada e empuxo, os respectivos momentos de carga mtiit, Myaw, Msum se tornam:

<formula>formula see original document page 15</formula> para as cargas ilustradas na Figura 5 a, os referidos momentos transformados de cargas, mtiit, myaw, são ilustrados na Figura 5b como uma função de uma rotação completa do rotor. Para esse exemplo idealizado de uma arte já existente, mtiit, %aw são constantes.

O comportamento próximo a senoidal de Mr como ilustrado na Figura 5a irá resultar em fadiga por efeito de cargas sobre as pás do rotor. Uma técnica para compensar parcialmente quanto a essa alteração de cargas sobre as pás do rotor pode ser, portanto, controlar individualmente as pás do rotor durante uma rotação completa de uma pá a fim de nivelar a distribuição das forças de vento, isto é, uma pá de rotor é avançada em passo menos para dentro do vento no topo que na parte de baixo do movimento de rotação realizado pelo rotor incluindo as pás.

Devido a essa relação próxima entre Mr e o desejado controle do ângulo de passo, o desejado sinal de controle de passo é também uma função do ângulo de Azimute, isto é, uma função senoidal numa freqüência igual a da freqüência de rotação do rotor. Essa técnica é chamada passo cíclico ou passo cíclico-rotor das pás da turbina eólica, isto é, uma alteração cíclica do ângulo de passo durante urna rotação completa de uma pá.

Quando a pá do rotor entra numa esteira ela é exposta a uma força de cisalhamento do tipo escalonado. Isto é confirmado pelas medições atuais nas turbinas eólicas. Ainda a fim de manter uma carga constante sobre as pás do rotor sob essa condição, o referido controle de passo rotor-ciclico pode ser aplicado resultando numa otimização básica da carga. Porém, como a carga influenciada é de comportamento tipo escalonado e o referido controle de passo cíclico-rotor é de comportamento senoidal irá sempre ocorrer uma força alternante desprezível sobre as pás do rotor.

Isto é ilustrado na Figura 6 para a referida situação meia-esteira idealizada. A curva 14 ilustra uma desejada alteração abrupta no controle do ângulo de passo e a curva 15 ilustra um controle corretivo vigente do ângulo de passo aplicado pela referida técnica passo cíclico- rotor. Devido à diferença entre as duas curvas, um erro de ângulo 16 é introduzido resultando ainda numa possibilidade de aumentar a fadiga por efeito de cargas sobre as pás do rotor.

Um exemplo da presente invenção para controlar momentos de cargas fora de plano sobre as pás de turbina eólica de uma turbina eólica é aqui descrito.

A Figura 7 ilustra para a presente invenção uma modalidade preferida do referido sistema de controle de controle para controlar os ângulos de passo das pás de turbina eólica.

Os momentos das cargas MR = [mi m2 m3]T sobre as pás do rotor e o ângulo de azimute ψ são medidos pelos dispositivos sensores e alimentados aos meios computacionais. Mr é transformado num sistema de coordenadas definidas por direções equivalentes de inclinação, guinada e empuxo, os respectivos momentos de carga Mf = [mtiit myaw mSom]T = T'Mr Onde:

<formula>formula see original document page 18</formula>

A relação inversa é dada por: Mr = T"1 " Mf

Mf é dado processado por um filtro (H) a Mp], que deriva e processa uma pluralidade de funções harmônicas em diferentes inteiros múltiplos da freqüência do rotor (CDnom) a fim de adaptar o controle do sistema do ângulo de passo para minimizar as flutuações nos dados de carga medida em um modo tal que as cargas sobre as pás do rotor sejam mantidas constantes ou quase constantes.

