BRPI0707617A2 - dispositivo para controlar as lÂminas de uma turbinas eàlica - Google Patents

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Abstract

DISPOSITIVO PARA CONTROLAR AS LÂMINAS DE UMA TURBINA EàLICA. Refere-se a invenção a um dispositivo para controlar as lâminas de uma turbina eôlica. De acordo com a invenção, cada lamina (7) está associada com meios que possibilitam que a mesma gire em torno do seu eixo longitudinal a fim de: alterar o ângulo de ataque das lâminas (7) em relação ao vento e selecionar a potência requerida, ao mesmo tempo em que mantém uma velocidade de rotor constante; ou parar as lâminas (7) quando é ultrapassada uma velocidade de rotação pré-estabelecida. A invenção é caracterizada pelo fato de que os meios de rotação anteriormente mencionados incluem: um motor elétrico (11) dotado de uma velocidade variável eletronicamente, um motor-bomba hidráulico (10) incluído em um circuito hidráulico (1) convencional, e meios de controle (12) para fazerem girar as lâminas (7) por meio do motor elétrico (11) e do motor-bomba hidráulico (10) na presença de uma alimentação elétrica e para fazer girar as lâminas (7) utilizando somente o módulo de controle de segurança e emergência (4) e o acumulador hidráulico de segurança e emergência (5) na ausência de uma alimentação elétrica.

Description

DISPOSITIVO PARA CONTROLAR AS LÂMINAS DE UMA TURBINAEÓLICA
Objeto da Invenção
Refere-se a presente invenção a um dispo-sitivo para controlar as lâminas de uma turbina eólicapara modificar o ângulo de ataque das ditas lâminas emrelação ao vento, a fim de regular a potência requeri-da, ao mesmo tempo em que mantém uma velocidade de ro-tor constante, ou fazer com que as lâminas parem de semovimentar quando é excedida uma velocidade de rotaçãopré-estabelecida; e aumentar o rendimento de potência ea função de controle das lâminas da turbina eólica.
Antecedentes da Invenção
Conhecem-se no estado da técnica as turbi-nas eólicas como dispositivos para produzir energia e-létrica a partir da energia eólica, que são equipadaspara este efeito com um suporte de carcaça que tem noseu lado frontal lâminas cujo giro provoca o acionamen-to de um rotor a partir do qual se obtém energia elé-trica. Para que isto aconteça a turbina eólica é ori-entada ao vento de forma que as lâminas fiquem voltadascontra o vento e produzam o giro do rotor.
Além disso, o número de revoluções do ro-tor e a potência fornecida pelas turbinas eólicas tam-bém podem ser reguladas através de um sistema que regu-la o ângulo de ataque de cada uma das lâminas em rela-ção ao vento de forma que elas apresentem uma superfí-cie maior ou menos ao vento, para obter desta maneira apotência requerida.
Além disso, este sistema é usado para pre-servar o rotor contra velocidades excessivas. Quando orotor excede uma velocidade de giro pré-estabelecidacada uma das laminas é levada a girar de acordo com oseu eixo longitudinal em uma posição embreada paralelaà direção do vento (posição de bandeira), fazendo comque a turbina eólica pare (freio aerodinâmico) para im-pedir que sofra danos.
Neste sentido, existem dois grandes gruposde sistemas para controlar o ângulo de ataque das lâmi-nas. O primeiro grupo de sistemas compreende os siste-mas eletromecânicos em que a lâmina é acionada por meiode um motor elétrico cuja velocidade pode ser reguladapor meio de um redutor planetário. Este sistema tem avantagem considerável de oferecer alto rendimento econtrole direto na lâmina, mas tem a desvantagem de re-querer sistemas de segurança que envolvem dispositivosacumuladores de energia elétrica, tais como bateriase/ ou condensadores, ao mesmo tempo em que apresentamtambém um baixo grau de controle da velocidade de acio-namento da lâmina durante situações de emergência. Umsegundo grupo de sistemas é compreendido por sistemaseletro-hidráulicos que envolvem um sistema hidráulico oqual inclui acumuladores hidráulicos que são usados pa-ra acionar a função de giro da lâmina mesmo na ausênciade energia elétrica, ao mesmo tempo em que também ofe-recem um alto grau de controle sobre a velocidade derotação da lâmina durante situações de emergência. En-tretanto, estes sistemas têm a desvantagem de perdereficiência de desempenho devido ao mecanismo de servocontrole. Esta perda de rendimento é devida em parteao fato de a potência ser transformada em calor que a-quece o sistema, o que requer, além disso, uma altafilt ragem do óleo hidráulico.
