PT103534B - Método para o funcionamento de uma turbina eólica - Google Patents

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Abstract

NUMA TURBINA SÓLICA E NUM MÉTODO PARA O FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA EÓLICA, A VELOCIDADE DO ROTOR E/OU A POTÊNCIA DO GERADOR REDUZEM-SE PARA DAR RESPOSTA A VARIÁVEIS CUJO VALOR EXCEDA VALORES PREDETERMINADOS. AS REFERIDAS VARIÁVEIS PERTENCEM AO GRUPO FORMADO PELA DIRECÇÃO DO VENTO RELATIVA À DIRECÇÃO HORIZONTAL DO EIXO PRINCIPAL DA TURBINA E DA TURBULÊNCIA DO VENTO MEDIDA POR SENSORES EXTERNOS, ASSIM COMO QUALQUER OUTRA VARIÁVEL MEDIDA POR UM OU MAIS SENSORES MONTADOS SOBRE OS COMPONENTES DA TURBINA PARA MEDIR AS CONDIÇÕES DO REFERIDO COMPONENTE.

Description

Método para o funcionamento de uma turbina eólica
A presente invenção diz respeito a um método para o funcionamento de uma turbina eólica de forma segura, ou seja, o funcionamento de uma turbina eólica de tal forma que se garanta tanto a segurança como se maximize a geração de energia e a disponibilidade. A invenção refere-se do mesmo modo as aplicações do método e a uma turbina eólica desenvolvida para funcionar com o mencionado método.
Diferentes condições externas adversas, condições meteorológicas muito desfavoráveis na maioria dos casos, produzem cargas excessivas nas turbinas eólicas. Por um lado, deverá evitar-se o funcionamento de uma turbina eólica sujeita a tais condições de forma a não submeter a turbina a esforços que possam produzir danos, no entanto, por outro lado, parar uma turbina eólica sujeita a tais condições inabilita a turbina eólica e reduz a produção de energia de forma considerável, com as consequentes perdas económicas.
Algumas condições internas desfavoráveis poderão resultar em cargas excessivas sobre a turbina eólica. Uma condição deste tipo poderá ser um erro de orientação, ou seja, o ângulo de orientação da turbina não se encontra correctamente alinhado com a direcção do vento. Eliminar um erro de direcção leva algum tempo na medida em que a velocidade de orientação de uma turbina eólica é especialmente reduzida, por exemplo 0,5°/seg. Por esta razão, um erro de orientação poderá persistir durante algum tempo, tal como a maioria das condições externas desfavoráveis.
Outras condições nas quais a turbina eólica se encontra incorrectamente configurada ou ajustada em relação as condições atmosféricas prevalentes podem do mesmo modo ser consideradas como condições internas.
Algumas condições internas anómalas podem reduzir a potência máxima ou o nível da velocidade do rotor da turbina eólica. Isto é, sob determinadas condições poderá ser perigoso operar a turbina eólica em termos de potência ou de velocidade nominal, no entanto o funcionamento da mesma poderá ser seguro a níveis inferiores de potência ou velocidade. Tais condições podem ser, por exemplo, elevados níveis de ruído, temperatura ou vibração.
Tais condições levam na maioria dos casos a uma intervenção de manutenção a turbina eólica, no entanto, a mesma poderá continuar a operar a níveis de potência ou de velocidade reduzidos enquanto não se procede a realização dos trabalhos de manutenção. Parar a turbina nestas condições levará a perdas económicas desnecessárias.
Em estudos anteriores desenvolveram-se medidas para tentar solucionar o problema de protecção das turbinas contra a sobrecarga, assim como os problemas relacionados:
- EP 847.496 propõe a redução da potência produzida por uma turbina eólica para velocidades do vento acima de um certo limite.
- US 2002/723 propõe a aplicação de vários sistemas de medida para a obtenção de um rendimento económico óptimo reduzindo a potência de saída. É mencionado que é possível aumentar a carga sobre a turbina durante os primeiros anos para aumentar os benefícios e diminui-la a medida que passam os anos de forma a alargar a sua vida útil (secção 0025). É mencionado na secção 0028 que se os valores de custo energético são superiores ao valor máximo permitido de custo energético determinado pelo modelo de rendimento, deverá parar-se a turbina até que se dêem condições mais favoráveis (por exemplo menores turbulências ou menor velocidade do vento).
US 4, 339, 666 propõe a obtenção de um modo de funcionamento seguro baseado em medidas do movimento da pá e do eixo.
- DE 297 15 249 propõe o controlo do máximo da orientação e do movimento das pás medido na torre, ajustando os ângulos de movimento das pás.
- DE 102 32 021 propõe uma previsão de rajadas de ventos com o propósito de reduzir a carga.
- EP 998.634 propõe sistemas de medida tais como medidores de velocidade do vento nas pás ou sensores de carga no eixo para determinar a carga mecânica instantânea no centro ou eixo principal e ajustar em consequência o ângulo de movimento da pá em função dos resultados da medição. A aplicação divisional EP 1.243.790 propõe a medição de
valores instantâneos de carga em partes da turbina e o
ajuste contínuo do movimento de cada pá em função das
variáveis medidas.
- EP 1.013.925 propõe a medida da velocidade do vento e a
altura das ondas no caso de uma turbina eólica marinha,
calculando sobre esta base os valores totais das cargas na torre e na fundação, e diminuindo o ângulo de movimento da pá em função das cargas.
- EP 1.125.060 propõe a diminuição da velocidade de rotação entre um limite inferior e um limite superior da velocidade do vento, parando a turbina para velocidades do vento acima do limite superior.