Uma modalidade preferida do referido filtro de processamento de dados (H) é um Avaliador Recursivo de Mínimos Quadrados (RLS) com desconsideração exponencial. Esta é uma técnica matemática de otimização que tenta encontrar um melhor ajuste para um conjunto de dados mediante tentar minimizar a soma dos quadrados de desvio entre um conjunto de dados observados e um conjunto de dados esperados.

uns poucos operadores chaves e pode numa simulação por computador ser implementado após o algoritmo seguinte:

Simulação

φ (t) = [1 COS (ωnomt) sen-(ωnomt) cos (2ωnomt) sin(2ωnomt) cos(3ωnomt) sin(3ωnorat)

cos(4ωnomt) sin(4ωnomt)]T

θ = [a0 a1 b1 a2 b2 a3 b3 a4 b4]T

R = matriz 9x9 inicializada com elementos zero

G = vetor 9x1 inicializado com elementos zero

μ = 1/k0

para p = 1... N (p é expresso como etapa de simulação número 1,2,3...)

t = p • Ts

para i = 1 . . 3 (interacao ao longo de mtlt, myaw e msum)

<formula>formula see original document page 19</formula>

fim

No exemplo de simulacao de computador acima:

ωnom = a frequencia ciclica nominal do rotor φ = o vetor da análise harmônica )aqui incluindo componentes até o 4o harmônico)

θ = amplitudes harmônicas

R = é uma matriz 9x9 inicializada com elementos zero

G = é um vetor 9x1, inicializados com elementos zero

Ts = tempo da etapa de simulação μ = um fator de desconsideração

ko = um inteiro positivo que define o fator de desconsideração

é importante notar que o referido filtro RLS é adaptativo o que resulta que a saida do filtro se altera como uma resposta a uma alteração na entrada.

Uma versão prática do processamento dos dados compreende meios computacionais para a aquisição de dados digitais, análise harmônica, computação de filtro RLS, armazenamento de dados e conversão A/A, de modo continuo ou por um período de tempo predeterminado.

Devido aos retardos de tempo nos dispositivos sensores, nos meios computacionais e no sistema de controle de passo, o sinal corretivo de controle do ângulo de passo é deslocado no bempo em relação às cargas medidas nas pás Mr. Para corrigir quanto a isso, M{*] é deslocado no tempo de modo equivalente para sincronizar, isto é, <formula>formula see original document page 21</formula>

Um deslocamento geral no tempo de uma soma de sinais harmonicos pode ser vislumbrada como a seguir:

<formula>formula see original document page 21</formula>

então

<formula>formula see original document page 21</formula>

onde:

<formula>formula see original document page 21</formula>

o sinal filtrado e deslocado no tempo

<formula>formula see original document page 21</formula>

transformado a partir do sistema fixo de referência de volta ao sistema rotativo de referência por M^ =Τ~λ -M^ .

O sinal de

<formula>formula see original document page 21</formula>

é multiplicado com um ganho para a conversão a radianos, isto é,

<formula>formula see original document page 21</formula>

é acrescentado ao sinal coletivo de demanda de passo

<formula>formula see original document page 21</formula>

A Figura 8a ilustra como um exemplo momentos de cargas MR= (mi m2 m3]T sobre as pás do rotor de uma turbina eólica de 3 pás como um resultado de um cisalhamento em etapa horizontal correspondente a uma situação de influxo de meia esteira. A transformação de Mr num sistema de coordenadas definidos pela direção equivalente tilt, yaw e thrust, os respectivos momentos de cargas mtilt, myaw, mSUIn se tornam:

<formula>formula see original document page 22</formula>

mtilt , myaw são ilustrados na Figura 8b como uma função de uma rotação completa do rotor,

As funções periódicas iguais às funções ilustradas na Figura 8b podem ser resolvidas como uma soma infinita de senos e co-senos chamada uma série de Fourier e podem nesse caso serem expressas de modo geral como:

<formula>formula see original document page 22</formula>

Onde:

<formula>formula see original document page 22</formula>

A computação da série de Fourier é conhecida como Análise Harmônica.

É observado a partir da equação m(ψ) que a série de Fourier consiste de um componente não alternante, componentes que se alternam de acordo com o parâmetro básico ψ e uma pluralidade de funções periódicas de diferentes múltiplos inteiros da freqüência básica. Os coeficientes ponderados de Fourier ai, bi determinam a amplitude de cada freqüência harmônica no sinal original.

O referido avaliador RLS de dados processa um número truncado de funções periódicas derivados pela análise harmônica da freqüência básica do rotor. O propósito do avaliador RLS é produzir um sinal de saída que é alimentado ao sistema de controle de passo a fim de minimizar a energia no sinal da Mr isto é minimizar as cargas flutuantes sobre as pás do rotor.