Conseqüentemente, os dois sistemas têmvantagens e desvantagens que são dependentes do que érequerido dos mesmos.
Não existe qualquer sistema que proporcio-ne as vantagens dos dois sistemas, ao mesmo tempo emque evita as desvantagens que cada um deles apresentaseparadamente.
Descrição da Invenção
Com a finalidade de solucionar as desvan-tagens mencionadas anteriormente, a presente invençãodesenvolveu um dispositivo para controlar as laminas deuma turbina eólica em que, da mesma maneira que nosdispositivos convencionais, cada lâmina é relacionadaindividualmente com meios de giro em torno do seu eixolongitudinal para modificar o ângulo de ataque da lâmi-na individual e permitir manter e selecionar a potênciarequerida ao mesmo tempo em que mantém uma velocidadede rotor constante ou para provocar a parada das lâmi-nas quando a velocidade de giro pré-estabelecida é ul-trapassada; os meios de giro são providos de um sistemahidráulico equipado com um controle de segurança e e-mergência que inclui acumuladores hidráulicos de segu-rança e emergência e um acionador que realiza o girodas lâminas; o sistema também oferece uma nova funçãocaracterizada pelo fato de que os meios de giro também
compreendem um motor elétrico cuja velocidade pode serregulada eletronicamente, um motor-bomba hidráulico emeios de controle para fazer com que as lâminas girempor meio do motor elétrico e do motor-bomba hidráulicoquando há disponibilidade de energia elétrica e parafazer com que as lâminas girem somente através do módu-lo de controle de segurança e emergência e do acumula-dor hidráulico segurança e emergência (sem o motor elé-trico) na ausência de alimentação elétrica. Desta ma-neira esta configuração oferece a grande vantagem denão requerer o uso de acumuladores de energia elétrica,tais como baterias e/ou condensadores para regular oângulo de ataque das lâminas quando não há qualquer a-limentação elétrica na turbina eólica.
A configuração descrita na presente inven-ção combina as duas tecnologias conhecidas para contro-lar as lâminas de uma turbina eólica, os sistemas ele-tromecânicos e eletroidráulicos já descritos na seçãoAntecedentes da Invenção, de maneira a tirar vantagemdos dois sistemas, ao mesmo tempo em que elimina asdesvantagens dos dois. Conseqüentemente, o dispositivoobjeto da invenção proporciona um sistema flexível dealto rendimento com uma montagem compacta e um sistemade segurança que compreende acumuladores hidráulicosque também proporcionam um alto grau de controle sobrea velocidade de acionamento durante situações de emer-gência .
O acionador hidráulico para os meios degiro é selecionado entre um cilindro de câmara dupla,um cilindro de três câmaras, um acionador rotativo e ummotor hidráulico equipado com redutor de velocidade.
Além disso, o motor-bomba hidráulico é dotipo que mantém pressão sob baixas rotações e é capazde inverter o sentido de giro para colocar as lâminasna posição desejada.
O motor-bomba hidráulico e o corresponden-te acionador não implicam em qualquer restrição natransfe rência de potência e, portanto não ocasionamqualquer perda na potência transmitida, permitindo as-sim instalar controle de segurança e emergência capaci-tado por acumulador hidráulico na correspondente linhade transmissão, permitindo deste modo prescindir dasincompatíveis baterias/condensadores de acumulação elé-trica.
A seção seguinte contém uma série de figu-ras que como parte integrada da presente descrição des-tinam-se a ilustrar e não limitar o objeto da invençãoe facilitar a compreensão dos conceitos exarados conti-dos neste contexto.