- EP 1.132.614 propõe a diminuição da potência em função das variáveis de medida tal como da velocidade de rotação, da potência, do torque, do movimento da pá, do regime de movimento da pá, da velocidade do vento, da direcção do vento, da aceleração de certas partes da máquina, da tensão sobre certas partes da máquina e/ou dos dados de vento dentro ou a frente do plano do rotor, gerando fórmulas sobre a carga ou o impacto sobre a turbina com base nas medidas.
- JP 59 176,472 propõe o ajuste do ângulo de movimento da pá em função da velocidade do vento com o fim de diminuir o torque e melhorar a segurança.
- JP 60 79,180 propõe a detecção do esforço nas palas e o ajuste do ângulo de movimento de pá em função do mesmo com o fim de garantir que os esforços não excedam um determinado valor.
- US 5,289,041 propõe a diminuição da velocidade de rotação em função da velocidade do vento e do erro do ânqulo de orientação.
- US 2004/108,729 propõe a medida de aceleração da torre com a finalidade de permitir o serviço na turbina a uma carga reduzida em intervalos de velocidade de rotação críticos.
- WO 01/66940 propõe a diminuição da velocidade de rotação até a velocidade de rotação desejada, calculada a partir da medida ou da estimativa da potência ou torque e o cálculo das velocidades de rotação correspondentes.
O Objectivo desta invenção é a protecção da turbina eólica frente a cargas excessivas que geram um esforço sobre a estrutura e os componentes da turbina além do nível desejado e ao mesmo tempo assegurar que a referida turbina eólica pode permanecer operacional incluindo em condições atmosféricas adversas ou em condições de falha, erro ou capacidade reduzida, para maximizar a sua produção de energia.
Conforme o método desta invenção, este objectivo cumpre-se reduzindo a velocidade e/ou a potência da turbina (sem a necessidade de parar a turbina eólica) ao detectar uma condição desfavorável que pode causar carqa(s) excessiva(s) sobre a turbina.
1. A um nível de maior detalhe, o método inclui um passo no qual se reduz a velocidade do rotor e/ou a potência do gerador como resposta a uma ou várias variáveis que excedam o (os) valor(es) predeterminados. A(s) dita(s) variável (eis) pertence(m) ao grupo formado pela direcção do vento relativa a direcção horizontal do eixo principal da turbina e a turbulência do vento medida por sensores externos, assim como outra(s) variável (eis) medida(s) por um ou mais sensores montados em componentes da turbina encarregues de medir o estado do referido componente.
Graças as referidas medidas é possível incluir uma grande variedade de variáveis na base para decidir se é necessário reduzir a velocidade e/ou a potência da turbina eólica e, desta forma, chegar a uma decisão melhor fundamentada.
Por exemplo, se só se controla a velocidade do vento, uma turbina eólica do estado da arte terá de se parar, regra geral, a velocidade do vento entre 18 e 30 m/s; usualmente a uma velocidade de vento de 25 m/s. Não obstante, as propriedades prejudiciais do vento não se encontram unicamente relacionadas com a velocidade do mesmo mas também com as turbulências, as rajadas e a exactidão na direcção das mesmas.
Se para além da velocidade do vento de detectam as referidas variáveis e tomando-as em consideração, será possível permitir que a turbina eólica funcione a uma velocidade do vento consideravelmente superior a 25 m/s se o vento for constante e, por tanto, menos prejudicial, sendo possível parar a turbina eólica a velocidades do vento acima de 25 m/s se as condições do mesmo forem turbulentas e rajadas.
A designação componentes da turbina deve ser entendido num amplo sentido, incluindo a substrutura, a torre, a gôndola, a maquinaria, os dispositivos eléctricos e electrónicos, o rotor com as pás, etc.
A designação exceder os valores predeterminados deve ser assim da mesma forma entendido num amplo sentido. Incluindo se no está definido um limite apropriado, é possível actuar, de acordo com esta invenção, se uma variável alcança um valor considerado como desfavorável ou perigoso, ou se alcança valores dentro de determinados intervalos considerados como desfavoráveis ou perigosos.
2. De forma preferencial mede-se a direcção do vento relativa a direcção horizontal do eixo principal da turbina mediante um cata-vento na gôndola da turbina eólica.
3. Para além disso, a turbulência do vento deriva preferencialmente da leitura de anemómetro que mede a velocidade do vento, montado normalmente na gôndola da turbina eólica.
Estas execuções supõem métodos simples e fiáveis de medida uma vez que permitem tempos relativamente curtos de resposta e graus de exactidão suficientes.
4. Numa das execuções preferenciais, os sensores tais como hastes extensiométricas montadas nas pás medem as forças de torção que actuam sobre as pás ou, os níveis de torção das pás.
5. Numa outra execução preferencial, sensores tais como acelerómetros montados numa ou em várias pás detectam os movimentos das pás correspondentes.
Os métodos mencionados constituem tipos de execução alternativos de um método preferencial conforme a invenção, donde o estado das pás e da turbina eólica e as acções realizadas sobre as mesmas se utilizam como parâmetros de controlo.
6. Os sinais dos sensores montados na pá são registados preferencialmente junto com a informação relativa a posição angular actual da dita pala.
Tais registos de dados formam a base da informação derivada acerca dos fenómenos direccionais ou angulares que actuam sobre o rotor da turbina eólica. Tais fenómenos incluem irregularidades do vento tais como camadas de vento (diferentes velocidades a diferentes altitudes), direcção do vento relativa ao eixo de rotação do eixo principal da turbina eólica, etc.