Para esse exemplo idealizado os sinais de entrada 17, 19 que representam os momentos de cargas mtiit, e myaw de MF respectivamente são ilustrados na Figura 9. Os sinais de saída <formula>formula see original document page 23</formula> são representados por 18, 20, respectivamente. O referido filtro RLS processou os primeiros quatro harmônicos múltiplos da freqüência básica.

O sinal filtrado MF{h} é deslocado no tempo para um sinal MF{h} e transformado a partir do sistema de referência fixo de volta ao sistema de referência rotativo por <formula>formula see original document page 23</formula> Onde: <formula>formula see original document page 24</formula>

Finalmente o sinal filtrado <formula>formula see original document page 24</formula> é ajustado em ganho <formula>formula see original document page 24</formula> e acrescentado a um sinal de controle completo do ângulo de passo<formula>formula see original document page 24</formula> definido por um controlador de velocidade de turbina eólica e o sinal resumido de controle é alimentado ao controlador de passo que efetua as ações desejadas.

A Figura 10 ilustra um sinal de controle de passo de dados processado, por exemplo, <formula>formula see original document page 24</formula> de <formula>formula see original document page 24</formula>, a partir do exemplo acima, correspondente a uma idealizada situação de meia esteira. A curva 14 ilustra uma desejada alteração abrupta no controle do ângulo de passo e a curva 22 ilustra um controle corretivo vigente do ângulo de passo aplicado pela referida técnica de passo ciclico-rotor. A diferença entre as duas curvas é ilustrada por 21.

A invenção foi exemplificada acima com referência aos exemplos específicos de uma turbina eólica com um sistema de controle para controlar as pás da turbina eólica através de mecanismos de passo. Todavia, deverá ser entendido que a invenção não está limitada aos exemplos particulares descritos acima mas pode ser projetada e alterada numa grande variedade de modos inseridos no escopo da invenção como especificado nas reivindicações, por exemplo, na utilização de outras fórmulas e/ou dados de medição como suplementar.

Lista de Referência

Nos desenhos as referências numéricas seguintes se referem a:

1. Turbina eólica ou sistema de turbina eólica

2. torre de turbina eólica

3. nacela de turbina eólica

4. Eixo de baixa velocidade

4a. Ponto central do eixo de baixa velocidade

5. pá de rotor de turbina eólica

6. Rotor da turbina eólica com pelo menos uma pá

7. bico da ponta de uma pá de rotor de turbina eólica

8. Linha central do eixo de baixa velocidade

8a. Linha central formalizada do eixo de baixa velocidade

9. linha central vertical de uma pá de rotor através do ponto central do eixo de baixa velocidade

10. Raiz de pá de rotor de turbina eólica'

11. Dispositivos sensores

12. Meios computacionais

13. Sistema de controle de passo

14. Exemplo uma desejada etapa de ângulo de passo

15. Exemplo de uma vigente correção ciclica-rotor do ângulo de passo 16. erro de ângulo - correção de ângulo cíclico-rotor

17. mtiit idealizado

18. mtiit filtrado

19. Inyaw idealizado

20. myaw filtrado

21. erro de ângulo - correção harmônica do ângulo

22. Exemplo uma correção harmônica vigente do ângulo de passo

ψ. ângulo de Azimute para pá 1 de rotor relativamente a uma posição de referência vertical fixa

Claims

1. MÉTODO PARA REDUZIR FADIGA POR EFEITO DE CARGAS NOS COMPONENTES DE UMA TURBINA EÓLICA SUBMETIDA A ESFORÇO ASSIMÉTRICO DE CARGA DE SEU ROTORf caracterizado por compreender as etapas de: repetidamente coletar e armazenar dados de carga (Mr) do rotor, determinar uma função de distribuição da carga (Mf) do rotor a partir dos referidos dados armazenados, derivar uma pluralidade e processar uma pluralidade de funções periódicas M{Fh} em diferentes múltiplos inteiros da freqüência do rotor (wnom) a partir da referida função de distribuição da carga, determinar ações quanto a um dispositivo de controle da turbina eólica para reduzir a fadiga por efeito de cargas nos componentes de uma turbina eólica a partir da referida derivada e processada pluralidade de funções periódicas M{hF}, e implementar as referidas ações determinadas nos dispositivos de controle da turbina eólica.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida derivada pluralidade de funções periódicas é de funções senoidais e/ou co- senoidais.