Breve descrição das Figuras
A Figura 1 mostra uma representação esquemática de umexemplo possível de uma concretização da pre-sente invenção em que o acionador usado é umcilindro hidráulico de Duas ou três câmaras.
A Figura 2 mostra uma representação esquemática de umexemplo possível de uma concretização da pre-sente invenção em que o acionador hidráulicousado é rotativo.
A Figura 3 mostra uma representação esquemática de umexemplo possível de uma concretização da pre-sente invenção em que o acionador usado é umacionador hidráulico do tipo rotativo equipadocom um redutor de velocidade.
Descrição da Concretização Preferidas
Segue-se uma descrição da presente inven-ção baseada nas figuras listadas na seção anterior.
A função do dispositivo objeto da invençãoé controlar o ângulo de ataque das lâminas de uma tur-bina eólica em relação ao vento pelo governo do girodas lâminas ao longo do seu eixo longitudinal.
Utilizou-se somente uma lâmina para ilus-trar os exemplos das várias concretizações uma vez queo dispositivo é o mesmo para todas as lâminas da turbi-na eólica. De acordo com a concretização preferida aturbina eólica compreende três lâminas 7.
O exemplo ilustrado pela Figura 1 é a ex-tremidade inferior de uma lâmina 7 integral com um pi-nhão 9 que engranza em uma cremalheira 8 cujo movimentoé governado mediante um circuito hidráulico 1 e maisespecificamente por um acionador hidráulico 6a o qualna Figura 1 é um cilindro hidráulico de duas ou trêscâmaras.
O circuito hidráulico 1 também incorporaum controle de pré-enchimento 2 o qual é conectado aogrupo de pré-enchimento auxiliar correspondente 3 paramanter níveis (de fluido) adequados no circuito hidráu-lico como é realizado convencionalmente neste tipo decircuitos hidrostáticos, pelo que não é necessáriaqualquer outra explanação.
Da mesma maneira, o circuito hidráulico 1é equipado com um módulo de controle de segurança e e-mergência 4 convencional conectado a um acumulador hi-dráulico de segurança e emergência 5.
O aspecto inovador da presente invençãoreside em ter incorporado um motor-bomba hidráulico 10conectado por sua vez a um motor elétrico 11 de veloci-dade variável governado por um circuito de controle 12.
Por meio desta configuração, a partir domomento em que exista alimentação elétrica na turbinaeól ica, o ângulo de ataque de cada uma das lâminas 7 écontrolado por ativação do motor elétrico 11, cujas ro-tações são governadas por sua vez pelo circuito de con-trole 12, obtendo-se uma resposta rápida na mudança develocidade do motor elétrico 11, o qual movimenta o mo-tor-bomba hidráulico 10 do circuito hidráulico 1 ocasi-onando o acionamento do cilindro de duas ou três câma-ras 6a e como conseqüência funciona de forma a modifi-car o ângulo de ataque da lâmina 7.A transmissão hidrostática entre o motor-bomba hidráulico 10 e o cilindro hidráulico de duas outrês câmaras 6a não apresenta qualquer restrição detransferência e, conseqüentemente, não provoca perdasna potência transmitida, o que por seu turno permiteinstalar o módulo de controle de segurança e emergência4 na linha de transmissão com o acumulador hidráulicode segurança e emergência 5, o que permite prescindirdo uso de acumuladores elétricos tais como bateriase/ou condensadores.
No momento em que não há disponibilidadede energia elétrica para a turbina eólica (situação deemergência) e o ângulo de ataque das lâminas 7 deve seralterado em relação ao vento (posição de bandeira), ocilindro de duas ou três câmaras é ativado mediante omódulo de controle de segurança e emergência 4 e o acu-mulador hidráulico de segurança e emergência 5, de for-ma que neste caso o movimento é proporcionado por meiodo módulo de controle de segurança e emergência 4 e doacumulador hidráulico de emergência 5, em vez de empre-gar-se o motor elétrico 11 e o motor-bomba hidráulico 10.