7. Com esta combinação, a direcção horizontal ou vertical do vento, ou uma combinação de ambas, deriva preferencialmente a partir de leituras dos sensores montados sobre as pás em função da posição angular actual de cada pala.
Conforme a invenção, um efeito de oscilação sobre uma pala em função da posição angular da mesma pode ser interpretado como a acção do vento proveniente de uma direcção diferente a da axial (direcção segundo a orientação). Desta forma, é possível derivar a direcção do vento a partir de sinais provenientes de sensores situados numa ou em várias pás da turbina eólica, ao correlacioná-la com a posição angular actual de cada uma das pás.
8. Numa das execuções preferenciais, as turbulências do vento são derivadas a partir das leituras de sensores montados nas palas, preferentemente em função da posição angular actual de cada pala.
Desta forma, as turbulências do vento serão medidas para a maior parte ou para a totalidade da área do rotor da turbina eólica. Se demonstra que este proporciona leituras que proporcionam uma visão mais exacta dos esforços induzidos pelas turbulências sobre a turbina eólica do que as leituras de turbulências realizadas desde um ou poucos
pontos, por exemplo, desde um anemómetro situado na
gôndola.
9. Preferencialmente, a actividade de um sistema de
controlo do movimento da pá situado na turbina eólica é
registada e utilizada para avaliar as caracteristicas do
,.í vento tais como a direcção vertical e/ou horizontal, ou a turbulência.
Dentro dos métodos de controlo de turbinas eólicas, é conhecido um sistema de controlo do movimento de cada pá no rotor pode ser realizado preferentemente com um tempo de resposta tão curto que seja possível levar o movimento de cada pá a um valor desejado num intervalo de uma revolução do rotor.
Com um sistema de controlo do movimento de uma pá deste tipo, a actividade do sistema oferecerá, conforme a invenção, uma visão da velocidade do vento e da turbulência dentro de qualquer sector da área circular varrido pelo rotor.
Conforme a invenção, a dita actividade é registada e/ou analisada, proporcionando uma visão da velocidade do vento e a turbulência em diferentes sectores, por exemplo a várias altitudes sobre o solo. Tais registos ou análises são utilizadas como para a decisão acerca da redução da velocidade do rotor e/ou a potência do gerador.
10. Numa das execuções preferenciais da invenção, a temperatura de um ou mais dos componentes do trem de accionamento e/ou do sistema gerador é controlada mediante sensor(es) de temperatura.
Graças a esta medida, é possível travar a turbina ou reduzir a sua potência de saída em caso de temperatura(s) elevada(s) na maquinaria da turbina eólica. As ditas temperaturas elevadas podem ser causadas por uma falha técnica, perda de óleo, elevadas temperaturas atmosféricas ou condições semelhantes e, na maioria dos casos, a dita temperatura elevada induzirá a um esforço excessivo nos componentes da turbina eólica. Reduzindo a velocidade e/ou a potência conforme a invenção reduzir-se-á a geração de calor, reduzindo desta forma a(s) temperatura (s) questão.
a
11. Noutra das execuções preferencial, se supervisiona a vibração de, ou o ruído num ou mais componentes do trem de accionamento e/ou do sistema de geração mediante sensor(es) de aceleração ou vibração.
Graças a esta medida é possível travar a turbina ou reduzir a sua potência de saída no caso de se produzirem ruídos ou vibrações excessivas na maquinaria da turbina eólica. Tais ruídos ou vibrações excessivas podem ser causados por uma falha técnica, perda de óleo, desgaste, ruptura ou condições similares. Reduzindo a velocidade e/ou a potência conforme a invenção reduzirá o risco de danos maiores.
Num desenvolvimento posterior desta execução do método referido na invenção se analisa a distribuição do ruído ou da vibração e se tomam medidas em função do resultado da análise. A turbina eólica pode p.ex. ser detida se o nível de ruído ou vibração for incrementado ao longo do tempo.
12. De forma preferencial, a vibração ou o movimento das estruturas de suporte tais como a torre ou suas sub estruturas são supervisionados mediante sensores de aceleração ou de vibração.
Os movimentos da torre podem ser causados adicionalmente por rajadas de vento excessivas ou turbulências, sendo essencial reduzir a velocidade e/ou a potência da turbina eólica durante tais condições a fim de evitar a sobrecarga de partes mecânicas da turbina eólica e para evitar oscilações não desejadas em componentes flexíveis tais com as pás.
13. Desta se dá preferência a análise das vibrações ou do ruído para registar em cada caso propriedades tais como o espectro de frequências ou os níveis de vibração ou de ruído.
Desta forma se obtém informação valiosa gerada como resposta dos componentes da turbina eólica a diferentes $
condições de funcionamento ou degradação, envelhecimento e falha de componentes.
14. Um método conforme a qualquer das reivindicações anteriores, no qual se supervisiona a potência de saida do gerador mediante um sistema de medição de potência.
A supervisão da potência de saida proporciona um controlo mais preciso e exacto do nivel de potência de saida por parte do sistema de controlo conforme a invenção.
15. Um método conforme qualquer das reivindicações anteriores, no qual se detectam os movimentos da torre ou da gôndola mediante um ou mais sensores de movimento tais como acelerómetros ou hastes extensiométricas.
A inclusão de sensores para a detecção dos ditos movimentos permite introduzir os sinais de movimento da torre ou da gôndola respectivamente o sistema de controlo conforme a invenção.
16. Um método conforme qualquer das reivindicações anteriores, no qual se avaliam as variáveis do vento tais como a direcção a direcção relativa a gôndola, a velocidade e as turbulências a partir de dados obtidos mediante sensores de vento situados numa ou em várias pás, tais como tubos de pitot, sensores de filme quente, sensores de lazer ou de ultra-sons, os quais obtêm os dados sobre o vento entorno da correspondente pá.