3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado por as freqüências da referida pluralidade de funções periódicas serem diferentes múltiplos inteiros da freqüência do rotor, por exemplo, até 4 vezes a freqüência do rotor tais como qualquer de primeiro, segundo, terceiro e quarto múltiplo da freqüência do rotor ou combinações de pelo menos duas das referidas multiplicidades.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por para cada função periódica derivada pelo menos um componente de amplitude e um componente de fase serem determinados.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a referida pluralidade de funções periódicas incluir pelo menos uma função com uma freqüência igual a freqüência do rotor.

6. Método, de acordo com qualquer urna das reivindicações 1 a 5, caracterizado por a referida pluralidade de funções periódicas incluir pelo menos uma função com uma freqüência igual a quatro vezes a freqüência do rotor.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por a referida pluralidade de funções periódicas ser derivada por meio de uma Transformada de Fourier Discreta aplicada à função de distribuição da carga.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a referida pluralidade de funções periódicas ser derivada por meio de relações inversas entre o primeiro harmônico periódico e as amplitudes modais medidas da pá.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por a referida pluralidade de funções periódicas ser derivada por meio da sucessiva filtragem da banda passante, aplicada à função de distribuição da carga.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por a referida pluralidade de funções periódicas ser derivada por meio de um avaliador Recursivo de Mínimos Quadrados aplicado à função de distribuição da carga.

11. Método, de acordo com qualquer urna das reivindicações 1 a 10, caracterizado por os referidos dados de carga serem coletados pela medição dos momentos de flexão da raiz da pá.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por os referidos momentos de flexão da raiz da pá serem medidos para pelo menos uma pá da turbina eólica.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 e 12, caracterizado por os referidos momentos de flexão da raiz da pá serem medidos em uma ou mais pás, por exemplo, duas ou três pás da turbina eólica.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado por os referidos momentos de flexão da raiz serem medidos em duas direções substancialmente perpendiculares.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado por os referidos dados de carga serem coletados mediante determinar o ângulo de ataque quanto às pás.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado por os referidos dados de carga serem coletados pela medição as forças de carga era um eixo principal da turbina eólica tal como um eixo de baixa ou de alta velocidade.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por as referidas forças sobre o referido eixo serem medidos em duas direções substancialmente perpendiculares.

18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17, caracterizado por os referidos dispositivos de controle da turbina eólica compreenderem um mecanismo de passo da pá.

19. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado por as referidas forças serem medidas de modo continuo ou por um período predeterminado de tempo.

20. Método,, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 19, caracterizado por o referido período predeterminado de tempo ser igual a 0,01 a 0,5 rotações completas do motor, preferivelmente na faixa de 0,1 a 0,3 rotações completas do motor.

21. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado por o referido período predeterminado de tempo ser igual a 0,5 a 6 rotações completas do motor, preferivelmente na faixa de 0,75 a 3 rotações completas do motor.

22. SISTEMA DE CONTROLE PARA REDUZIR AS FADIGA POR EFEITO DE CARGAS NOS COMPONENTES DE UMA TURBINA EÓLICA SUBMETIDOS A ESFORÇO ASSIMÉTRICO DE CARGA NO PLANO DE SEU ROTOR, caracterizado por compreender: meios de coletar e armazenar para repetidamente coletar e armazenar dados de carga (Mr) do rotor, dispositivos de controle da turbina eólica para controlar a captura de energia da turbina eólica, e meios para o processamento de dados para o processamento dos referidos dados de carga coletados do rotor da turbina eólica e proporcionar por conseqüência uma resposta de controle, onde os referidos meios de processamento estão adaptados para determinar uma função de distribuição da carga (Mf) para o rotor a partir dos referidos dados de carga armazenados, derivar e processar uma pluralidade de funções periódicas M{h}F em diferentes inteiros múltiplos da freqüência do rotor (Wn0m) a partir da referida função de distribuição da carga, determinar ações, com base na referida pluralidade de funções periódicas Μψ> , para os referidos dispositivos de controle da turbina eólica para reduzir a fadiga por efeito de cargas sobre os componentes da turbina eólica, e proporcionar por conseqüência uma resposta de controle aos dispositivos de controle da turbina eólica.