A variação do ângulo de ataque das lâminas7 em relação ao vento é realizada para selecionar a po-tência requerida enquanto se mantém constante a veloci-dade do rotor, ou para provocar a parada do rotor quan-do este ultrapassa uma velocidade de giro previamenteestabelecida, caso este em que se fazem girar as lâmi-nas 7 sobre o seu eixo longitudinal até conseguirem umaposição paralela à direção do vento (posição de bandei-ra ou zero) de forma que se produz a parada das lâminas7. Depois que a velocidade do vento diminui para umavelocidade adequada, as lâminas são colocadas novamenteem uma posição voltada para o vento e é por esta cir-cunstância que o motor-bomba hidráulico 10 é proporcio-nado de uma forma tal a ser capaz de inverter a direçãode giro da mesma maneira que no motor elétrico 11.
Além disso, o motor-bomba hidráulico 10 édo tipo que mantém a pressão sob baixas rotações paraobter um melhor controle do giro desejado sobre as lâ-minas 7.
A Figura 2 mostra um exemplo de concreti-zação diferente, mas completamente equivalente, daqueleilustrado na Figura 1. Neste caso existe a diferençade que o acionador hidráulico incorporado no circuitohidráulico 1 é compreendido por um acionador rotativo6b o qual faz com que as lâminas 7 girem em torno deseu eixo longitudinal e tudo isso mediante o acionamen-to do motor-bomba hidráulico 10 da maneira que se des-creveu no exemplo precedente.
A Figura 3 mostra uma concretização dife-rente que também é equivalente aos exemplos ilustradosnas figuras anteriores. A diferença neste caso resideno fato de que o acionador hidráulico usado é compreen-dido por um motor hidráulico 6c que fica conectado a umredut or de velocidade 6d para poder produzir o movimen—to angular da lâmina 7 em torno do seu eixo longitudinal.

Claims (3)

1. - Dispositivo para controlar as lâminasde uma turbina eólica, em que cada lâmina (7) está as-sociada com meios giratórios que lhe permitem girar emtorno do seu eixo longitudinal a fim de alterar o ân-gulo de ataque das lâminas (7) em relação ao vento erealizar uma operação selecionada entre uma operaçãode seleção de uma potência requerida mantendo uma ve-locidade do rotor constante e uma operação de paradadas lâminas (7) quando se ultrapassa uma velocidade degiro previamente estabelecida; sendo que os meios degiro compreendem um circuito hidráulico (1) que incluium módulo de controle de segurança e emergência (4),um acumulador hidráulico de segurança e emergência (5)e um acionador para o giro das lâminas (7) em torno doeixo longitudinal; sendo o dispositivo caracterizadopor os meios de giro compreenderem ainda: um motor e-létrico (11) de velocidade variável, cuja velocidade éregulada eletronicamente (12), um motor-bomba hidráu-Iico (10) e meios de controle (12) para fazerem giraras lâminas (7) por meio do motor elétrico (11) e o mo-tor-bomba hidráulico (10) na presença de uma alimenta-ção de energia elétrica e para fazer girar as lâminas(7) utilizando-se somente o módulo de controle de se-gurança e emergência (4) e o acumulador hidráulico desegurança e emergência (5) na ausência de uma alimen-tação de energia elétrica.
2. - Dispositivo para controlar as lâminasde ume turbina eólica, de acordo com a reivindicação-1, caracterizado por o acionador incluído no circuitohidráulico dos meios de giro ser selecionado entre umcilindro de duas câmaras (6a), um cilindro de três câ-maras (6a), um acionador rotativo (6b) e um motor hi-dráulico (6c) com um redutor de velocidade (6d).
3. Dispositivo para controlar as lâminasde uma turbina eólica, de acordo com a reivindicação-2, caracterizado por o motor elétrico (11) poder seracionado nas duas direções e o motor-bomba hidráulico(10) ser do tipo que mantém a pressão sob baixas rota-ções e é capaz de inverter a direção de giro, para co-locar as lâminas na posição requerida.
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