Ao registar tais dados junto com a informação acerca da posição angular actual de cada pá, os dados que se desejam obter do vento podem ser derivados a partir dos dados registados mediante o processamento adequado por computador. Os dados relativos ao vento obtidos desta forma podem ser mais fiáveis que os dados relativos ao vento obtidos mediante sensores montados na gôndola, mesmo sensores especializados.
objectivo acima mencionado é atingido aplicando o método referido na invenção para a operação de uma turbina eólica durante condições atmosféricas que incluem: erros de orientação; altas turbulências, velocidade do vento ou rajadas; camadas de vento, vento ascendente ou descendente; rasto de outra(s) turbina(s); ou durante condições mecânicas ou eléctricas que incluem: altos níveis de vibração ou alta temperatura na turbina, cargas elevadas na turbina, quebras de rede ou falhas ou avarias na turbina.
Em muitos dos casos de avaria, é possível continuar com o funcionamento seguro da turbina a uma velocidade ou potência reduzida mesmo que não seja possível o funcionamento em condições nominais. Desta forma, ao aplicar o método da invenção, será possível operar uma turbina eólica enquanto se espera pela sua reparação após avaria ou em caso de desgaste ou envelhecimento. Deste modo, a turbina permanece disponível e operacional e desta forma capaz de gerar energia, de forma a reduzir as perdas económicas resultantes de uma avaria ou de um grau inferior de operatividade.
objectivo mencionado mais acima se cumpre ainda dado que o método referido na invenção pode ser aplicado para a operação de um turbina eólica a velocidades de vento superiores a 25 m/s.
Em estudos anteriores, se considera geralmente inapropriado operar uma turbina eólica a alta velocidade do vento, com medias superiores a 25 m/s. Não obstante, isto conduz a um grau substancial do aumento do risco de rajadas e turbulências a altas velocidades do vento, já que a alta velocidade do vento por si só nâo danifica necessariamente a turbina.
Se a velocidade e a potência da turbina eólica se reduzem, de acordo com a invenção, de forma controlada, as cargas prejudiciais da velocidade, das rajadas e das turbulências do vento reduzir-se-ão a um nível aceitável.
Em particular, se as rajadas e as turbulências do vento a altas velocidades são avaliadas como mencionado anteriormente, será possível reduzir a velocidade e/ou a potência da turbina eólica o suficiente para conseguir um nível de carga prejudicial suficiente, sendo a redução da velocidade e/ou da potência menor que a que seria necessária noutros casos.
Tal implica que a velocidade e a potência da turbina eólica se podem manter de forma contínua tão elevada quanto possível durante condições atmosféricas com ventos de velocidade elevada, rajadas e/ou turbulências. Em particular, a velocidade e a potência podem ser mantidas a níveis consideravelmente maiores que em desenvolvimentos anteriores.
objectivo cumpre-se uma vez mais dado que o método referido na invenção pode ser aplicado para a operação de uma turbina eólica marinha em condições de marejada.
As condições de marejada implicarão muito provavelmente um alto nível de impacto sobre a torre e a substrutura da turbina eólica marinha com o consequente esforço, movimento e tensão da torre e da substrutura.
funcionamento de uma turbina eólica marinha abaixo das referidas condições implicará um esforço adicional tanto nas regiões de suporte como nas regiões móveis da turbina eólica. Em particular, as partes móveis sofrerão um esforço adicional devido aos movimentos da torre e esta, por sua vez, sofrerá um esforço adicional devido ao aumento do nível da vibração induzido pela maquinaria em movimento.
Reduzindo a velocidade e/ou a potência de acordo com a invenção reduzir-se-á os referidos efeitos prejudiciais tanto na torre com nas regiões móveis, permitindo assim o funcionamento contínuo em condições de marejada. Desta forma, a turbina encontrar-se-á disposta para o serviço ainda que a um nível inferior de produção de energia í ·”$
L4 durante tais condições atmosféricas, aumentando a contribuição da invenção.
Para além disso, o objectivo cumpre-se uma vez que a turbina eólica:
- inclui um gerador para a produção de electricidade e um sistema de controlo para controlar pelo menos o movimento da pá e a orientação da turbina e a saída de potência do gerador;
- inclui um ou mais sensores conectados ao sistema de controlo para medir variáveis; e inclui actuadores controlados pelo sistema de controlo para ajustar pelo menos o movimento de pá e a orientação da turbina e um circuito de controlo regulado pelo sistema de controlo para a regulação da saída de potência do gerador;
que se caracteriza por:
o(s) sensor(es) pertence(m) ao grupo constituído por um sensor externo para a distribuição do vento e um sensor externo de turbulências do vento, assim como qualquer outro(s) sensor(es) montado(s) em componentes da turbina para medir um estado do referido componente.
21. De forma preferencial, o sensor externo para a direcção do vento constará de um cata-vento montado na gôndola da turbina eólica.
22. Também de forma preferencial, o sensor de turbulências constará de um anemómetro montado na gôndola da turbina eólica.
23. Igualmente de forma preferencial, o grupo de sensores compreenderá sensores tais como hastes extensiométricas montadas nas pás para medir as forças de torção que actuam sobre as pás ou os níveis de torção resultantes nas pás.
24. Numa das execuções, a turbina eólica consta de sensores tais como acelerómetros montados numa das várias pás para medir os movimentos ou o ruído na(s) correspondente(s) pá(s) e/ou sensores para medir a posição angular actual do rotor e, por tanto, de cada pá.