23. Sistema de controle, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por compreender meios dispostos para derivar a referida pluralidade de funções periódicas na forma de funções senoidais e/ou co-senoidais.

24. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 22 e 23, caracterizado por compreender meios para coletar e armazenar dados de modo continuo ou por um período predeterminado de tempo.

25. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 24, caracterizado por compreender meios para derivar a partir da referida função de distribuição da carga uma pluralidade de funções periódicas com freqüências de diferentes inteiros múltiplos da freqüência do rotor.

26. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 25, caracterizado por compreender meios para derivar a partir da função de distribuição da carga uma pluralidade de funções periódicas com freqüências de series limites de diferentes inteiros múltiplos da freqüência do rotor, por exemplo, até 4 vezes a freqüência do rotor tal como qualquer do primeiro, segundo, terceiro e quarto múltiplo da freqüência do rotor ou combinações de pelo menos duas das referidas multiplicidades.

27. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 26, caracterizado por compreender meios para determinar pelo menos um componente de amplitude e um componente de fase para cada uma das referidas funções periódicas.

28. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 27, caracterizado por a referida pluralidade de funções periódicas incluir pelo menos uma função com uma freqüência igual a freqüência do rotor.

29. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 28, caracterizado por a referida pluralidade de funções periódicas incluir pelo menos uma função com uma freqüência igual a quatro vezes a freqüência do rotor.

30. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 29, caracterizado por a referida pluralidade de funções periódicas ser derivada por meio de análise harmônica aplicada à referida função de distribuição da carga.

31. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 30, caracterizado por o referido período predeterminado de tempo ser igual a 0,01 a 0,5 rotações completas do motor, preferivelmente na faixa de -0,75 a 0,3 rotações completas do motor.

32. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 31, caracterizado por o referido período predeterminado de tempo ser igual a 0,5 a 6 rotações completas do motor, preferivelmente na faixa de -0,75 a 3 rotações completas do motor.

33. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 32, caracterizado por compreender dispositivos transdutores dispostos para medir momentos de flexão da pá, por exemplo, próximo da raiz de pelo menos uma das pás de uma turbina eólica e produzir por conseqüência uma resposta aos dispositivos de coleta de dados.

34. Sistema de controle, de acordo com a reivindicação 33, caracterizado por os referidos dispositivos transdutores are dispostos para medir momentos de flexão da raiz da pá de pelo menos duas das pás do referido rotor.

35. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 33 e 34, caracterizado por os referidos dispositivos transdutores estarem posicionados em duas direções substancialmente perpendiculares.

36. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 35, caracterizado por compreender dispositivos transdutores dispostos para medir o ângulo de ataque for as pás de turbina eólica e por conseqüência produzir uma saída to os dispositivos de coleta de dados.

37. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 36, caracterizado por compreender dispositivos transdutores dispostos para medir as forças sobre o eixo principal da turbina eólica.

38. Sistema de controle, de acordo com a reivindicação 35, caracterizado por os referidos dispositivos transdutores estarem posicionados em duas direções substancialmente perpendiculares.

39. Sistema de controle, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 38, caracterizado por os referidos dispositivos de controle da turbina eólica compreendem meios alterar as propriedades aerodinâmicas das pás de turbina eólica, por exemplo, por meio de flapes.

40. Sistema de controle, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado por os referidos dispositivos de controle da turbina eólica compreendem um mecanismo de passo da pá.

41. TURBINA EÓLICA, caracterizada por compreender um sistema de controle de acordo com qualquer uma das reivindicações 22 a 40 para reduzir as fadiga por efeito de cargas nos componentes da turbina eólica submetidos a esforço assimétrico de carga do plano do rotor.

42. ÁREA DE CAPTAÇÃO DE VENTOS, caracterizada por compreender pelo menos duas turbinas eólicas onde pelo menos uma turbina eólica está controlada com um sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 22 a 40 para reduzir a fadiga por efeito de cargas nos componentes da turbina eólica submetidos a esforço assimétrico de carga do plano do rotor.