Mediante estas medidas obtêm-se vantagens similares tal e como se explicou acima relativamente as reivindicações do método, e que a turbina eólica definida através das características mencionadas anteriormente é
especialmente adequada para as execuções correspondentes do
método referido na invenção. 26. Numa turbina eólica que inclui um sistema de
controlo do movimento da pá, o sistema de controlo do
movimento de pá constará de forma preferencial, de acordo com a invenção, de dispositivos de transmissão para transmitir a actividade do sistema de controlo do movimento de pá, preferencialmente para transmitir o movimento actual de cada pá a um sistema principal de controlo.
Neste caso, os parâmetros derivados da actividade do sistema de controlo do movimento da pá podem utilizar-se como entradas de um sistema de controlo que utilize o método da invenção.
Em geral, a actividade do sistema de controlo do movimento de pá responderá a condições de vento instáveis tais como rajadas de vento. Em sistemas mais sofisticados de controlo do movimento da pá, as condições instáveis do vento tais como turbulências ou camadas de vento (velocidades diferentes do vento a diferentes altitudes dentro do círculo varrido pelo rotor) podem reflectir-se na actividade do sistema de controlo do movimento da pá e, desta forma, é possível alcançar um maior grau de detalhe no controlo de velocidade e/ou de potência da turbina eólica de acordo com a invenção.
27. De forma preferencial, a turbina eólica incluirá um ou vários sensores de temperatura para supervisionar a temperatura de um ou vários dos componentes do trem de accionamento e/ou do sistema gerador.
28. Para além disso é preferível que a turbina eólica inclua um ou vários sensores de aceleração ou de vibração para supervisionar o nível de vibração ou o ruído de um ou vários dos componentes do trem de accionamento e/ou o sistema qerador.
Graças a estas medidas é possível reduzir a velocidade e/ou a potência da turbina no caso de sobreaquecimento de componentes ou de níveis excessivos de ruídos ou vibrações nos componentes. 0 referido sobreaquecimento pode ser causado por uma combinação desfavorável de condições climáticas e parâmetros de funcionamento, considerando assim mesmo que, em geral, esse sobreaquecimento, assim como a vibração do ruído pode ser causado por uma falha ou avaria em componentes da turbina eólica.
29. De forma qeralmente preferencial, a turbina eólica constará de um sistema de medição de potência para supervisionar a potência de salda do gerador.
30. Por último, é preferível que o grupo de sensores inclua um ou vários sensores de movimento tais como acelerómetros ou hastes extensiométricas para medir os movimentos laterais da torre. Tais movimentos da torre serão provocados na sua maioria por condições atmosféricas muito desfavoráveis.
Mediante estas medidas obtêm-se vantagens similares tal e como se explicou acima relativamente as reivindicações do método, e que a turbulência eólica definida através das caracteristicas mencionadas anteriormente é especialmente adequada para as execuções correspondentes do método referido na invenção.
De seguida se explicarão em maior detalhe diferentes execuções da invenção em referencia as figuras nas quais:
15:
Fig. 1 mostra as forças que actuam sobre um segmento da pá da turbina eólica;
Fig. 2 mostra a formação da velocidade relativa do vento WR;
Fig. 3 mostra a redução da potência de saída conforme a invenção para velocidades de vento elevadas;
Fig. 4 mostra a redução da potência de saída conforme a invenção para velocidades de vento elevadas junto com altos níveis de outras variáveis;
Fig. 5 ilustra a supervisão da carga da pá;
Fig. 6 mostra a redução da potência de saída em caso de aumento do ângulo de orientação;
Fig. 7 mostra a redução da potência de saída em caso de aumento do ângulo de orientação a diferentes intervalos de velocidade do vento;
Fig. 8 mostra a redução da potência de saída e/ou da velocidade do rotor em caso de aumento da deflexão da pá; e
Fig. 9 ilustra a supervisão da aceleração de componentes.
A maior parte da carga de uma turbina eólica é causada pelo efeito da velocidade do vento relativamente às pás. A carga nas pás é definida geralmente pela força de ascensão L e a resistência aerodinâmica D, as guais se ilustram na Fig. 1 para gualguer segmento 1 da pá e se definem por:
L = p CL A
D “ p W Cd A donde:
p é a densidade do ar;
WR é a velocidade do vento relativa ao segmento da pá;
A é a área do segmento da pá;
CL é um coeficiente de ascensão adimensional (dependente do ângulo de atague a) ; e
CD é um coeficiente de resistência aerodinâmico adimensional (dependente do ângulo de atague a) .
tó
As forças de ascensão e de resistência aerodinâmica L, D actuam ao largo de uma linha central virtual de ascensão que se estende ao largo da borda de ataque da pá, a uma distância de 25% da base da pá por detrás da borda de ataque. Na Fig. 1, a dita linha virtual se estende de forma ortogonal ao plano do papel e através do centro de ascensão
Para o perfil do segmento 1 da pá ilustrado, se considera que o centro de ascensão Cl se encontra situado a da longitude da corda K por detrás da borda de ataque do perfil, tal como indica a referencia K/4.
A velocidade relativa do vento WL é uma combinação da velocidade livre do vento WF e uma velocidade virtual do vento oxr induzida pela velocidade angular o do rotor da turbina eólica e a distância radial r desde o centro do rotor da turbina eólica até ao segmento da pá:
WR = ( (o n + w/l donde:
(ror) é a velocidade angular do segmento da pá (o vector (o r) se orienta no sentido oposto a direcção do movimento do segmento da pá); e
WF é a velocidade livre do vento esta relação encontra-se ilustrada na fig. 2.
A partir das relações acima apontadas, se demonstra que as forças de carga sobre a turbina eólica variam com o quadrado da velocidade do vento; as flutuações da velocidade do vento produzem por conseguinte flutuações na força e na carga. As ditas flutuações são criticas no referente a fadiga causada pelo esforço sobre as pás e sobre a turbina eólica em geral.
Por tanto a carga sobre a turbina pode reduzir-se de forma eficiente mediante a redução da velocidade relativa do vento; na prática isto poderá realizar-se reduzindo-se a velocidade de rotação do rotor.
As variações na velocidade do rotor levarão a variações substancialmente maiores sobre a velocidade relativa do vento WR do que a variações da velocidade livre do vento WF, ao menos para as partes externas das pás do rotor. Não obstante, reduzindo a velocidade de rotação do rotor o torque dentro da caixa de velocidades será aumentado (potência = torque x velocidade rotacional) se a potência eléctrica de saída do gerador não reduzir de forma equivalente.
Conforme a invenção, a potência de saída do gerador pode ser reduzida em função da redução na velocidade do rotor e do valor actual do torque dentro da caixa de velocidades, se se reduz a velocidade do rotor a fim de reduzir as cargas sobre a turbina eólica em condições atmosféricas muito desfavoráveis ou outras condições desfavoráveis.
É imprescindível que a turbina eólica mantenha o seu funcionamento quando submetida a condições atmosféricas muito desfavoráveis a fim de suportar as necessidades da rede eléctrica. É sobejamente conhecido que uma rede pode colapsar-se se se desacoplarem bruscamente da rede geradores de grande tamanho.
Para áreas com uma com elevada implementação de energia eólica, a energia total da rede pode ser substituída em condições de vento elevadas em cerca de 50 a 80% mediante energia eólica. O risco de colapso de uma rede deste tipo é incrementado substancialmente se as turbinas eólicas correspondem a invenções anteriores, que se desacoplam da rede e são detidas quando excedem uma determinada velocidade do vento.
Para evitar o risco de que uma rede com uma elevada percentaqem de geradores de energia eólica colapse quando
W submetida a condições atmosféricas muito desfavoráveis com velocidades de vento elevadas e rajadas de vento, as turbinas eólicas podem ser adaptadas conforme a invenção para continuar a proporcionar energia, mesmo a velocidades de vento consideravelmente elevadas. Isto é possível se as turbinas se adaptarem para reduzir a velocidade do rotor e a potência do gerador ao incrementar-se a velocidade do vento acima de um nível predeterminado que pode ser p.ex. 25 m/s.
Conforme a invenção, a velocidade do rotor e a potência do gerador são reduzidas para manter as diferentes cargas sobre os componentes da turbina eólica dentro de limites seguros. A Figura 3 mostra a relação entre a velocidade do vento W e a potência de saída P de uma turbina eólica. Ao aumentar-se a velocidade do vento W, a turbina eólica começa a gerar energia eléctrica a uma velocidade do vento inicial A e alcança o seu nível nominal de saída E a velocidade nominal do vento B.
Uma turbina eólica correspondente a inventos anteriores é desenvolvida com uma velocidade nominal de vento C e ao superar a dita velocidade do vento, a turbina eólica será desactivada, ou seja, será desconectada da rede e será travada até deter-se.
Uma turbina eólica conforme a presente invenção reduzirá a sua potência de saída P se a velocidade do vento W excede a velocidade nominal de vento máxima C a fim de manter a carga da turbina eólica dentro de limites seguros, tal como já indicado. Se a velocidade de vento W excede a velocidade do vento máxima permitida J, a turbina eólica conforme a invenção se desactivará (ou seja, se desconectará e travará).
Estas características da turbina eólica conforme a invenção implicam que a turbina eólica da invenção se encontrará disponível para velocidades de vento entre os limites C e
J, ao contrario do que os tipos de turbinas eólicas anteriores, assegurando portanto a produção constante de energia eléctrica a tais velocidades elevadas de vento. Se em algum caso as turbinas eólicas se desactivarem a velocidades de vento acima do limite J, se desactivam a um nivel de potência substancialmente inferior F e, portanto, com um risco muito menor de colapso da rede já que a energia eólica constituirá uma fracção muito menor da energia total da rede nestes níveis de vento.
Os períodos de indisponibilidade para o serviço das turbinas eólicas da presente invenção são deste modo muito menores que para turbinas eólicas de inventos anteriores já que a velocidade do vento excederá o nível limite J durante um tempo muito menor que o limite C. não obstante, os ditos períodos de indisponibilidade para o serviço serão também menores por outra razão: quando uma turbina eólica correspondente a inventos anteriores se desactiva a uma velocidade do vento C, não é possível voltar a conectá-la a rede a mesma velocidade de vento devido a carga extremamente elevada da turbina a este nível de velocidade de vento; de forma habitual, a re-conexão terá lugar quando a velocidade do vento for menor que, por exemplo, C-25% durante 30 min ou mais. Pelo contrário, uma turbina eólica conforme a presente invenção, será capaz de reconexar-se a uma velocidade de vento de, por exemplo, J-10% devido ao nível muito inferior de potência F implicado e em particular devido ao nível muito inferior de velocidade do rotor implicado.
Conforme a invenção, a redução da potência do gerador a velocidades do vento acima do limite C pode incrementar-se como resposta a outra(s) variável(eis) (para além da velocidade do vento) que excedam valores limites ou no caso de se dar uma situação desfavorável. Esta estratégia se encontra ilustrada na figura 4, a potência de saída P do gerador da turbina eólica é reduzida a velocidades de vento W acima do valor limite C, tal como mencionado em referência a figura 3), esta redução se encontra ilustrada através da curva 2. A curva 3 ilustra a situação em que se encontra presente uma situação desfavorável; pode tratar-se por exemplo de elevadas turbulências. A turbina eólica não será capaz de funcionar a uma potência nominal total acima da velocidade do vento C devido que as turbulências elevadas causarão esforços adicionais sobre a turbina eólica, tal como explicado acima.
No entanto, deverá reduzir-se a potência do gerador até corresponder a uma velocidade de vento inferior, no caso descrito desde a velocidade do vento C3. Se a velocidade do vento alcançar o valor H e se a turbulência se mantiver, será necessário parar a turbina.
A curva 4 corresponde a uma situação na qual se detectou uma temperatura elevada na maquinaria da turbina eólica. Neste caso, deverá reduzir-se a potência do gerador até que a correspondente velocidade C4 seja atingida e deverá manter-se a velocidade do vento H. Se se detecta aquecimento numa chumaceira, está-se perante uma situação de aumento de corrente ou de erro de orientação ou se a carga da pá aumenta demasiado, etc., o sistema de controlo da turbina eólica reduzirá de forma similar a potência de saída da turbina (a potência do gerador) conforme a presente invenção.
Se a carga da pá, referida carga média ou cargas equivalentes (obtida mediante os métodos estatísticos de cálculo de rainflow ou desvio típico), excede um limite predeterminado, por um instante ou durante um determinado período de tempo, a turbina estará submetida a cargas excessivas. Deveria portanto reduzir-se a velocidade do rotor e/ou a potência do gerador conforme a invenção, a fim de reduzir a carga até que se encontre dentro de limites seguros.
A figura 5 mostra uma situação típica. É mostrado que a carga de uma pá 10 é supervisionada constantemente e que a dita carga supera um limite U predeterminado num certo instante. Ao ocorrer isto, a velocidade do rotor e/ou a potência do gerador da turbina eólica se reduzem conforme a invenção.
As figuras 6-7 mostram o comportamento ao longo do tempo de um sistema de controlo correspondente a presente invenção ao ter lugar um erro de orientação. A abcissa corresponde ao tempo t e a ordenada ao erro de orientação 6 (ângulo) e a potência de saída 5, respectivamente.
Durante uma condição de erro de orientação, a direcção horizontal do vento se encontra orientada incorrectamente a respeito da direcção horizontal do eixo principal da turbina eólica. A velocidade de orientação que de dispõe uma turbina eólica é muito reduzida, em torno dos 0,5°/seg, ocorrendo portanto um erro de orientação quando a direcção do vento muda a uma velocidade superior à velocidade de orientação disponível (maior do que 0,5°/seg).
Na figura 6, o erro de orientação se encontra em princípio a um nível baixo P, poderia tratar-se de, por exemplo, um nível permitido, que dizer, um pequeno erro de orientação pelo que não será necessário iniciar um processo de orientação da turbina eólica para eliminar um erro.
No instante W, a direcção do vento começa a mudar e o erro de orientação aumenta até alcançar o nível V no instante M, o qual é o máximo de erro de orientação permitido funcionando a uma potência nominal total T.
Ao aumentar o erro de orientação, o sistema de controlo de orientação inicia um processo de orientação da turbina eólica para eliminar o dito erro. O crescente erro de orientação mostrado na figura 6 é portanto a diferença entre a mudança de direcção do vento e a mudança do ângulo de orientação efectuado pelo sistema de controlo de orientação. A medida que o erro de orientação 6 aumenta acima do nível V, a potência de saída 5 da turbina eólica deverá diminuir a fim de manter os esforços dentro dos limites seguros; este tem lugar mediante um sistema de controlo da potência comandado por um sistema de controlo geral conforme a invenção.
No instante N, o erro de orientação 6 é estabilizado a um valor R dado que a diferença entre a direcção do vento e o ângulo de orientação permanece constante, presumivelmente devido a que a velocidade de variação da direcção do vento corresponde a velocidade máxima de orientação da turbina. De forma correspondente, a potência de saída 5 se mantém a um nível constante S.
Conforme a invenção, a redução da potência de saída e/ou da velocidade do rotor como resposta as alterações de uma variável (como erro de orientação no caso anterior) pode depender do nível de alterações em qualquer outra variável (como velocidade do vento no caso anterior). Desta forma, o sistema de controlo da invenção poderá aumentar ao máximo a potência de saída da turbina eólica para qualquer combinação de um grupo de variáveis, aumentando desta forma ao máximo a disponibilidade e a produção de energia de uma turbina eólica acima do possível nas invenções anteriores.
Por exemplo, o grau de redução necessário para a potência de saída e/ou a velocidade do rotor como função do erro de orientação pode ser diferente para níveis diferentes de velocidade do vento. A velocidades elevadas do vento, um erro de orientação produzirá esforços maiores e, portanto, o grau de redução da potência de saída e/ou da velocidade do rotor deverá ajustar-se conforme a velocidade do vento. Esta situação encontra-se ilustrada na Figura 7, a qual serve de exemplo da reacçâo de um sistema de controlo conforme a presente invenção perante uma situação de erro de orientação que evolua ao longo do tempo de forma correspondente a mostrada na Figura 6.
Quando a velocidade do vento W se encontra entre os limites xi e X2, o nível de potência relativa P/Po reduz seguindo a curva 7. Quando a velocidade do vento W se encontra entre os limites x2 e X3, o nível de potência relativa P/Po reduz seguindo a curva 8. e quando a velocidade do vento W se encontra entre os limites e x4, o nível de potência relativa P/Po reduz seguindo a curva 9.
Na Figura 8 encontra-se ilustrado a reacção a um aumento na deflexão da pá do rotor ao longo do tempo para um sistema de controlo conforme a invenção.
No princípio, a deflexão 12 de uma ou várias pás do rotor encontra-se a um nível seguro Y. No instante ti, a deflexão da pá 12 começa a aumentar, alcançando um nível predeterminado no instante t2. Neste instante ti a potência de saída 11 começará a diminuir com resposta aos comandos enviados desde o sistema de controlo conforme a invenção. Terá lugar uma redução da deflexão da pá juntamente com a redução da potência de saída e a correspondente redução do torque do rotor.
sistema de controlo mantém o comando de redução do nível de potência até que o nível de deflexão da pá se encontre a um nível seguro inferior ao nível Y aceitável normalmente; isto tem lugar devido ao facto de o repentino aumento do nível de deflexão da pá no instante ti poder dever-se a algum defeito na pá e, por conseguinte, continuar o funcionamento a um nível de potência nominal é considerado inseguro neste exemplo de execução.
É possível oferecer uma reacção a outras muitas variáveis para além da deflexão da pá da forma ilustrada na Figura 8. Na Figura 9 ilustra-se a evolução do nível de aceleração 13 de um componente dentro de uma turbina eólica. 0 dito componente é supervisionado por exemplo por um acelerómetro montado sobre o mesmo componente e conectado ao sistema de controlo da invenção. A Figura 9 ilustra que o nível de aceleração 13 aumenta ao longo do tempo até exceder um limite predeterminado Z. Este evento activará o sistema de controlo conforme a invenção e iniciará a redução da potência de saída e/ou da velocidade do rotor.
Uma situação irreversível como a descrita em referência a Figura 8 pode ser incorporada na estratégia de controlo do sistema de controlo da invenção de forma que o sistema não permitirá o retorno ao nível de potência nominal ou de velocidade nominal até que a inspecção seja realizada por parte do pessoal de serviço.

Claims (12)

  1. Reivindicações
    1. Método para o funcionamento de uma turbina eólica sujeita a um limite predeterminado de velocidade de vento, caracterizado pelo facto de compreender:
    - medição de um conjunto de variáveis, incluindo a direcção do vento relativa à direcção axial do eixo principal da turbina e à turbulência do vento, medidas por sensores externos, velocidade
    do rotor e/ou potência de saída do gerador, e pelo menos uma das seguintes: velocidade do vento, forças de torção actuantes em uma ou mais pás da turbina ou resultantes de níveis de torção das referidas uma ou mais pás, movimento ou aceleração ou ruído de uma ou mais
    pite, temperatura de um ou mais componentes do trem de accionamento e/ou do sistema gerador da turbina, vibração ou ruído de um ou mais componentes do referido trem de accionamento e/ou do referido sistema gerador, vibração ou movimento da estrutura de suporte da turbina incluindo a torre ou substruturas da mesma, movimento lateral da dita torre ou da gôndola da turbina; e redução da velocidade do rotor e/ou da potência do gerador em resposta à direcção do vento relativa à direcção axial do eixo principal da turbina e à turbulência do vento excedendo valores predeterminados.
  2. 2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a direcção do vento relativa à direcção axial do eixo principal da turbina (6) ser medida através de um cata-vento na gôndola da turbina eólica.
  3. 3. Método de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por a turbulência do vento derivar da leitura de um anemómetro que mede a velocidade do vento, montado na gôndola da turbina eólica.
  4. 4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os sensores tais como hastes extensiométricas montados nas pás medirem as
    forças de torção que actuam sobre as pás (10) ou os níveis de torção (12) resultantes nas mesmas. 5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações
    anteriores, caracterizado por os sensores tais como acelerómetros montados numa ou várias pás medirem os movimentos, as acelerações ou o ruido na(s) pá (s) (13) correspondente(s).
  5. 6. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a direcção horizontal ou vertical do vento, ou uma combinação de ambas, e turbulências do vento derivarem das leituras dos sensores montados nas pás, baseadas na posição angular actual de cada pá.
  6. 7. Método de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizado por as turbulências do vento derivarem das leituras dos sensores montados nas pás, baseados na posição angular actual de cada pá.
  7. 8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a temperatura de um ou mais dos componentes do trem de accionamento e/ou do sistema gerador ser monitorizado mediante sensor(es) de temperatura.
  8. 9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a vibração ou o ruído num ou mais dos componentes (13) do trem de accionamento e/ou do sistema gerador ser monitorizado mediante sensor(es) de aceleração ou vibração.
  9. 10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a vibração ou o movimento das estruturas de suporte tais como a torre ou sua substrutura serem monitorizados mediante sensores de aceleração ou de vibração.
  10. 11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8 e 11 a 12, caracterizado por se analisar as vibrações ou o ruído para registar em cada caso propriedades tais como o espectro de frequências ou os níveis de vibração ou ruído.
  11. 12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os movimentos laterais da torre ou da gôndola serem medidos mediante um ou mais sensores de movimento tais como acelerómetros ou hastes extensiométricas.
  12. 13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por as variáveis como a direcção do vento relativa à gôndola (6), a velocidade e a turbulência do vento serem avaliadas a partir de dados obtidos mediante sensores de vento situados em uma ou várias pás, tais como tubos de pitot, sensores de película quente, sensores de luz de laser ou de ultra-sons, os quais obtêm os dados sobre o vento em torno da pá correspondente.
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